材料耐光老化测试研究

王仲昭

（上海纺织集团检测标准有限公司，上海200082）

述评

材料耐光老化测试研究

王仲昭

（上海纺织集团检测标准有限公司，上海200082）

介绍了耐光老化测试的理论知识、测试方法和试验室条件，并对测试中常用的测试标准、质量控制、常见问题和解决方法进行了详细分析。

材料；耐光；老化测试

0　引言

众所周知，材料在日常环境中随着时间推移会逐步老化，从而影响材料的性能，如汽车零部件的老化会影响车辆的性能和可靠性，严重时会对车内人员造成危害；服装的老化会造成褪色和易损坏等。因此，老化测试是产品生产商和第三方检测机构中重要的测试项目。

准确做好老化测试涉及很多方面，在实际操作和理解过程中会遭遇各种各样的问题，必须透彻理解各类基础概念，熟练掌握各类光老化设备的操作技术，才能做好老化测试。本文针对耐光老化测试涉及的理论知识、测试方法及光源类型、测试标准和测试中质量控制的方法等方面进行了介绍。

1　光老化测试理论知识

老化是指材料对气候所产生的负面反应，会导致产品失效。通过研究产品的物理及化学稳定性可预防产品老化，并通过老化测试来评估材料的耐久性。

影响老化的主要因素为日光的辐射、温度和湿度，空气污染、生物现象和酸雨等二级因素，以及它们和自然现象共同作用于材料表面导致的老化。

2　光老化测试方法

光老化测试方法主要包括自然老化和实验室老化两种方法。

自然老化试验是将材料直接暴晒于日光和其他气候因素中，同时设定测试所需的角度和参数，及特定的经度纬度（通常选择美国南弗罗里达州或亚利桑那州）。自然老化也有多种测试方法，有黑板暴晒、黑箱暴晒和间接暴晒等，用于满足不同材料不同标准要求。主要测试标准见表1。

表1　自然老化主要测试标准

自然老化是预测产品使用寿命最可靠的测试方法，但自然老化测试周期过长和户外环境（如气候因素、季节因素和突变因素等）存在不确定性因素会影响测试结果的重复性。因此，目前检测机构主要通过实验室老化来模拟快速的自然老化。

3　实验室老化试验条件

为了更快地评估材料的耐久性，通常采用配有人工光源的测试设备来加速老化。实验室加速设备老化优于自然老化，是由于实验室老化测试可在持续接近或强于日光辐照度条件下进行，且不存在日夜和季节变化等二级因素的干扰。将测试样品置于指定条件下测试结果的重现性和重复性均较好。通过独立控制温度或湿度等因素，可以研究不同条件对材料性能的影响。

3.1光源种类

实验室老化常用的光源有氙弧灯、碳弧灯、紫外荧光灯和金属卤素灯，且每种光源的侧重点不同，达到的测试目的也不同。因此必须根据测试材料及测试要求选择不同的光源进行测试。

（1）氙灯光源

利用惰性气体氙在超高电压下原子被激发电离放电产生弧光来模拟自然条件下劣化的再现性试验，氙弧灯与太阳光放射照度有较好的一致性，更接近太阳光，其中紫外线占11%，可视光占89%，并且可以模拟黑夜及淋雨现象。

（2）碳弧光源

碳弧光源分阳光碳弧和紫外碳弧两种光源。阳光碳弧仪器燃烧发光产生强烈的紫外线，波长分布范围广，长波放射光带与太阳光比较接近，并且可以模拟黑夜和淋雨现象。紫外碳弧由炽热的碳电极燃烧产生弧光，放射光线主要以紫外线为主。研究表明，紫外线对芳香族高分子材料的破坏作用较强，主要以光泽变化为主，但对脂肪族高分子材料的促进性并不强烈。

（3）紫外荧光光源

紫外荧光灯可模拟关键的短波紫外线，并能完整真实地重现太阳光、雨水和露水造成的损害。损伤类型主要有褪色、光泽消失、粉化、龟裂、开裂、模糊、起泡、脆化、强度减小和氧化。在几日或几周之内，紫外测试仪能够重现户外数月或数年造成的损害。

（4）金属卤素光源

被称为全光谱的金属卤素灯可以模拟整个日光光谱，被广泛运用于整车光照试验和汽车空调试验等，但因其造价高、占用空间大的缺点，不经常使用于实验室。

3.2老化光源的选择

根据四种光源的不同特性，可以用氙灯光源及金属卤素灯来加速模拟常规日光辐射，用碳弧灯来加速模拟具有强烈紫外光的日光，用紫外荧光灯来模拟短波紫外线。因此，实验室老化测试时针对不同的材料和要求选择不同的光源。

通常测试材料分为室外材料和室内材料两种。室外材料比较注重模拟整个光谱（特别是紫外段的测试），需要可以模拟黑夜及淋雨现象；室内材料一般注重模拟透过玻璃后的整个光谱或红外吸收光谱，详见表2。

表2　测试材料的分类

根据表2中测试材料在日常用途的细分，可准确和合理地选择测试光源。如汽车材料有的直接暴露于阳光中，也有的封闭在玻璃窗后，还有的则是隐藏在发动机舱内，因此需要具有多种光源的测试条件。同样，油漆和建筑材料也具有多样性的特点，因而也需要多种光源。而书本和衣物一般不会在模拟淋雨的环境条件下测试。儿童玩具一般不会在模拟强烈紫外线的户外环境下条件测试。针对不同材料的光源选择详见表3。

表3　不同材料的光源选择

表4　滤光片的组合效果

表5　滤光片组合差异测试结果

表6　常用测试标准

3.3滤光片的选择

在光老化测试的过程中，不仅要根据材料选择测试设备，还要根据材料选择滤光片。滤光片的作用是将光源释放的光能量进行过滤，从而在相同光源不同滤光片条件下得到不同的测试结果。常见的几种滤光片组合类型及作用效果见表4。

由表4可知，有些滤光片是用来加强紫外波段的，有些滤光片是用来吸收红外波段的，还有些滤光片是用来模拟汽车玻璃窗，滤光片及其组合可出现不同的特定效果。根据样品的用途可以选择特定的滤光片，如户外材料可以选择加强紫外的滤光片，户内玻璃窗后的材料可以选择玻璃窗滤光片等。一旦选错滤光片，会对测试结果造成偏差影响。

为了证明上述情况，试验使用QLAB公司的XE-2氙灯试验机测试一只灰色皮革试样，将试样分成四等份，分别在紫外滤光片、日光滤光片、窗玻璃滤光片和吸收红外滤光片下分别进行20 h和200 h的长周期光照试验，并分段记录结果，结果见表5。

通过测试，发现如果滤光片使用不当，在长时间测试周期下得到的测试结果的差异性是很大的。因此，应避免滤光片使用不当。

4　常用测试标准

一个样品的测试需要同时考虑光源和滤光片的选择，可以参考各类检测标准进行测试选择。标准对各类检测参数、检测样品的材质和类型、检测能量或时间等方面均作了详细说明，详见表6。

以大众汽车标准PV1303（Non-Metallic Materials-Exposure Test of Passenger Compartment Compo-nents非金属材料——汽车内部空间里结构件光照实验）举例进行分析。

表7　仪器设备的类别和滤光片

（1）标准明确使用范围为汽车内部设备表面装饰用的织物工件、塑料件、弹性体工件、油漆、皮革、木质装潢件以及纺织品涂层或薄膜涂层等工件。

（2）标准规定了仪器设备的类别和滤光片，统一使用相同仪器和相同配件有助于多家实验室之间的对比试验结果（见表7）。

（3）标准规定了测试样品的裁剪尺寸，见表8。

表8　测试样品的裁剪尺寸

（4）标准规定了测试以SDC蓝色羊毛6级褪色达到灰色样卡三级为一个周期（色差值为4.3），或以280 KJ/m2为一周期（色差值为4.3）。此标准既用蓝色羊毛作为标准物质，又规定了色差值，可以大大减少测试误差。

（5）标准最后规定了测试后的数据评估，并以ISO 105 A02和色差仪做最后的变色评价。

通过对此标准的解读，可以大致了解整个测试过程和操作步骤，能够按照标准要求完成简单的耐光老化测试。

5　光老化测试中的质量控制

耐光老化测试中需要利用多种设备和标准物质对整个测试进行监控，从而达到控制质量的目的。

目前国际上通用的质量控制物为蓝色羊毛，主要有美国的AATCC蓝色羊毛、欧洲的SDC蓝色羊毛和日本的JIS蓝色羊毛。测试原理是将蓝色羊毛进行耐光测试，通过评判蓝色羊毛的变色等级来确定测试时间。如PV1303标准中要求样品的测试时间为蓝色羊毛6级变色达到灰卡3级。只需将蓝色羊毛与测试样品一起放入箱体测试，通过控制蓝色羊毛即可控制样品的测试时间。除了蓝色羊毛外，还有其他一些标准体系或者厂商规定的质量控制物质，如PS板、红色湿度控制布和校准灯管等。

此外，在一些标准中未规定使用标准物质，只在最后评判阶段使用灰色样卡和色差仪进行评判，目前，国际上通用的灰色样卡有AATCC灰色样卡和ISO灰色样卡两种。

不过，随着科学技术的发展，灰色样卡用人眼评判的不确定因素正在被色差仪逐步取代，避免了人为误差和肉眼差异。因此，很多新的标准和行业都要求使用色差仪作为耐光老化测试最后的变色评判。

6　光老化测试常见问题及解决方法

6.1测试结果

不同实验室对相同的样品进行测试也可能出现不同的测试结果。影响因素多为仪器、仪器型号、灯管新旧、或灯管污浊程度。另外，样品与灯管的摆放距离和摆放方式，如旋转式摆放或平板式摆放也会使测试结果产生很大差异。

因此，选用QLAB公司的XE-3氙灯试验机和CR20 340 nm标准辐照度计进行模拟样品与灯管距离的测试。分别将辐照度计安置在标准距离及接近若干等级距离，观察辐照度变化，并记录数据，发现样品离灯管距离接近20 cm时，辐照度几乎翻倍，详见表9。

表9　样品到灯管的距离与辐照度的关系

此外，使用的标准物质不同也会导致测试结果的不同，如蓝色羊毛品牌不同或生产地不同，即使相同品牌在不断改进工艺的情况下，不同批次的蓝色羊毛也会略有差异。

因此，各家实验室在无法统一所用设备和标准物质的前提下，建议各实验室在最终报告中详细标明所使用的仪器型号、灯管、标准物质品牌和批次等信息。

6.2人员的差异性

由于耐光老化试验最后需要对样品颜色进行评价，且由实验室工作人员用肉眼在标准光源下进行灰色样卡评判。由于每个人的感官意识不同，对颜色的敏感度也不相同，且色牢度最终结果只有9个等级，其精确度远远无法与化学仪器测试结果相匹配。为了避免出现上述问题，建议实验室经常对检测人员进行目光比对，并与其他实验室进行三方比对，尽量使目光评级统一。此外，在条件允许情况下尽量用色差仪代替人员目光评级，减少测试结果的差异。

7　结论

通过具体测试案例对耐光老化测试相关内容的详细介绍和对测试中常见问题的分析，认为在从事实验室检测工作时，不仅需要理论与实践相结合，还需要对长期操作实验经验及时进行总结。建议各家检测实验室经常通过不同的方式进行技术交流，多多沟通，尽可能统一耐光老化检测技术，使耐光老化测试结果更为精确。

WANG Zhongzhao
（Shanghai Textile Group Testing Standard Co.，Ltd.，Shanghai 200082，China）

The theory，testing methods and testing conditions of the light resistance aging test are introduced.The commonly used testing standards，quality control，common problems and solutions are analyzed in detail.

material，light resistance，aging testing

Research on the light resistance aging material

TS107

A

1001-7046（2016）04-0007-05

2016-07-25

王仲昭（1982-），男，工程师，主要从事车用纺织品面料的检测工作。