高分子材料的老化類型、老化測試與抗老化方法

高分子材料自身技術含量高、附加值高，一直是發達國家和跨國公司十分重視的發展領域，具有廣闊的市場空間。因此，也對其質量性能、可靠性水平、保障能力等提出了更高要求。如何本著節能、低碳和生態發展的原則，發揮高分子材料制品的功能，就越來越受到人們的關注。而老化正是影響高分子材料可靠性和耐久性的重要因素。

高分子材料的老化現象

老化由物理老化和化學老化兩種類型。高分子材料在加工、貯存和使用過程中，由于受到各種外界環境因素的影響，其性能逐漸由好變壞，以致最后喪失使用價值，這種現象就屬于高分子材料的老化。不僅造成資源浪費，甚至會因其功能失效釀成更大的事故，而且其老化引起的材料分解也可能會對環境產生污染。

由于聚合物品種不同，使用條件各異，因而有不同的老化現象和特征。歸納起來高分子材料的老化可有以下幾種情況：

1. 外觀的變化

出現污漬、斑點、銀紋、裂縫、噴霜、粉化、發粘、翹曲、魚眼、起皺、收縮、焦燒、光學畸變以及光學顏色的變化。

2. 物理性能的變化

包括溶解性、溶脹性、流變性能以及耐寒、耐熱、透水、透氣等性能的變化。

3. 力學性能的變化

拉伸強度、彎曲強度、剪切強度、沖擊強度、相對伸長率、應力松馳等性能的變化。

4. 電性能的變化

如表面電阻、體積電阻、介電常數、電擊穿強度等的變化。

影響高分子材料老化的因素

1. 宏觀影響因素

因為高分子聚合物在加工、使用過程中，會受到氧、臭氧、熱、水、光、微生物、化學介質等環境因素的綜合作用, 其化學組成和結構會發生一系列變化，物理性能也會相應變壞，如變色和褪色、聚合物發黃、變糊、開裂、龜裂、剝離和分層、翹曲、脆化、拉伸強度損失、粉化、起泡、失光等，這些變化和現象就稱為老化。

2. 微觀影響因素

高分子聚合物在熱或光的作用下會形成激發態的分子，當能量足夠高，分子鏈就會斷裂形成自由基，自由基可以在聚合物內部形成鏈式反應，繼續引發降解，也可能引起交聯。

如果環境中存在氧氣或臭氧，還會誘發一系列氧化反應，形成氫過氧化物，并進一步分解成為羰基。

如果聚合物中存在殘余的催化劑金屬離子，或在加工、使用中帶入金屬離子如銅、鐵、錳、鈷等，會加速聚合物的氧化降解反應。

高分子材料老化試驗

在新材料開發或改進中，為驗證其使用壽命或防老化效果，就需要進行老化測試。常見的老化測試有自然老化和試驗室加速老化。

1. 自然老化

自然老化就是將材料試樣直接暴曬在自然環境下。通常樣品以一定的角度安裝在暴曬架上，常見的暴曬角度有5 °、45 °、90 °。自然老化試驗方法簡便，成本較低，但是其試驗周期太長，影響產品設計的優化進度。而且，由于是天然環境，氣候條件無法控制，為保證試驗結果的再現性，試驗場地的選擇尤為重要。

美國1931年在南佛羅里達建立天然氣候場，是美國標準的濕熱氣候暴曬場。在亞利桑那中部建立的試驗場，則是標準的干熱暴曬場。我國的國家機動車產品質量監督檢驗中心吐魯番暴曬試驗場，也是典型的干熱氣候暴曬場。而海南瓊海的暴曬場，則是典型的濕熱氣候條件。

2. 試驗室加速老化

為加快試驗周期，更快的得到老化數據，試驗室通常使用人造光源模擬日光輻射，匹配不同的溫濕度及淋雨條件等，可以模擬各種自然氣候。

1）光源的選擇

常用的人造光源有氙弧燈、金屬鹵素燈及紫外熒光燈。紫外熒光燈在中波紫外和短波紫外范圍內，能很好的模擬日光。而氙弧燈和金屬鹵素燈在全光譜均能很好的模擬日光。因此，使用氙燈和金屬鹵素燈作為光源的試驗箱，能很好的模擬日光輻射，而使用熒光紫外燈的老化箱，其目的并不在于仿制日光，而只是模擬日光的老化效果。除此之外，市場上還有以碳弧燈作為光源的老化箱。但碳弧光譜與日光光譜并沒有很好的相關性，使用碳弧燈測試是歷史原因。

2）加速老化的相關性

相關性是指試驗室加速老化的結果與材料在實際使用環境中發生老化的結果的一致性程度。加速老化試驗，只有具有相關性，才能真正反映材料的耐候性能，真實預測材料的使用壽命。不合理的加速試驗，會降低測試的相關性，甚至失去意義。

常見的降低相關性的錯誤測試：

連續曝曬：某些材料的化學反應需要間歇期，自然環境中也有暗周期。

使用超出日光光譜范圍的短波光源：短波輻射的高能量產生非自然光學變化。

高輻照度曝曬：高輻照度水平下的光化學反應在正常環境下不會發生。

異常高溫或無溫度循環：不真實的溫度會導致非自然的降解。

3）試驗室加速老化的發展趨勢

材料老化的影響因素有日光輻射、溫度、水和其他因素。材料的老化是這些因素共同作用的結果，但并不是簡單的各種因素影響效果的疊加，還需要考慮其間的協同作用。因此，更全面的模擬材料的實際使用環境，能夠得到具有更好相關性的結果。例如ISO 20340標準，試驗以7天為1個周期，第1至3天根據ISO 11507進行具有明暗周期的紫外測試，第4至6天根據ISO 9227進行鹽霧測試，第7天進行（-20±2）℃的低溫測試。與傳統的耐候性測試相比，綜合了更多的老化影響因素，更符合材料的實際使用工況，因此更能反映材料的實際老化情況。我們知道，霉菌、臭氧濃度等，都對塑料制品的老化有重要影響，如何在測試中綜合更多的老化因素，將是試驗室加速老化的發展方向之一。