摘要：塑料广泛用于国计民生的各个领域，但其气候老化导致的产品失效带来巨大的经济损失。导致气候老化的主要因素是日光辐射、温度和水。在日光光谱中，长波紫外具有相对更强的老化能力。在新材料、新工艺的开发中，耐候性的验证是必不可少的。相比自然老化测试，试验室加速老化具有周期短、重复性及再现性好的优点，但仍需不断提高测试的相关性。

关键词：耐候性；日光辐射；相关性；加速老化

引言

塑料因其耐腐蚀好、生产效率高、能耗低等特点，广泛用于机械制造、电子电器、建筑等领域，已成为人民生活之中不可或缺的材料之一。然而，塑料制品因受到阳光照射、温湿度变化，风吹雨淋等气候环境的影响，会出现色差、发白、粉化、龟裂、发粘及强度下降等一系列老化的现象。例如，汽车仪表板在长期使用后，会产生变色、发粘等老化现象，严重影响外观和使用。全球范围内，每年会有数亿资金用于维护和更新老化失效的产品，其中很大一部分用于气候条件引起的老化失效。因此，了解材料的气候老化原理、精准设计老化测试，对材料开发及预防老化是至关重要的。

1 影响老化的主要因素

影响老化的因素主要是日光辐射、温度及水，除此之外，还包括一些其他因素，如臭氧浓度、腐蚀性气体、微生物等，所有这些因素共同作用，导致了材料的老化。

1.1 日光辐射

塑料所表现的特性是由其材料的分子结构决定的，化学键强度是影响塑料稳定性的最主要结构因素。在其他条件相同的情况下，分子结构中的化学键强度越牢固，材料越难降解。因此，只有材料吸收的日光辐射能大于分子键能时，材料才会发生降解。根据日光辐射能量公式：E=hc/λ

式中：

E—日光辐射能量；

h—普朗克常量；

λ—波长。

日光辐射能量与波长成反比，波长越短，辐射能量越高。到达地表的日光波长在 295~3 000 nm，主要分为 3 个范围：紫外线、可见光和红外线。根据 CIE 85-1989，海平面上各波长范围的辐照度如表 1 。

1.2 温度

由阿伦尼乌斯方程可知，任何化学反应的速度都会随温度升高而增加。因此，温度对塑料制品的老化，首先体现在加速光化学反应速度上。此外，温度升高，还可以导致一些在低温下不会发生的热化学反应。

日光暴晒下，通常材料温度会有不同程度的升高。在环境温度、辐照度等条件相同的情况下，材料温度的变化主要与颜色和导热性相关。材料表现出不同颜色，是由于其对光的选择性吸收的结果，对于不透明的材料，我们观察到的颜色是其反射的光色。例如，黑色物质，其对光的吸收率约 90 % 以上，反射光强度很低。因此，黑色物质在日光暴晒下温度变化更大，相反，白色物质的温度变化最小。在导热性方面，导热性越好的材料，在日光暴晒下温度升高越快。因此，为更准确的表征物体的表面温度，根据导热性及颜色差异，设计有不同的黑标温度计、黑板温度计、白标温度计、白板温度计。黑板温度计是由一块不锈钢平板构成，其向光源的一侧涂有一种特殊的黑色涂料，能吸收 90 % 的入射光。温度测度是通过位于平板背光面中心并与黑色暴光面牢固连接的并经涂黑的杆状双金属盘式传感器或者测量电阻传感器来进行的。黑标温度计则是将黑板温度计以合理的方式安装在一块导热性差的绝缘底座上。因此黑标温度计更适于测量导热性差的深色高分子试样的暴露温度，黑板温度计更适于测量导热性好的颜色浅的金属基材的试样表面。黑标及黑板温度通常用于表征材料能达到的最高表面温度。白标与白板温度计同理，用于表征材料最低的表面温度。

1.3 水

水对塑料的老化体现在物理和化学两个方面。物理变化方面，干燥材料吸水后会产生膨胀，干燥后产生收缩。这一过程会使材料内部出现机械应力，甚至会出现应力开裂。在化学变化上，首先，水分子在光照下会发生共价键断裂，产生成对的自由基，自由基的存在会加速光化学反应过程。

此外，塑料制品由于水的存在，在一定温度下会发生水解反应。温度较高和相对湿度较大时，在热的作用下使水渗透能力增强，能够渗透到材料体系内部并积累起来，从而发生水解反应，如 PC、PET 等。

2 老化测试

在新材料开发或改进中，为验证其使用寿命或防老化效果，就需要进行老化测试。常见的老化测试有自然老化和试验室加速老化。

2.1 自然老化

自然老化就是将材料试样直接暴晒在自然环境下。通常样品以一定的角度安装在暴晒架上，常见的暴晒角 度 有 5 °、45 °、90 °。 相 关 的 测 试 标 准 有 ISO877 Plastics - Methods of exposure to solar radiation；ISO2810 Paints and varnishes - Natural weathering of coatings -Exposure and assessment；ASTM G7 Standard Practice forAtmospheric Environmental Exposure Testing of NonmetallicMaterials 等。

自然老化试验方法简便，成本较低，但是其试验周期太长，影响产品设计的优化进度。而且，由于是天然环境，气候条件无法控制，为保证试验结果的再现性，试验场地的选择尤为重要。美国 1931 年在南佛罗里达建立天然气候场，是美国标准的湿热气候暴晒场 [3]。在亚利桑那中部建立的试验场，则是标准的干热暴晒场。我国的国家机动车产品质量监督检验中心吐鲁番暴晒试验场，也是典型的干热气候暴晒场。吐鲁番地区 5~8 月最高气温均在 40 ℃以上，极端最高气温 49.6 ℃，年平均降水量仅为 8 mm。而海南琼海的暴晒场，则是典型的湿热气候条件。年平均温度 27.4 ℃，年均降水量高达2 134 mm[4]。典型暴晒场环境数据见表 2。

2.2 试验室加速老化

为加快试验周期，更快的得到老化数据，试验室通常使用人造光源模拟日光辐射，匹配不同的温湿度及淋雨条件等，可以模拟各种自然气候。

2.2.1 光源的选择

常用的人造光源有氙弧灯、金属卤素灯及紫外荧光灯。紫外荧光灯在中波紫外和短波紫外范围内，能很好的模拟日光。而氙弧灯和金属卤素灯在全光谱均能很好的模拟日光。因此，使用氙灯和金属卤素灯作为光源的试验箱，能很好的模拟日光辐射，而使用荧光紫外灯的老化箱，其目的并不在于仿制日光，而只是模拟日光的老化效果。除此之外，市场上还有以碳弧灯作为光源的老化箱。但碳弧光谱与日光光谱并没有很好的相关性，使用碳弧灯测试是历史原因 [5]。

2.2.2 加速老化的相关性

相关性是指，试验室加速老化的结果与材料在实际使用环境中发生老化的结果的一致性程度。加速老化试验，只有具有相关性，才能真正反映材料的耐候性能，真实预测材料的使用寿命。不合理的加速试验，会降低测试的相关性，甚至失去意义。常见的降低相关性的错误测试见表 3。

2.2.3 试验室加速老化的发展趋势

如开篇提到的，材料老化的影响因素有日光辐射、温度、水和其他因素。材料的老化是这些因素共同作用的结果，但并不是简单的各种因素影响效果的叠加，还需要考虑其间的协同作用 [6]。因此，更全面的模拟材料的实际使用环境，能够得到具有更好相关性的结果。例如 ISO 20340 标准，试验以 7 天为 1 个周期，第 1 至

3 天根据 ISO 11507 进行具有明暗周期的紫外测试，第 4 至 6 天根据 ISO 9227 进行盐雾测试，第 7 天进行（-20±2）℃的低温测试。与传统的耐候性测试相比，综合了更多的老化影响因素，更符合材料的实际使用工况，因此更能反映材料的实际老化情况。我们知道，霉菌、臭氧浓度等，都对塑料制品的老化有重要影响，如何在测试中综合更多的老化因素，将是试验室加速老化的发展方向之一.

3 结束语

塑料容易受气候的影响产生老化，材料老化带来巨大的经济损失。因此需要根据材料的老化机理，有针对性的从材料设计等角度实施预防措施，如在成分中增加抗老化剂、产品表面增加防老化涂层等。为验证新产品、新工艺的耐老化性能，就需要进行老化测试。试验室加

速老化能更快的得到老化数据，但只有具有较好的相关性，测试才能反映真正的老化过程。在老化测试中，更好的模拟实际气候环境，在保证加速性的前提下提高测试的相关性，将是老化测试的发展方向。