【技术人员都在看】评价塑料长期耐用性的加速测试方法大盘点！

主图：加速测试可以更快、更可靠地预测塑料的老化（图片来源：SHUTTERSTOCK）

对塑料的长期耐用性进行可靠评估是一项必不可少却并不简单的任务。一般来说，频繁的评估必须使用能够快速提供结果的测试工具来进行。幸运的是，多年来随着设备供应商和用户对环境条件（包括光、温度、水分和化学物质的综合影响）复杂的交互作用对塑料降解的影响有了更深入的了解，加速测试方法变得越来越成熟。

加速测试方法可以用来比较塑料降解的添加剂配方，并且在适当的情况下，可用于估计使用寿命。许多人在进行深入研究，试图找到方法，在测试与现实条件之间建立精确相关性。

虽然室外天气条件对塑料特别苛刻，但室内光照（例如汽车或建筑物内）也是一个大问题，因此光源是一个关键变量。荧光紫外灯和氙弧灯都广泛用于老化测试系统。虽然氙弧灯会产生完整的光谱，但可以添加滤光器来阻挡某些波长从而模拟特定的光照条件，例如通过窗户的光。

北美公司Eye Applied Optix是Iwasaki Electric的EYE Lighting International子公司的一个部门，它提供了一种替代灯技术，据说可以进一步加速塑料的老化测试。超级紫外线Super UV (SUV-W161) 试验箱使用Iwasaki的金属卤化物光源，据说可以实现比荧光紫外灯和氙气灯更高的紫外辐照度。

超级紫外线技术使用过滤器来防止远可见光和红外线的加热，并去除自然阳光中不存在的短波紫外线。Eye Applied Optix的主管Doug Vermillion说，试验结果显示使用氙灯的加速测试和室外测试数据有相关性。他补充说，与传统的氙气或荧光紫外线相比，使用该技术的试验箱可以减少筛选测试所需的时间。

在最近的一个项目中，一家建筑产品制造商想要测试一种户外使用的透明薄膜的长期抗紫外线能力。 制造商关心的是薄膜的机械性能以及它的颜色和光泽保持性。Vermillion说，该项目的第一步是在超级紫外线测试箱中评估一种已对其很了解的对象材料。

图：透明建筑薄膜的未老化样品（左）与同一薄膜在Eye Optix Super UV系统中暴露180小时后（中）和佛罗里达日照曝露24 个月后（右）的比较（图片来源：EYE OPTIX）

“我们确实有各种材料的基准测试方法，但测试对象材料配方和性能的差异可能需要多次迭代才能完全理解高辐照度与其他控制变量（如温度和时间）之间的相互作用，”Vermillion解释说， “从自然老化及其根本原因中充分了解您的产品失效模式非常重要。”

失效基准

虽然最初的基准实验正确地再现了失效模式（颜色变化），但研究人员进行了几次进一步的实验，以确定最佳的超级紫外线测试条件，以最好地匹配在静态户外老化中观察到的降解，包括表面开裂。众所周知，水暴露会导致开裂，因此在第二个实验中通过在凝露循环期间降低温度和增加的相对湿度来增加湿润时间，Vermillion说。

在室外曝晒时，颜色变化和表面开裂是同时发生的；在最后两次测试迭代中，研究人员目标是通过微调温度设置来同步失效模式。这是通过先在凝露循环期间调整温度以增加在暗阶段发生的反应速度，然后评估温度在样品的紫外辐照期间的影响来实现的。

“客户发现超级紫外线测试结果与氙气和户外老化有相关性，并证实高度加速老化测试可有效用于产品确认。需要做一些前期工作来验证与自然老化的相关性，但在使用任何类型的实验室老化设备时都如此，”Vermillion说。

紫外线消毒

塑料材料日益受到关注的是紫外线杀菌辐射 (UVGI) 的影响；在新冠疫情期间，这种高能 UV 短波光（通常为200-280nm）已越来越多地用作表面消毒方法。

带有UVC光的UVGI在有限的医疗应用中用于消毒已经多年，但在过去两年中，UVGI 已更广泛地用于一系列公共场所的常见接触表面。然而，UVC 光与自然阳光或通常由加速老化测试仪模拟出来的光有很大不同。太阳光的辐射有大于295nm的波长，主要在UVA范围（315-400nm），少量在UVB范围（280-315nm）。

Atlas Weathering Services总监Matt McGreer表示，虽然 UVA/UVB 光对塑料耐久性的影响已得到很好的表征，但UVC暴露的影响在很大程度上是未知的。他指出，有各种UVC消毒设备可供私人住宅和清洁服务商业机构使用，而且由于使用广泛，很难知道它们暴露于什么剂量的UVC材料。

McGreer说，有两种UVC 暴露测试方法，但都不是针对当前的使用条件而设计的。ASTM和ISO的小组目前正在考虑制定更合适的标准。尽管存在一些未知数，但塑料材料和零件的供应商需要开始评估 UVC 对其产品耐用性的影响。

Atlas UVCTest是一种新设备，设计用于测试材料暴露于UVC-254灯（辐射波长中值为254nm）的紫外线辐射的耐久性。这些设备旨在模拟许多灭菌设备使用的UVGI，McGreer说。Atlas科学家还开发了一个基于Excel的“UVC测试时间计算器”，可以计算设备模拟的辐射暴露量累积值。用户可以输入变量，例如每次应用的辐射暴露水平和预期应用的数量，以确定材料在测试设备中暴露的适当时间，然后可以测量暴露的样品来确定发生了多少降解。

数据采集

Atlas还在2021年7月发布了一个新的基于网络的数据采集系统。WXView II应用程序从连接到用户局域网的任何Atlas Ci4400仪器远程实时收集测试参数、控制系统和其他数据输出。“该应用程序允许用户从世界任何地方访问他们仪器中的信息，并且数据是安全和加密的，”McGreer说。

存档测试的数据文件可以被查看、下载并导入其他应用程序，以进行更详细的分析和报告生成。仪器的状态和有关警报、维护和仪器配置的信息也可以显示在触摸屏用户界面上，”他补充道。当前版本是基于公司网络，但未来版本可能基于云。

Q-Lab 2021年早些时候推出的QUV/uvc加速老化测试仪使用UVC放大器，光的波长集中在254nm。新的 QUV型号具有额外的挡光板和安全功能，可防止UVC光泄露。该公司还在其佛罗里达（美国）和萨尔布吕肯（德国）的合同测试实验室使用了新设备增加 UVC 测试能力。

Q-Lab公司的高级技术营销专员Bill Tobin在11月于北美举行的Compounding World博览会上的一次演讲中介绍了UVC测试。他指出，UVC-254nm灯在254nm处产生的辐照度远高于氙气和荧光紫外线，因此模拟 UVC 暴露的测试时间将比标准老化测试时间短得多。

对于使用新设备进行的初始测试，Q-Lab研究人员选择了6 mW/cm2的辐照度、35°C黑标（使用主动冷却使黑标保持接近室温），并连续运行200 小时。由于 UVC 光子的能量更高，因此预计UVC光照会导致更多的降解，测试也表明情况确实如此。例如，乙烯基地板材料仅经过24小时UVC 测试后就出现了变色。

图：在Q-Lab的QUV/uvc系统中暴露于UVC辐射24小时之前和之后的各种乙烯基地板样品示例

（图片来源：Q-Lab）

根据对正常UVGI暴露的估计，一年累积的每日UVGI清洁相当于约17小时的 QUV UVC 辐照度（6 mW/cm2）；100小时的测试时间将代表大约5.9年的每日UVGI暴露。一年的每周 UVGI 清洁将由2.4小时的加速测试模拟。需要做更多的测试来确定更高的辐照度测试是否可以提供与现实世界UVGI暴露引起的降解的良好相关性。

在压力下测试

德国SKZ正在研究一种用于加速塑料老化的高压釜试验 (HPAT)。塑料研究所的项目经理Wilma Hahn在2021年9月于德国埃森举行的AMI Compounding World博览会上发表演讲时表示，该测试旨在评估聚烯烃的长期使用，其中氧化是主要的降解机制。她建议，尽管在实际条件下，除氧化之外的其他机制可能也在起作用，但加速测试可用于估计使用寿命。

SKZ的实验室对塑料部件进行各种测试，包括耐用性测试，耐用性测试包括测量抗紫外线、抗化学品/浸出和抗氧化的方法。根据EN 1348:2005进行的HPAT测试在升高的温度和氧气压力下、在水性介质中进行。SKZ在不同的氧气压力和温度下进行测试，并延长老化时间直到材料降解。需要做HPAT测试的产品标准包括管道和土工合成材料。Hahn说，该实验室还测试了其他产品，例如屋顶板材。

迄今为止，SKZ实验室主要使用HPAT测试了PE产品。典型的测试条件包括60至95°C的温度和0.6至 51 bar的氧气，以碳酸氢钠 (pH 10) 作为介质。用较高的温度和施加氧气来加速降解。

如图所示，测试是在80°C和几个压力下进行的，“使用寿命”是在样品还有75%的断裂残余应力（意味着材料失去了 25% 的强度）时测量的。然后可以将使用寿命外推到现实世界大气压力的条件。还可以做额外的测试将结果外推到现实世界温度的条件。

图：SKZ对PE进行高压釜测试 (HPAT) ，并将结果外推至环境温度下的失效（资料来源：SKZ）

选择适当的老化条件并估计相应的失败次数需要高水平的经验，”Hahn 说。与其他老化测试类似，需要在测试速度和与实际条件的关联性之间做权衡取舍。“温度和压力越低，测试持续时间越长（成本越高），但测试更接近现实生活，”她补充道。

Hahn说，虽然该测试尚未在产业中广泛使用，但 SKZ 仍在继续对其进行评估并进行长期测试，以将其与其他老化测试之间建立关联性。例如，对于一种产品，实验室拥有HPAT数据及数年的不同温度下烘箱热老化的数据，这两种数据之间建立起了相关性。

“由于氧气压力增加，因此氧气更多了，老化得到加速并且能把温度降低，”Hahn说。“在正常使用温度下进行寿命估计大多可以在一年不到的时间内完成，通常估计得到的在40°C温度下的使用寿命是超过100年。建筑行业中的聚合物产品通常需要至少100年的使用寿命。与HPAT相比，使用传统的热氧化老化方法对这些先进产品进行寿命估计需要的测试时间要长得多。”

循环思维

荷兰合同研究组织TNO的高级科学家Arjen Boersma在德国 AMI Compounding World博览会上发表演讲时表示，评估聚合物的降解行为及其对材料使用寿命的影响在循环经济中至关重要。“在循环经济中，聚合物应该可以使用很长时间，同时应适合回收利用，并且在使用过程中降解时不会产生微塑料，”他说。

Boersma描述了如何使用分析技术监测加速老化测试，包括用红外光谱评估化学变化、用压痕硬度评估表面刚度以及用拉伸或弯曲模量评估体积刚度。差示扫描量热法 (DSC) 和热重分析 (TGA) 也可用于评估聚合物结构、结晶度和稳定性的变化。

作为一个例子，他描述了一种预测埋地电力电缆中聚合物封装的使用寿命的方法。电缆在盐水中暴露在高压和一系列高温下，并在不同时间评估材料性能。暴露于高达140°C高温的实验可用于预测环境温度下的行为；高于140°C，其他现象（例如解聚）会影响降解结果，外推法不可靠。Boersma说。

在另一项测试中，对PVC水管的缺口样品施加了高机械应力，以加速由于裂纹扩展而导致的失效。失效时及之前的应力与时间以图形的形式记录下来，可以用该图形推断管道多久会失效，在本实验中约为50年。

当开始耐久性项目时，目的是确定可靠的测量值来预测产品的完整性。Boersma说，一个需要研究的新问题是聚合物的老化和降解是否会影响环境中微塑料的含量。Boersma说，TNO目前正在研究微塑料的形成是否与任何特定机械参数的降低有关。

图：TNO 认为老化测试可用于帮助减少塑料在使用过程中脱落的微塑料(图片来源：SHUTTERSTOCK)

在一项将未添加稳定剂的PP暴露于加速户外老化的研究中，开裂形成的颗粒随着时间的推移尺寸减小到小于10微米。尽管该研究没有评估环境中的微塑料，但Boersma认为，当机械力（如风和侵蚀）将它们从表面去除时，破裂形成的微塑料可以进入环境。加速测试可以预测产品的使用寿命并在它发生严重降解之前将其移走。

本文编译自AMI《配混世界》杂志

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