摘   要 : 介紹了材料耐候老化測(cè)試方法及戶外自然曝曬及實(shí)驗(yàn)室加速老化測(cè)試原理。重點(diǎn)介紹了水性聚氨酯處理劑處理過(guò)的聚氯乙烯人造革的氙燈老化試驗(yàn)，并研究了其性能變化。

關(guān)鍵詞 : 水性聚氨酯；耐候老化；Q-SUN氙燈試驗(yàn)箱；QUV紫外試驗(yàn)機(jī)

水性聚氨酯（PU）是以水代替有機(jī)溶劑作為分散介質(zhì)的新型PU體系。水性PU以水為溶劑，具有無(wú)污染、安全可靠、力學(xué)性能優(yōu)良、相容性好、易于改性等優(yōu)點(diǎn)。

水性PU已逐步取代溶劑型PU，成為PU工業(yè)發(fā)展的重要方向。水性PU可廣泛應(yīng)用于涂料、膠黏劑、織物涂層與整理劑、皮革涂飾劑、紙張表面處理劑和纖維表面處理劑。

1 材料耐候老化測(cè)試原理

1.1 戶外老化因素

老化損害主要由3個(gè)因素引起：光照、高溫和潮濕。它們的共同作用大于其中任一因素造成的危害。

1.1.1 光照

高分子材料的化學(xué)鍵對(duì)太陽(yáng)光中不同波段光線的敏感性不同，一般對(duì)應(yīng)一個(gè)閾值，太陽(yáng)光的短波段紫外線是引起大部分聚合物老化的主要原因。

然而，對(duì)于某些顏料、染料、紡織品等，長(zhǎng)波段紫外線甚至可見(jiàn)光也會(huì)對(duì)其產(chǎn)生破壞，造成變色或褪色。

1.1.2 高溫

溫度越高，化學(xué)反應(yīng)速度越快。老化反應(yīng)是一種光致化學(xué)反應(yīng)，溫度不影響光致化學(xué)反應(yīng)中的光致反應(yīng)速度，卻影響后繼的化學(xué)反應(yīng)速度。因此溫度對(duì)材料老化的影響往往是非線性的。

1.1.3 潮濕

水會(huì)直接參與材料老化反應(yīng)。露水，雨水及濕度是自然條件中水的幾個(gè)主要表現(xiàn)形式。研究表明：戶外材料每天都將長(zhǎng)時(shí)間處于潮濕狀態(tài)（平均每天長(zhǎng)達(dá)8~12 h）[1]。而露水是戶外潮濕的主要原因。露水造成的危害比雨水更大，因?yàn)槠涓街诓牧仙系臅r(shí)間更長(zhǎng)，形成更為嚴(yán)酷的潮濕侵蝕。對(duì)于戶內(nèi)用材料，一般只考慮相對(duì)濕度的影響。

1.2 實(shí)驗(yàn)室加速老化試驗(yàn)

1.2.1 氙燈加速老化試驗(yàn)箱

1.2.1.1 陽(yáng)光模擬

氙燈試驗(yàn)箱可產(chǎn)生紫外線、可見(jiàn)光和紅外線，能夠很好地模擬全光譜太陽(yáng)光。

氙燈產(chǎn)生的光譜用于測(cè)試前必須經(jīng)過(guò)過(guò)濾，過(guò)濾掉不需要的部分紫外光譜。使用不同類(lèi)型的玻璃濾光器可以得到不同的光譜。濾光器的使用取決于被測(cè)材料和產(chǎn)品最終使用條件。不同的過(guò)濾器過(guò)濾的紫外線的短波段的截止點(diǎn)不同，這將在很大程度上影響老化的速度和類(lèi)型。有3類(lèi)經(jīng)常使用的濾光器：日光濾光器、窗玻璃濾光器和紫外延展濾光器。圖1、圖2和圖3分別展示了配備這3類(lèi)濾光器的Q-SUN氙燈試驗(yàn)箱產(chǎn)生的光譜，同時(shí)也展示了295~400nm之間紫外線短波段光譜的放大圖。

圖1 配備日光濾光器的Q-SUN光譜和太陽(yáng)光譜之間的比較

圖2 配備窗玻璃濾光器的Q-SUN光譜和透過(guò)玻璃的太陽(yáng)光譜之

圖3 配備紫外延展濾光器的Q-SUN光譜和太陽(yáng)光譜之間的比較

日光濾光器用來(lái)模擬戶外直射太陽(yáng)光，窗玻璃濾光器用來(lái)測(cè)試室內(nèi)材料的光穩(wěn)定性，這種濾光器產(chǎn)生的一種光譜與透過(guò)玻璃的太陽(yáng)光光譜非常相似，而某些測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)要求一種包含短波紫外線的光譜，比太陽(yáng)光截止點(diǎn)（295nm）還短的波長(zhǎng)，紫外延展濾光器可提供這種光譜。盡管這種濾光器提供的紫外線短波段和實(shí)際情況不太相符，但能更快地得到測(cè)試結(jié)果。

1.2.1.2 輻照度控制

新的氙燈試驗(yàn)箱裝備有輻照度控制系統(tǒng)，Q-Lab公司的Q-SUN氙燈試驗(yàn)箱使用的是太陽(yáng)眼閉環(huán)控制系統(tǒng)，來(lái)提供穩(wěn)定的光照強(qiáng)度。

在氙燈測(cè)試系統(tǒng)內(nèi)，輻照度控制非常重要。氙燈光譜范圍從295nm延伸到3000nm，新的標(biāo)準(zhǔn)中要求，光強(qiáng)的控制基于點(diǎn)控制（如ISO 11341—2004]，ASTM G 155-05，ISO 4892— 2:2006等），控制點(diǎn)的選擇則基于模擬環(huán)境和檢測(cè)材料性能的不同，對(duì)于戶外環(huán)境，檢測(cè)材料的物理性能，一般采用340 nm控制點(diǎn)；而對(duì)于室內(nèi)環(huán)境，檢測(cè)材料的變色和褪色，一般采用420 nm控制點(diǎn)。

1.2.1.3 溫度控制

氙燈測(cè)試設(shè)備中，溫度的控制很也重要，因?yàn)闇囟扔绊懖牧侠匣乃俾?。氙燈試?yàn)箱一般是通過(guò)黑板溫度計(jì)或黑標(biāo)溫度計(jì)來(lái)精確控制樣品表面溫度。有些型號(hào)的氙燈試驗(yàn)箱還能同時(shí)控制箱體空氣溫度，以達(dá)到全面的曝曬環(huán)境溫度控制。

1.2.1.4 潮濕模擬

氙燈試驗(yàn)箱可以通過(guò)水噴淋或濕度控制系統(tǒng)來(lái)模擬潮濕的影響。水噴淋可以模擬雨水對(duì)戶外產(chǎn)品的熱沖擊和應(yīng)力腐蝕。濕度會(huì)影響某些戶內(nèi)物品（比如某些紡織品或油墨等）發(fā)生老化的類(lèi)型和速度，在此類(lèi)材料的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)中都建議控制相對(duì)濕度。

1.2.2 紫外加速老化試驗(yàn)機(jī)

1.2.2.1 陽(yáng)光模擬

QUV紫外加速老化試驗(yàn)機(jī)使用熒光紫外線燈管模擬太陽(yáng)光對(duì)耐久性材料造成的破壞。

不同的應(yīng)用條件需要不同的光譜，進(jìn)而需要不同類(lèi)型的燈管。UVA-340燈管能較好地模擬太陽(yáng)光的紫外線波段，其光譜能量分布（SPD）在太陽(yáng)光截止點(diǎn)到大約360nm范圍內(nèi)與太陽(yáng)光譜吻合得非常好，如圖4所示。UVB-313燈管（如圖5所示）在QUV中也被廣泛應(yīng)用。它比UVA燈管對(duì)材料造成的老化更快，但它比太陽(yáng)光截止點(diǎn)更短的波長(zhǎng)可能會(huì)對(duì)許多材料產(chǎn)生不切實(shí)際的結(jié)果。

圖4 UVA-340燈管與太陽(yáng)光譜的比較

圖5 UVB-313燈管與太陽(yáng)光譜的比較

1.2.2.2 輻照度控制

為了獲得精確且可重復(fù)的測(cè)試結(jié)果，控制輻照度很有必要。QUV加速老化試驗(yàn)機(jī)裝備日光眼輻照度控制器，這種精確的光控系統(tǒng)為使用者選擇輻照度提供了方便。使用日光眼的閉環(huán)反饋系統(tǒng)，可以連續(xù)、自動(dòng)地控制且精確保持設(shè)定輻照度，日光眼靠調(diào)整燈的功率來(lái)自動(dòng)補(bǔ)償因燈管老化和其他因素造成的輻照度變化。

1.2.2.3 溫度控制

QUV加速老化試驗(yàn)機(jī)是通過(guò)黑板溫度計(jì)來(lái)精確控制樣品表面溫度。

1.2.2.4 潮濕模擬

材料在戶外經(jīng)受潮濕侵蝕的時(shí)間很長(zhǎng)，QUV要達(dá)到相同的效果，是通過(guò)冷凝功能來(lái)實(shí)現(xiàn)的。冷凝過(guò)程是在一較高溫度下進(jìn)行的，這大大加速了潮濕侵蝕。用QUV長(zhǎng)時(shí)間的熱凝結(jié)循環(huán)過(guò)程來(lái)模擬戶外的潮濕侵蝕，比其他一些方法，如噴水、浸水或高濕度都更有效。除了標(biāo)準(zhǔn)的冷凝功能，QUV還可用水噴淋功能來(lái)模擬雨水的影響，如熱沖擊或機(jī)械侵蝕。

2 水性PU加速老化試驗(yàn)方法

水性PU的應(yīng)用范圍較廣，皮革、合成革行業(yè)常用的耐候老化試驗(yàn)方法如下：

QB/T 4043-2010汽車(chē)用聚氯乙烯(PVC)人造革；QB/T 2727-2005皮革色牢度試驗(yàn) 耐光色牢度：氙??；SAE J2412汽車(chē)內(nèi)飾組件使用受控輻照的氙弧裝置加速曝光。

3 PU人造革氙燈老化試驗(yàn)

對(duì)性能優(yōu)異的水性PU處理劑處理過(guò)的PVC人造革，在氙燈老化試驗(yàn)前后部分物理性能變化來(lái)做一些介紹。

3.1 顏色的變化

在Q-SUN氙燈試驗(yàn)箱中，按照QB/T 4043-2010中的試驗(yàn)條件，對(duì)水性PU處理劑處理過(guò)的PVC人造革進(jìn)行耐光老化測(cè)試。試驗(yàn)進(jìn)行140 h，曝曬照射結(jié)束即取出試樣，冷卻至室溫后對(duì)顏色變化情況進(jìn)行判定，見(jiàn)圖6。

圖6 用水性聚氨酯處理劑處理過(guò)的聚氯乙烯人造革氙燈試驗(yàn)前后對(duì)比

3.1.1 目測(cè)判定

按照GB/T 15596-1995的規(guī)定，利用GB/T 250-1995評(píng)定變色用灰色樣卡在標(biāo)準(zhǔn)光源下目測(cè)判定變褪色度。分別記錄每個(gè)試樣測(cè)試后的變褪色程度。以3個(gè)試樣中變褪色程度最嚴(yán)重的作為最終變褪色等級(jí)結(jié)果。目視試驗(yàn)結(jié)果：樣品的灰卡等級(jí)為4~5級(jí)，圖6是樣品在試驗(yàn)前后的變化情況（圖中左邊部分為試驗(yàn)前的樣品，右邊部分為試驗(yàn)后的樣品），試驗(yàn)后樣品的顏色有稍微變淺。

3.1.2 色差儀器判定

按GB/T 7921-1997的規(guī)定分別對(duì)標(biāo)準(zhǔn)樣品及試樣的顏色進(jìn)行測(cè)量和記錄。選用不包括鏡反射成分的測(cè)量方式。對(duì)同一試樣試驗(yàn)3點(diǎn)或3點(diǎn)以上，計(jì)算多次試驗(yàn)的平均值。從試驗(yàn)數(shù)據(jù)看來(lái)，樣品在耐光試驗(yàn)后，色相略微偏紅和偏黃，明度略微降低，但都遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于一般人可分辨的范圍，按照GB/T 250-1995中五級(jí)九檔灰卡的規(guī)定來(lái)判定也是4~5 級(jí)。

3.2 表面摩擦色牢度的變化

使用符合GB/T 3920-1997規(guī)定要求的表面色牢度摩擦試驗(yàn)儀，其中摩擦試驗(yàn)用白棉布應(yīng)符合GB/T 7565-1987的規(guī)定。試樣尺寸250mm×60mm（縱向×橫向）。

3.2.1 摩擦方法

干摩擦按照GB/T 3920-1997進(jìn)行試驗(yàn)。摩擦頭質(zhì)量為200g，摩擦往復(fù)次數(shù)為100次。

濕摩擦按照GB/T 3920-1997進(jìn)行試驗(yàn)。摩擦頭質(zhì)量為200g，摩擦往復(fù)次數(shù)為100次。

汗液摩擦將白棉布浸入人造汗液中10min后，按照GB/T 3920-1997進(jìn)行試驗(yàn)。摩擦頭質(zhì)量為200g，摩擦往復(fù)次數(shù)為100次。

3.2.2 試驗(yàn)結(jié)果

每種方法測(cè)試結(jié)束后，查看白棉布的污染程度，按GB/T 251-1995評(píng)定，沾色用灰色樣卡判定等級(jí)。試驗(yàn)結(jié)果分別以每組試樣試驗(yàn)結(jié)果的表示。

從試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，性能優(yōu)異的水性PU處理劑處理后的人造革產(chǎn)品，歷經(jīng)光老化后再經(jīng)過(guò)上述3種表面耐摩擦試驗(yàn)，其沾色用灰卡判定均大于4級(jí)。

3.3 耐揉搓性的變化

試樣尺寸120mm*30mm，將同一方向的2塊試樣皮面相互重合，然后裝入間隔為30mm的揉搓試驗(yàn)機(jī)夾具中。逐步縮小夾具的距離，使2塊試樣的皮面輕輕接觸后施加載荷，載荷為1kg。在頻率為120次/min，行程為50mm的條件下，往復(fù)測(cè)試1000次。

試驗(yàn)結(jié)束后，人造革表面一切正常，無(wú)裂痕、損傷或基布與涂層分離等現(xiàn)象。

4 總結(jié)

水性PU的老化因素主要是光、溫度和水。采用實(shí)驗(yàn)室加速老化試驗(yàn)，對(duì)PU進(jìn)行了氙燈老化試驗(yàn)，用不同方法觀察并測(cè)試了其顏色變化、表面摩擦色牢度變化及耐揉搓性的變化。