技术研究 | ABS实验室加速老化与自然暴露相关性研究

塑料制品在户外大气环境中使用时，由于受到诸多环境因素如太阳辐射、氧气、臭氧、温湿度及微生物等的作用，往往会出现变色、粉化、裂纹及霉变等老化现象，影响其使用寿命。因此，对塑料制品进行耐候性评估尤为重要。常用的耐候性评估方法主要有自然暴露及实验室加速老化（氙灯暴露、碳弧灯暴露、荧光紫外灯暴露及金属卤素灯暴露等）。自然暴露能最为真实的反映塑料制品的耐候性，但自然暴露周期往往为数月甚至数年，会大大影响产品的开发周期；实验室加速老化能快速反映某种工况下材料耐候性的优劣，但由于其工况与材料实际使用环境存在差异，材料在实际使用中是否会出现与加速老化一致或相近的老化现象，有着较大的不确定性。

ABS作为一种通用塑料，在家电、卫浴及园林等行业有着广泛的应用，其颜色的变化严重影响用户体验。本文选择10种不同牌号的ABS原材料，以色差作为评价指标，利用氙灯暴露、荧光紫外灯暴露及自然暴露三种手段对其耐候性进行评估，研究了实验室加速老化与自然暴露的相关性以及实验室加速老化的加速因子。

国高材分析测试中心耐候性能评价中心

1.1 样品

10种ABS原材料（1-10），具体性能如表1所示。

表1 ABS冲击及熔融指数性能

1.2 测试条件

1.2.1 氙灯暴露

氙灯暴露条件如表2所示。

表2 氙灯暴露条件

1.2.2荧光紫外灯暴露

荧光紫外灯暴露条件如表3所示。

表3 荧光紫外灯暴露条件

1.2.3自然暴露

暴露场地为国高材分析测试中心，暴露条件为朝南45º。

1.3结果表征

特定时间测试样品色差。色差测试条件：D65光源，10º观察角。

2.1实验室加速老化与自然暴露结果比较

10种样品经氙灯暴露、荧光紫外灯暴露及自然暴露，其颜色随暴露时间的变化情况分别见图1、图2及图3。

图1氙灯暴露样品的颜色变化

图2荧光紫外灯暴露样品的颜色变化

图3自然暴露样品的颜色变化

由图1～3可以看到，样品经实验室加速老化的色差值均随辐照量的增加而增大；而经自然暴露的样品，其色差值则在暴露初期随辐照量的增加先增大，后有下降的趋势，到暴露中期后又逐步增大（部分样品色差值在暴露初期与中期之间还会有一定的波动）。自然暴露样品色差值之所以表现出上述现象，主要与ABS的老化特性有关，其色差值主要随黄蓝指数（b*）的变化而变化，暴露初期ABS的b*先减小（此时Δb*为负）后增大(Δb*由负向正变化），因此色差体现为先增大，后减小，暴露中期以后Δb*逐渐变大，因此后续色差值表现出持续增大的现象。经实验室加速老化样品的色差值未表现出与自然暴露一致的现象，原因可能为实验室加速老化试验初期，其相对户外暴露的加速倍率非常大，色差值先变大后减小的过程比较短暂，而实验室加速老化过程中一般不建议频繁的开停设备，导致该现象较难观察到。

2.2 实验室加速老化与自然暴露相关性

实验室加速老化与自然暴露相关性可以用spearman相关系数（以下简称相关系数）来体现，相关系数rs计算公式如式（1）所示。

式中，d_i表示同一样品耐候性优劣的排序之差，n表示样品个数。

根据式1计算氙灯、荧光紫外灯暴露分别暴露7天及14天与自然暴露28天、42天、56天及90天的关联系数，结果分别见表4、表5。

表4氙灯暴露与自然暴露相关系数

表5荧光紫外灯暴露与自然暴露相关系数

由表1及表2可以看到，对于本试验的ABS样品，氙灯暴露14天与自然暴露42天、56天、90天相关系数均在0.8以上，相关性良好；荧光紫外灯暴露14天与户外自然暴露42天、56天、90天相关系数均在0.93以上，相关性极高；而其他阶段相关系数相对较低。这与ABS在不同老化阶段反应速率不一致有关，只有在特定老化阶段、反应速率相近的老化过程中，实验室加速老化才表现出与自然暴露较好的相关性。因此在讨论相关性时，选择合适的老化阶段尤为重要。

2.3实验室加速老化的加速因子

加速因子定义为样品达到同样老化程度（本文以色差值表征）所需的自然老化时间与实验室加速老化时间的比值。对于本试验的ABS，实验室加速老化的加速因子从表1、表2及图1～3可得出，若选取相关系数最高时的自然暴露对应的色差值作为基准，氙灯暴露加速因子大都在3～5，荧光紫外灯暴露加速因子大都在8～13。荧光紫外灯暴露较氙灯暴露与自然暴露相关性更高，其原因可能为荧光紫外灯老化试验条件中存在较长的暗周期，而该阶段对于ABS的老化反应有着重要的影响，这与自然暴露更为接近。荧光紫外灯暴露加速因子远大于氙灯暴露，一方面可能与暗周期有关（亮暗周期的更替有助于某类反应，且暗周期湿度大），另一方面在于荧光紫外灯暴露的短波紫外辐照强度往往较氙弧灯高。因此，对于本试验的ABS材料，荧光紫外暴露能更为快速的分辨其耐候性的优劣。

通过以上研究，得到如下结论：

1）本研究中经自然暴露的ABS样品其色差值随辐照量的增大在暴露初期出现先变大后变小的现象，暴露中后期则持续变大。

2）实验室加速老化与自然暴露的相关性，与样品所处的老化阶段有较大关系，只有选择适当的阶段，才能保证二者良好的相关性。

3）本研究中的ABS样品，荧光紫外灯暴露表现出与自然暴露更好的相关性。

4）本研究中的ABS样品，氙灯暴露加速因子大都在3～5，荧光紫外灯暴露加速因子大都在8～13。