木塑复合材料老化测试的方法及影响因素探讨

， 李朔南

(1.贵州民族大学材料科学与工程学院，贵州 贵阳 550025；2.黑龙江省木材科学研究所，黑龙江 哈尔滨 150081；3.中国林业集团有限公司，北京 100026)

作为一种新型的环保材料，木塑复合材料(WPC)被广泛应用于建筑、装饰、园林景观和包装运输等领域，如在花园地面、栏杆或景区栈桥、栈道等的户外景观建筑物施工中作为基材使用，既具有美观性又具有环保性。在户外使用的WPC制品，因长期受到阳光照射及风吹雨淋，会出现表面褪色、粉化、霉变、开裂、力学性能下降等问题，使用寿命大大降低[1]。尽管木塑行业近几年高速发展，但WPC的使用寿命仍是当前亟待解决的主要问题之一。通过对木塑复合材料老化性能的分析，不但可以评价耐候性的好坏，而且还可以通过采取适当的防老化措施延长材料的使用寿命。WPC老化性能测试方法及影响因素在其耐候性研究中起着至关重要的作用。

WPC 材料的老化测试主要采用传统的高分子材料老化测试方法，但由于WPC 复杂的组成和界面问题，使得老化实验的诸多参数不能完全按照传统高分子材料来设置。本文主要介绍木塑复合材料的自然大气老化和人工加速老化测试方法，并对测试过程中的影响因素进行探讨。

1 木塑复合材料的自然大气老化法

自然大气老化法是指根据相关标准把WPC直接暴露在日光和其他气候条件下，经过一定周期后，根据相应性能的变化来评定耐候性。该法最能够真实评价材料的耐候性好坏和材料整体的环境适应性，是评价木塑材料使用寿命最直接、最可靠的方法，其缺点是耗时长，少则需要1-2年时间，而且环境条件无法控制，不利于分离各种环境因素对WPC老化的影响。

木塑的老化除了内因外，外界的环境因素比如太阳辐射强度、温度、降水多少以及湿度等对耐老化性能的影响也至关重要。因此，即使对同一种材料，老化测试的地点不同(如城市不同、室内和室外)则温度不同、紫外线辐射不同、湿度及降雨量等也不同，这些因素都将导致老化的结果不同。自然老化试验应尽可能选择与使用条件接近的场地进行，必要时应在各种不同气候环境地区的场地进行。对少于1年的暴露试验，结果取决于暴露季节，而较长的暴露试验，结果取决于开始暴露的季节。此外，老化测试过程中试样的尺寸、放置方向、角度及测试性能的选择等都会影响老化测试的结果。

沈洋等[2]分别在昆明和西双版纳两个地区对木塑地板进行了自然老化试验，研究表明，放置于西双版纳的试样经历180天老化后，其弯曲强度的降低比昆明更大，表面褪色更明显，主要原因可能是西双版纳1-6月的气温明显高于昆明的同期气温。

王伟宏等[3]研究木塑复合材在不同朝向自然老化条件下颜色的变化，结果显示复合材在户外夏天暴晒1个月会发生明显颜色变化，南面和东面更加显著。

曹岩等[4]对木粉/HDPE复合材料在室内和户外自然老化12个月前后的材料颜色和力学性能进行了比较，结果显示，室内老化和户外老化对复合材料颜色的影响正好相反，前者使复合材料的颜色变暗，而后者使复合材料的颜色变亮，老化对力学性能中的拉伸性能影响较大，户外环境相比室内对复合材料的加速老化降解要更显著。

2 木塑复合材料的人工加速老化方法

人工加速老化法试验通过模拟自然环境条件，按照影响因素不同对聚合物老化规律进行研究，周期大大缩短，一般只需要几个月的时间。人工加速老化测试方法主要有热氧老化、光老化、湿热老化、人工气候老化、盐雾试验和抗菌试验等。利用人工加速老化法研究木塑复合材料的老化性能，需要根据材料使用环境的特点，选择适当的老化方法。本文仅介绍在木塑复合材料中应用比较普遍的热氧老化、光老化和湿热老化方法及其影响因素。

2.1 热氧老化

木塑复合材料在加工成型、储存、运输和使用过程中受到热与氧的作用，尤其物料的成型在熔融流动状态时会发生热氧老化，导致其性能降低。热空气老化试验是将试样置于给定条件的热老化试验箱中，使其经受高温和氧的作用加速老化，然后选择合适的性能进行表征，评定WPC的热氧老化性能[5]。

在热空气老化过程中，试验温度的选择及控制、风速、换气量和试样放置都会影响老化结果的准确程度。其中，试验温度要根据材料的使用要求和试验目的确定，为了加快老化的速度，可在不造成严重变形、不改变老化反应的前提下，尽可能提高试验温度，温度变动对热老化结果的影响最显著，试验箱内温度波动度应不大于1%。风速主要影响箱内的热交换率，提高风速可升高热交换率，加快老化速率，为了获得准确的老化结果应选择适当的风速并保证风速稳定。换气量主要影响箱内的温度分布和氧气含量，通常应根据试样的特性和数量，在保证排除有害气体、保持空气成分一致、热氧化反应正常进行的情况下，尽可能用小的换气量。试样放置不能过密，否则会影响空气流动、挥发物排除、温度分布等。

朱士强等[6]在100 ℃条件下对麦秸秆/橡胶/PE仿藤条加速热氧老化60天，观察分析了其力学性能和微观结构的变化规律。结果表明，老化过程中材料表面出现裂纹，0-15天为快速降解阶段，材料断裂伸长率降低较快，含有橡胶的仿藤条在15-60天的老化过程中保持较低的老化速率。

蔡培鑫等[7]采用烘箱热氧老化法和氙灯老化法，对比了不同类型颜料对木塑复合材料抗老化的效果。烘箱老化结果显示，添加钛白粉和氧化铁红会加快WPC的老化；氙灯老化结果表明，添加颜料可减缓WPC的老化速率。

2.2 光老化

阳光照射是导致木塑复合材料外观破坏及性能降低的主要原因之一，即使在室内，太阳光通过玻璃窗透射进来也会使材料性能发生变化。光老化测试是模拟可见光长期暴露作用的加速试验，测试采用的光强度比太阳光要强得多，从而可以通过短时间的测试了解材料长期使用后的老化情况，是目前最常用的一种人工加速老化试验方法。

阳光引起木塑材料破环的光波主要为波长比较短的紫外光及部分可见光，光老化测试中选择合适的光源是关键。根据老化设备采用的光源不同，主要有碳弧灯老化、紫外线老化和氙弧灯老化等方法。

碳弧灯的模拟效果不如氙灯，加速效果又不如紫外灯，碳弧灯老化的结果与材料实际耐候性之间的相关性较差。因此，目前老化设备更多是采用紫外灯和氙弧灯。

紫外线老化测试主要模拟太阳光中紫外光的破坏作用，其波长范围为300～400 nm，同时还可以通过冷凝或喷淋的方式模拟降雨的影响，该法的加速倍率高，通过选择合适型号的灯管可实现对特定材料的快速筛选，其缺点是存在非自然破坏、模拟性较差。

氙灯老化测试不仅考虑紫外光的影响，还考虑了可见光的影响，其波长范围为300～800 nm，在目前已知的人工光源中，其光谱能量分布与阳光中紫外线、可见光部分最相似，辐照度可独立控制，有光/暗循环、降雨、冷凝与湿度多种水分作用方式，样品温度、环境温度可独立控制，通过不同滤镜组合还可以达到不同的模拟效果，具有良好的重复性与重现性，已成为人工加速老化方式的主流。

目前，光老化常用设备主要为荧光紫外老化试验箱和氙灯老化试验箱，需要控制的影响因素主要有温度、湿度和辐照量。为了更好地模拟户外自然老化并保证结果的相关性，加速老化试验条件的选择要考虑材料实际应用时的环境因素，设置温度时主要参考实际使用环境中材料表面的最高温度，为了加快老化也可稍微提高一些。湿度以材料服役时当地年平均相对湿度为依据，模拟降雨或凝露周期的选择参考当地降雨数据。对户外用的WPC产品通常采用中等偏高的辐照量配以喷淋条件，而户内用的产品采用偏低的辐照量配以光暗循环。

刘波等[8]通过对配方中加入不同光响应添加剂WPC制品耐候性的研究，考察了制品氙灯加速老化、紫外线加速老化的性能差异，筛选出耐候性优异的PVC基WPC配方，从而改善户外PVC木塑制品的抗老化性能。

徐兵等[9]在壳层添加不同含量纳米白炭黑制备出核-壳结构木塑复合材料，将其放入紫外老化箱进行人工加速老化试验。结果显示，加入纳米白炭黑可降低光氧化降解程度，提高木塑复合材料的耐老化性能，适当提高添加量抗老化效果更佳。

2.3 湿热老化

木塑复合材料的主要成分木质纤维具有亲水性，且木质纤维与树脂基体之间相容性较差，容易在界面处产生裂隙。当木塑复合材料暴露于潮湿的环境中时，水分会从表面扩散到中心，导致性能变化。对于在潮湿环境中应用的WPC，需要评定其是否适合在潮湿的环境下长期使用。

湿热老化测试方法是将材料放在潮湿热空气环境中，根据老化前后性能表征的结果来评价材料耐湿热性能的好坏，常用的设备是湿热老化试验箱。试验条件的选择需要参考材料实际应用时的环境因素，稳定的温湿度控制是获得准确老化结果的重要保障，温度升高有利于水分进入内部，可加快材料老化的速率，为了缩短试验周期可适当提高温度，但一般不应超过70 ℃。

谢雪甜等[10]将PVC基木塑复合材料放入气候箱中进行湿热老化研究，经红外谱图分析可知，经过高低温交变循化老化，木塑复合材料受到水和热的作用产生热降解，其中纤维素比半纤维素和木质素降解的多，热加速水分蒸发使光稳定剂流失，导致木塑复合材料发生老化。

3 结束语

人工加速老化试验能够快速地得到老化结果，但影响木塑复合材料老化的因素较复杂，这些因素往往相互影响，为了确保加速老化测试的真实性，需要以自然老化的结果作为参考，建立自然老化和人工加速老化两者之间的联系，根据材料的使用条件，通过合理选择材料并采取适宜的防护措施，实现延长材料使用寿命的目的。