概括
UVA-340 灯可以很好地模拟波长低于 360nm 的阳光。 由于 UVA-340 灯可以模拟破坏大多数聚合物的光谱区域内的阳光，因此至少在理论上可以预期达到与室外暴露相同的结果。 合理相关的结果。
因此，不同聚合物材料的样品在佛罗里达州、亚利桑那州和俄亥俄州户外暴露了2年。 将相同的样品在实验室加速老化试验室中使用两种辐照度和两种湿度循环进行测试，然后对人工加速老化和自然暴露样品进行比较。 除了霉菌的发生之外，材料在实验室中还随着湿度循环而加速。 与户外老化的降解模式类似，在测试的15种材料中，有9种材料在人工老化试验箱中由于辐照度增加而加速了降解速度。 此外，研究还证实，加速因子与材料本身的特性密切相关。
关键词
UVA-340、紫外线老化、加速老化、人工老化、ASTM G53、ASTM G7、耐候测试
介绍
实验室加速老化和自然老化测试结果之间的相关性长期以来一直是争论和争议的话题。 通常，行业用户希望更快地获得加速老化测试结果，但也希望实验室模拟与真实户外暴露结果之间具有良好的相关性。 不幸的是，这两个目标似乎是截然相反的。 这是因为加速老化结果的三种主要方法（即比正常暴露更高的温度、比自然光更短的光谱波长以及比正常辐照度更高）都降低了这种相关性，因此争论一直悬而未决。
不过，业内似乎有一定程度的共识，如果人工加速老化设备使用的光源能够真实模拟太阳光谱能量在测试材料敏感光谱区的分布，人工老化通常会给出结果更接近室外暴露。 滤光氙灯可以很好地模拟太阳光谱的大部分波段，特别是可见光和较长波长的紫外光。 UVA-340荧光紫外灯可以很好地模拟光谱中的短波紫外光（
如图 1 所示，UVA-340 灯可以很好地模拟波长低于 360nm 的太阳光。 由于UVA-340灯可以模拟对大多数聚合物造成损害的光谱区域内的太阳光，因此至少在理论上可以预期能够获得与室外暴露的结果合理相关的结果。 我们开发了老化暴露程序来测试这一理论，从而可以比较室外老化和使用 UVA-340 灯的人工实验室老化之间的测试结果。
测试
十五种不同的塑料和涂料在三个不同的地点进行了户外老化，并在荧光紫外线和冷凝装置中加速了实验室老化。 使用三种不同的加速老化循环来测量和记录户外自然老化和人工加速老化所发生的光泽和颜色变化。
户外老化
众所周知，导致产品降解（通常称为“老化”）的因素在世界各地差异很大。 为了表征本研究中的“户外老化”，选择了三个不同的户外地点：亚热带气候、沙漠气候和北方工业气候。
佛罗里达州迈阿密因其太阳辐射强度高、年紫外线辐射强度高、常年气温高、年降雨量多、湿度大等特点，被选为亚热带气候老化试验场。 由于佛罗里达州的这些气候条件通常被视为类似于“最坏情况条件”，因此该州经常被用作户外老化测试的基准地点。
亚利桑那州菲尼克斯被选为沙漠气候老化试验场，因为其年紫外线辐射强度高、全年气温高，被认为是基准点。
俄亥俄州克利夫兰市之所以被选为北部工业区的老化试验地，是因为它位于美国北部工业区，具有典型的混合工业生产制造环境。 所有户外老化均按照 ASTM G7 - 非金属材料环境暴露测试标准规范进行。 将测试样本安装在 1.6 毫米（0.25 英寸）的暴露台上，样本与水平面成 45° 角且朝南。 选择45°角和南向是因为这通常被认为是典型的暴露角度，并且是许多行业选择的测试角度。 对于那些在实际使用中没有特定倾斜角度的材料，45°角是最常用的。
实验材料
测试的材料与之前研究中使用的材料相同，用于量化高辐照度对各种常用塑料和涂料降解率的影响。 这些材料中的大多数都是市售产品，它们可能代表也可能不代表每种材料的共同类型。
加速老化
所有实验室人工曝光均在 QUV/se 紫外线老化测试室设备中进行，该设备通过闭环反馈回路调节和控制紫外线强度。 符合标准 ASTM G53 - 用于非金属材料暴露的光和水测试设备（荧光紫外线冷凝型）的标准操作规范的要求。 使用光谱峰值为 343nm、截止点为 295nm 的 UVA-340 灯。 选择单一暴露温度 (50°C) 以避免任何可能的温度影响干扰。 实验室老化暴露条件如下：
周期1：UVA-340灯在340nm处的辐照度为0.83W/m2。 4小时的紫外线照射和4小时的冷凝交替进行。 紫外线照射和冷凝循环的温度均为50℃。
本周期设定的紫外辐照度与没有辐照度控制的测试设备相同，与夏季正午太阳光340nm的辐照度大致相同。
周期2：UVA-340灯在340nm处的辐照度为1.35W/m2。 4小时的紫外线照射和4小时的冷凝交替进行。 紫外线照射和冷凝循环的温度均为50℃。 与周期1相同，只是增加辐照度以确定是否可以在不影响相关性的情况下加速测试。
周期3：UVA-340灯在340nm处的辐照度为1.35W/m2。 仅紫外线照射（100% 紫外线照射，无湿气，无暗循环），照射温度为 50°C。
降解评估：根据标准ASTM D2244和标准D0523测量样品颜色和光泽。 这两个标准是使用仪器色坐标法和镜面光泽度测试方法计算色容差和色差的标准规范。 在暴露 12 个月和 24 个月时对户外暴露样本进行评估。 根据测试材料和降解变化率，暴露在G53设备中的样品以不同的时间间隔进行测试。
曝光数据
PVC 薄膜：这种材料是一种透明、不稳定的薄膜，用压敏粘合剂粘附在白色涂漆的铝板上。
PVC 薄膜的自然老化结果（图 2）：这种材料在俄亥俄州和佛罗里达州暴露 2 年后几乎没有变化。 在亚利桑那州，这种材料一年后会变成浅黄色，两年后会变成棕色。 在亚利桑那州，第一年变黄速度较慢，第二年变黄速度较快。
人工加速老化结果（图3）：无论辐照度水平如何，在QUV加速老化试验箱中4小时紫外光/4小时冷凝循环下老化2000小时后，材料变化很小。 在G53装置中，在辐照度为1.35W/m2的连续紫外线照射下进行老化时，材料在1000h后开始变黄，在2000h后变成棕色。
比较：QUV 紫外线老化测试仪仅循环紫外线，与亚利桑那州的暴露条件非常匹配。 测试过程中，很长一段时间没有观察到任何变化，但随后材料迅速变黄。 显然，这种材料需要一定量的紫外线才能引发泛黄过程。 一旦达到紫外线能量，泛黄过程就会迅速发生。 该点出现的时间约为加速老化后1200h。 当在亚利桑那州暴露在阳光下时，这一点会在老化后大约一年发生。 在佛罗里达州和俄亥俄州暴露于阳光下以及经受 4 小时紫外线/4 小时冷凝循环时，没有发生黄变。 这可能是由于材料没有暴露在触发泛黄过程所需的足够量的紫外线辐射下。
蓝色乙烯基聚合物薄膜：这种材料是一种不透明的蓝色光泽薄膜，用压敏粘合剂粘附在铝板上。
自然老化结果（图4）：在三个不同地点的户外暴露2年后，该材料的光泽几乎变得暗淡。 尽管三个地点的光泽损失相同，但样品的外观存在差异。 俄亥俄州样品变黑，亚利桑那州样品变黄，佛罗里达州样品除了光泽度下降外没有其他变化。
人工加速老化结果（图5）：在QUV紫外老化测试室中每个老化周期暴露2000小时后，该材料的光泽度从75下降到55。 仅接受紫外光循环的样品变得略带黄色。
比较：在QUV紫外老化试验箱中暴露2000小时后，出现与户外老化6个月后相同的光泽损失。 这是该研究中测试的 15 种材料中加速度最慢的。 在亚利桑那州观察到的泛黄现象也在实验室测试中发生（当仅循环紫外线时），但同样是在相对较慢的加速下发生。
聚苯乙烯平板：该材料为透明塑料板，厚度为2.8mm。 通常用作监测加速老化试验机中紫外线辐射暴露的参考材料。
自然老化结果（图 6）：在所有 3 次户外暴露中，材料均发生快速且严重的泛黄。 所有三个地点的泛黄速度和程度几乎相同。
人工加速老化结果（图7）：在实验室人工老化的每个周期中，材料都表现出快速且严重的黄变。 仅高辐照度紫外光循环老化后，黄变速度最快，其次是4小时高辐照度紫外光/4小时冷凝循环老化，然后是4小时普通紫外光/4小时冷凝循环老化。 仅高辐照度紫外线光循环也会产生最严重的黄变。
比较：包含冷凝序列的循环与所有三个户外暴露风化结果均匹配良好。 老化2000h后的黄变程度与户外老化2年的结果大致相同。 仅使用紫外线骑行会比户外曝晒产生更严重的泛黄现象。
绿色乙烯基聚合物薄膜：这种材料是一种不透明的绿色薄膜，用压敏粘合剂粘附在铝板上。
自然老化结果（图8）：该材料在三个室外老化地点暴露2年后变成绿松石色。 这种颜色变化是向蓝色的变化，或者 b* 的负增量。 老化1年后很少出现，但老化2年后变得非常明显。 因此，变化主要发生在第一年和第二年之间。 除了亚利桑那州和俄亥俄州的样本因某种未知原因变暗之外，所有三个地点随着老化而发生的变化几乎相同。 薄膜的边缘也卷曲并脱离铝板。
人工加速老化结果（图9）：经过2000小时的冷凝循环老化后，材料变成轻微蓝色。 然而，这种现象在仅使用紫外线的循环中并未发生。
比较：经过2000小时的循环老化（包括冷凝过程）后，发生了与室外老化1年后相同的颜色变化。 在所研究的 15 种材料中，加速老化速率排名倒数第二。 但该材料在UV加速设备中并没有出现类似于户外老化的薄膜边缘脱离铝板的现象。 推测样品的边缘可能被样品架覆盖。 为了模拟这种现象，薄膜的边缘应暴露在样品架的曝光区域。
环氧树脂：这种材料是一种有光泽的灰色卷材涂层底漆，涂在钢基材上。
自然老化结果（图 10）：所有三种类型的户外暴露老化均表现出光泽丧失和非常快速的粉化。 老化1年后检测到消光。 三个测试地点的样品也显示出生锈的迹象。 佛罗里达州的样品被锈迹覆盖，而亚利桑那州和俄亥俄州的样品则部分生锈。
人工加速老化结果（图11）：材料的光泽度在所有三个加速老化循环中都迅速下降。 与正常的辐照循环老化相比，高辐照循环将完全失去光泽的时间缩短了一半。 包含冷凝的循环会导致粉化，但仅使用紫外线的循环则不会。
比较：包含冷凝序列的循环。 样品的光泽损失和粉化情况与户外暴露结果一致。 但实验室老化不会产生户外老化所出现的生锈现象。 UV加速老化设备使用纯冷凝水，因此可能需要更多腐蚀性液体进行耐腐蚀性测试。 这可以通过采用循环腐蚀/老化程序来实现。
聚氨酯涂层：这种材料是一种有光泽的灰色卷材涂层底漆，涂在钢基材上。
自然老化结果（图 12）：该材料在所有三个地点的户外老化时都表现出光泽度损失。 佛罗里达州和亚利桑那州的样品光泽度损失最快。 经过2年的暴露，测试面板的三个老化部位的光泽度完全消失。 所有三个老化地点的样品均显示出一定程度的粉碎。 此外，佛罗里达州测试面板20%的表面出现锈迹，而俄亥俄州样品则显示出多个锈斑，亚利桑那州样品则没有出现锈迹。
人工加速老化结果（图 13）：包括缩合程序在内的循环均显示出光泽损失和非常快速的粉化。 仅经过紫外线照射循环的样品也会出现光泽损失，但速度要慢得多，并且没有粉化。
比较：冷凝程序的循环光泽损失和粉化与户外暴露结果非常吻合。 然而，在紫外线加速老化设备中的样品并没有出现佛罗里达州样品中所见的生锈现象。
汽车涂料：该材料是一种成分未知的汽车外饰面漆。 它是蓝色的，高光泽的，喷涂在铝板上。
自然老化结果（图14）：该材料在三个户外老化暴露地点没有表现出外观变化，并且光泽损失最小。
人工加速老化结果（图15）：该材料在三个实验室加速老化循环中没有表现出外观变化。 光泽度检查显示光泽度轻微损失几个百分点。
对比：由于实验室老化和室外老化没有明显变化，无法进行有效对比。
聚酯涂层：这是喷涂铝上的中等光泽、棕褐色卷材涂层。
自然老化结果（图 16）：该材料在所有 3 次户外暴露中均表现出光泽损失。 亚利桑那州的样品光泽度损失最快，其次是佛罗里达州，然后是俄亥俄州。 亚利桑那州和佛罗里达州的样品在暴露两年后显示出光泽度显着下降，而俄亥俄州的样品仅出现轻微下降。
人工加速老化结果（图 17）：该材料在所有三个实验室加速老化循环中均表现出光泽损失。 所有三个周期的光泽损失都很显着，但最快、最严重的损失发生在高辐照度 UV 4 小时/冷凝 4 小时循环中。
比较：紫外线加速老化与佛罗里达州和亚利桑那州的暴露结果非常吻合。 老化2000小时的样品的外观与在佛罗里达州和亚利桑那州老化2年的样品的外观相似。 实验室风化结果也与俄亥俄州的暴露结果相匹配，但人工老化速度更快，因为俄亥俄州样品失去光泽的速度更慢。
亚克力塑料片：这是市售的透明片材，厚度为3.2mm。
自然老化结果（图 18）：材料在所有 3 次户外暴露中均未显示出外观变化。 Delta b* 测试显示材料有极少量的黄变。
人工加速老化结果（图19）：该材料在三个加速老化循环中没有表现出外观变化。 Delta b* 测试显示材料有极少量的黄变。
对比：实验室加速老化结果与户外暴露一致。 UVA-340 灯不会产生与自然照射不一致的泛黄现象。
聚碳酸酯板：这是市售的透明板，厚度为3.2mm。
自然老化结果（图 20）：该材料在所有户外暴露下都会出现泛黄现象。 佛罗里达州和亚利桑那州样品的泛黄速度快于俄亥俄州样品，但暴露2年后，俄亥俄州样品的泛黄程度赶上了佛罗里达州和亚利桑那州样品。
人工加速老化结果（图 21）：该材料在所有实验室的加速老化过程中均显示出泛黄现象。 然而，三个测试周期之间的黄变率存在显着差异。 仅使用高辐照度紫外光的循环的泛黄速度最快，其次是4小时高辐照度紫外光/4小时冷凝循环，然后是4小时正常辐照度紫外光/4小时冷凝循环。 仅高辐照度紫外线的循环也会产生最严重的泛黄。
比较：涉及冷凝循环的加速实验室测试显示与所有三种户外暴露都具有良好的一致性。 实验室老化2000小时后的黄变程度与户外暴露2年的结果大致相同。 仅使用紫外线骑行会比户外曝晒产生更严重的泛黄现象。
聚乙烯片材：这是市售的超高分子量白色片材，厚度为3.2mm。
自然老化结果（图22）：这种材料在三个室外暴露地点没有表现出外观变化，Delta b*测试表明这种材料表现出极少量的黄变。
人工加速老化结果（图23）：该材料在三个实验室加速老化循环中没有表现出外观变化。 Delta b* 测试显示材料颜色向蓝色变化非常小。
比较：实验室加速老化和户外暴露结果吻合良好。 虽然颜色检测仪器的结果存在一些偏差，但对于人眼来说，实验室加速老化的结果与户外暴露的结果没有区别。
ABS片材：这是一种市售的白色不透明丙烯腈-丁二烯-苯乙烯片材，厚度为3.2mm。
自然老化结果（图 24）：该材料在所有户外暴露下都会出现泛黄现象。 亚利桑那州的样品变黄的速度比佛罗里达州和俄亥俄州的样品稍快。 而且，亚利桑那样品在暴露2年后泛黄程度更大。
人工加速老化结果（图 25）：该材料在所有实验室加速老化循环中都显示出泛黄现象。 仅在紫外线照射下循环的材料产生最快且最严重的黄变。
比较：涉及冷凝循环的加速实验室老化测试显示与三次户外暴露的结果非常吻合。 在实验室加速老化2000小时后的黄变程度与户外暴露2年的结果大致相同。 仅使用紫外线骑行会比户外曝晒产生更严重的泛黄现象。
CAB片材：这种醋酸丁酸纤维素是市售的透明片材，厚度为3.2mm。
自然老化结果（图 26）：该材料在所有户外暴露下均表现出明显的泛黄现象。 佛罗里达州和亚利桑那州的样品比俄亥俄州的样品变黄得更快。 然而，暴露2年后，俄亥俄州样品的泛黄程度与佛罗里达州和亚利桑那州样品大致相同。
人工加速老化结果（图 27）：该材料在每个 UVA-340 暴露周期中都显示出明显的泛黄现象。 然而，仅使用紫外线的循环变黄速度要快得多，并且产生最严重的变黄现象。
对比：UVA-340暴晒测试的结果与3次户外暴晒的结果非常一致。 所有暴露之间的泛黄程度没有显着差异。
聚丙烯片材：该材料为市售白色片材，厚度为4.7mm。
自然老化结果（图28）：该材料在阳光下曝晒一年，出现明显黄变。 亚利桑那州样本的黄色是佛罗里达州和俄亥俄州样本的两倍。 但经过两年的暴露后，该板看起来有些不同。 俄亥俄州样品继续变黄，佛罗里达州样品发霉并变得非常暗，亚利桑那州样品在暴露 2 年后的黄化程度比暴露 1 年后要少得多。 在所有三个暴露地点，材料都降解到表面很容易被手指划伤的程度，其中亚利桑那州的样品显示出最严重的降解。
人工加速老化结果（图29）：所有三种材料在实验室加速老化中都开始变黄。 仅接受紫外线照射的回收材料在整个 2000 小时的加速老化过程中持续变黄。 在2个循环的缩合过程中，经过约700h的加速老化后，材料开始变成浅黄色，并且这种情况将在2000h加速老化的剩余时间内持续下去。 这些材料也退化到表面很容易被手指划伤的程度。 这发生在所有三个周期中，但尤其是在高强度辐照周期中。
比较：涉及冷凝循环的加速老化与户外暴露结果非常吻合，除了佛罗里达样品中存在霉菌之外。 紫外线加速老化设备中的材料外观与所有户外暴露样品相同。 包含冷凝循环的加速老化样品也会变黄，然后逆转趋势，变成浅黄色，如亚利桑那州的情况。
尼龙片材：该材料为市售6/6型未染色片材（浅棕色），厚度为4.7mm。
自然老化结果（图 30）：该材料最初呈浅棕色，在亚利桑那州和俄亥俄州暴露后变得更浅或更黄。 佛罗里达样品起初变黄，但随后开始发霉并变黑。 经过两年的暴露，所有三个地点的材料也都退化到表面很容易被手指划伤的程度。
人工加速老化结果（图31）：经过2个冷凝循环的加速老化后，材料变得更亮（黄色变浅）。 该材料会降解到表面很容易被手指划伤的程度。 相比之下，仅使用紫外光循环加速老化，材料变得更黄，并且表面不会变得容易因手指划伤而退化。
比较：涉及冷凝循环的加速老化与户外暴露结果非常吻合，除了佛罗里达样品中存在霉菌之外。 在实验室中加速老化的样品颜色变得更浅，材料的表面降解程度与暴露在室外的产品相同。 然而，仅紫外光循环的加速老化结果与任何户外暴露的结果并不一致。 这表明湿度是影响该材料的关键参数，在人为加速老化以模拟自然老化时必须考虑在内。
综上所述
比较：QUV 是一种使用 UVA-340 灯的紫外线加速老化设备，对所有 15 种材料产生的降解结果与户外暴露一致。 唯一的区别是实验室中的加速老化无法重现户外暴露时发生的霉菌和生锈。
然而，为了实现两次老化测试之间的一致性，暴露循环必须包括冷凝序列。 如果不包括冷凝循环，这 15 种材料中有 5 种加速了实验室降解模式，与室外降解模式不同。 此外，其他三种材料表现出非常严重的降解。 因此，在没有冷凝循环的情况下，这 15 种材料中只有 7 种的老化结果与户外暴露良好一致。 当测试周期包括冷凝程序时，所有 15 种材料的实验室加速老化结果与户外暴露结果非常吻合。 UVA-340 灯不会产生与荧光 UV-B 灯暴露在阳光下时发生的自然老化不一致的任何黄变。
加速：本研究证实加速因素与材料本身密切相关。 作为一种非常粗略的计算方法，在实验室中1000小时的加速老化降解程度大约相当于户外暴露一年所造成的降解程度（9:1加速老化）。 但范围可以是从 2:1 到 35:1。 很明显，没有独特的加速因子适用于该数据。
高辐照度可以加速某些材料的测试结果。 对于 15 种测试材料中的 9 种来说，高辐照度暴露比“正常”辐照度暴露产生更快的测试结果。 在任何情况下，高辐照度都不会影响实验室和室外老化之间的相关性。 毫无疑问，并非所有材料都如此，但本研究中的 15 种材料却如此。 事实证明，单独使用紫外线循环并不是一种加速衰老的不良方法。 虽然UV照射量实际上是湿度老化循环测试的2倍。 15 种材料中只有 5 种在仅紫外线循环中产生更快的降解结果。 奇怪的是：15 种材料中有 3 种的降解速度较慢。 因此，对于几乎所有材料的紫外线加速老化，推荐冷凝循环似乎是合理的。