关于氙灯老化和户外大气自然暴晒的综述

胡建雄

(广州合成材料研究院有限公司，广东广州510665)

1 概述

随着科学技术的飞速发展，人们的生活水平越来越高，人们对各式各样的产品要求也越来越高。在过去很长一段时期，除了一些国防尖端科学设备(如航空航天产品)、军工产品以外，人们对高分子材料的老化根本不会提什么要求。近年来，人们对各种产品的使用寿命提出了近乎苛刻的要求。因此，如何高效、准确地评价高分子材料及其制品的耐老化性能，对高分子材料的应用和发展都至关重要。本综述就近年来大家比较关注的氙灯老化和大气自然暴晒的相关性进行介绍。

2 定义

户外自然暴晒:户外暴晒试验顾名思义就是将高分子材料的试样或制品暴露于自然大气环境中，使得试验样品或制品受到各种大气因素的综合作用，通过周期性的外观检查和一些物理机械性能的测试，从而了解到材料的外观和性能的变化。

氙灯老化:氙弧灯光源是近代发展最快的一种人工加速老化试验设备，氙弧灯光源的光能量分布与太阳的光能量分布十分相近，特别是紫外(290nm ～400nm)部分的光能量。氙弧灯是利用超高压氙气放电制造成的高效率光源，可分为长弧灯和短弧灯，按冷却方式可分为水冷式与风冷式。

3 对比

3.1 自然大气暴晒试验［1］

户外大气暴晒试验是将高分子材料的试样或制品暴露于自然大气环境中，使得实验样品或者制品受到各种大气因素的综合作用，通过周期性的外观检查和一些物理机械性能的测试，从而了解到材料的外观和性能变化，据此，可评价材料的耐气候老化性能。由于各种制品的使用环境不同，选择试验场要求试验环境既严酷而又有代表性。可参考我国的主要气候类型(见表1)。

表1 我国的主要气候类型［1］Table 1 The main climate types in China

除了自然环境因素外，自然大气暴晒试验场地点建设也要有严格的规定。比如:要求暴晒场四周空旷、无高大的建筑物或障碍物。场地平坦，并保持当地的自然植被状态，不积水，草高不超过30cm。场地附近应无工厂、烟囱、通风口或者其他散发大量腐蚀性气体的装置，最好远离城市。

沿海地区的暴晒场应设在离海边3km ～4km 的地方。海边小气候试验场则应设在离海边不超过100m 的地方。因为那里的大气成分较为特殊，含盐等杂质多，湿度大。

通常自然暴露试验中应注意:(1)暴露架和使用暴露的要求:坚实、防腐、耐用，对试样没有不良影响，雨水能自动流走。(2)试验样品的制备和投放:按样品的测试要求投放样品，样品之间互不影响，暴露面最低点离地面高0.8m。(3)试验周期和老化终止:选择老化的终止指标应能反应老化本质又易于测定的物理量。一般塑料、橡胶选用指标下降50%或1/3 为终止，油漆涂层定某一等级为终止。表2 列出了一些高分子材料的老化试验标准。

表2 一些高分子材料的老化试验标准Table 2 Some polymer materials aging test standards

户外大气老化试验的优点:数据准确可靠，能真实反映材料实际老化状态与程度，设备简单。户外大气老化试验的缺点:试验周期长，难以快速满足研究、生产、应用的要求，受时间和地域的制约，重现性差。

3.2 氙弧灯暴露加速老化试验［2］

氙弧灯老化是近代发展最快的一种人工加速老化试验设备，世界上很多国家的研究普遍认为氙灯是目前模拟太阳光谱最接近的一种光源。其利用超高压氙气放电制造成的高效率光源，可分为长弧灯和短弧灯，按冷却方式可分为水冷式与风冷式。图1 是氙弧灯光源与太阳光的光谱对比图。

图1 氙灯与太阳光的光谱图对比Fig.1 Comparison of spectral graph for xenon lamp and sunlight

试验设备的结构包含:样品室、光源系统、调温调湿系统、人工降雨系统、辅助控制系统、定时开关、记录仪。试验条件的控制包括:(1)黑板温度:可调，一般为65℃±3℃;(2)箱内湿度:可调，一般为40% ～60% (RH);(3)喷水周期:可选择102min/18min(不喷淋/喷淋)。表3 列出了不同材料的一些氙灯光源暴露试验标准。

表3 一些高分子材料氙灯光源暴露试验标准Table 3 Some polymer materials xenon lamp exposure test standards

4 自然气候试验和氙灯老化试验的发展状况

4.1 自然气候试验［3］

早几十年前，国外对自然气候试验已相当重视，视为不可缺少的基础性工作，是鉴定材料性能最可靠的方法。

美国1931年就在佛罗里达州东南部的迈阿密布建立了天然气候场，该地处于北纬25°，在北回归线以北。是美国湿热带气候区的标准暴露场。该暴露场由原先单纯的油漆试验，扩展到目前对油漆和工程材料的各个领域的试验项目。现有500 多家主顾，包括美国、加拿大、南美诸国、英国等17个公司和整个西欧的有关厂家往该暴露场送试样，受试样品达20 多万件。

自然气候试验受区域性气候的影响。国际上把这种气候分为五大类:湿热、干热、中温、温和及寒冷。日本将自然气候试验分为耐候性试验和耐光性试验。后者包括日光试验和昼光试验。耐候试验是考察材料特性在太阳辐射、雨水、风、温湿度、大气污染等因素作用下如何变化的试验方法。耐光性试验时研究材料受太阳辐射和温湿度影响，以褪色为主要研究指标的试验方法。其中日光试验时把样品整年每天24 小时设在大气环境中。昼光试验则在4月1日到10月1日的晴天每天上午9 时至下午4 时放在户外大气环境中，其他时间搬进室内。

4.2 氙灯老化试验［3］

国外在进行天然气候试验的同时，开展了大量的人工气候对比试验。这些气候试验都是模拟自然气候的加速试验。

早在1934年，美国首先出现了气候老化箱。经过不断改进，1960年被批准为专利，并投入实际应用。英国于1953年也试制了一种材料耐光试验箱。苏联在1962年报导了太阳辐射试验箱。

但是国外早期的人工气候试验箱所用的光源很多，主要有高压汞灯、紫外线碳弧灯、阳光碳弧灯、氙灯和荧光紫外灯。对于它们的评价，众说不一，高压汞灯虽有强烈的紫外线，但是光谱不连续，与太阳光差距大，现在趋于淘汰。

紫外线碳弧灯，可以用美国ATLAS 的气候箱为代表，是一种两用的人工气候老化箱。装上人工降雨系统就是耐候试验箱，拆掉人工降雨装置就是耐光试验箱。目前主要是日本企业在使用这种气候箱。阳光碳弧灯的紫外线范围278nm ～400nm，可见光区域大，红外区小，具有和太阳光比较一致的能量，放电的色调比紫外线灯接近白色，但是价格昂贵。

氙灯1958年在西德出现后就引人注目，从紫外可见光部分的能谱与太阳光非常接近。目前被认为是模拟太阳光最好的光源。1961年，国际标准化组织曾推荐氙灯为材料的耐候和耐光试验光源。

5 氙灯老化和自然气候换算关系［4］

早在几十年前，国内外已在探讨自然气候试验和人工气候老化试验的换算关系。但是由于自然气候变化多端，人工气候箱无法完全模拟，因此国内外到目前为止还没有标准描述其换算关系。

通过长期的自然气候暴晒和氙灯人工加速研究表明:评价高分子材料的颜色变化和力学性能，人工加速老化与自然大气暴露有较好的相关性，加速倍率约为7。如果想了解某一高分子材料户外使用一年后的颜色变化，采用相同的试验条件，可以参考该加速倍率，确定加速老化时间为365 ×24/7 =1251h。但是，从逻辑上谈论人工加速老化时间和户外曝晒长度之间的换算因子是没有意义的。原因在于一个是相当恒定的环境，而另一个则是千变万化的。找寻两者之间的换算因子超出了变化的范围。换句话说，天气数据是相对性的数据。不过，你还是可以从人工加速老化试验得到极佳的老化测试数据。但你必须认识该数据是相对数据，而不是绝对数据，因为人工光源的加速老化试验有如下局限性:

a. 人工光源的光波分布与实际的地面日光分布不完全一致，试验装置中创造的气候条件与实际大气的气候条件有较大差异。

b. 人工光源的加速老化试验无法模拟出大气的工业污染和其它许多因素对塑料的损害，因而也无法模拟出这些多种因素联合作用时的协同效应。

c. 人工加速老化试验在比大气自然老化较高的温度下进行，常常会引起塑料产生与大气自然老化时不完全相同的变化过程。

以上几点局限性使人工加速老化试验的结果很难与大气自然老化结果取得对应的准确可靠的换算关系，人们很难回答在人工老化试验中试样暴露单位时间会相当于实际的大气自然老化中暴露多长时间，也很难找到不同加速老化试验方法所取得结果之间的准确换算关系。

6 结语

氙灯光源光谱能量分布与太阳光中紫外、可见光部分极其相似，因此，广泛运用于评价材料老化性能、耐候性的需求，从而得到快速成长，已经从作为自然老化的重要补充到逐渐在许多行业替代自然老化试验作为产成品的检验手段。如何选择试验条件、光源、试验时间、性能评价指标等是以后人工模拟加速老化试验中必须认真研究的问题。

［1］GB/T 3681－2000 塑料大气暴露试验方法.

［2］GB/T 16422.2－1999 塑料实验室光源暴露试验方法 第2 部分:氙弧灯.

［3］魏铭炎. 国外塑料光老化机理研究及试验概况［J］. 绝缘材料，1978(01):62－63.

［4］人工加速老化试验最关心的四个问题［EB/OL］.(2012－ 05－ 03)［2014－ 05－ 09］.http:∥www.chem17.com/st218739/Article_383773.html.