隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，高分子材料，因其具有質(zhì)輕、高強(qiáng)度、耐溫、耐腐蝕、易塑形等優(yōu)異的性能，現(xiàn)在被廣泛應(yīng)用于制造、電子信息、交通運(yùn)輸、建筑節(jié)能、航空航天、軍工、制鞋紡織等各個(gè)領(lǐng)域，對(duì)國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展起到了極大的推動(dòng)作用。

高分子材料自身技術(shù)含量高、附加值高，一直是發(fā)達(dá)國家和跨國公司十分重視的發(fā)展領(lǐng)域，具有廣闊的市場(chǎng)空間。因此，也對(duì)其質(zhì)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(jié)能、低碳和生態(tài)發(fā)展的原則，發(fā)揮高分子材料制品的功能，就越來越受到人們的關(guān)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(xiàn)象

老化由物理老化和化學(xué)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(huán)境因素的影響，其性能逐漸由好變壞，以致最后喪失使用價(jià)值，這種現(xiàn)象就屬于高分子材料的老化。不僅造成資源浪費(fèi)，甚至?xí)蚱涔δ苁п劤筛蟮氖鹿?，而且其老化引起的材料分解也可能?huì)對(duì)環(huán)境產(chǎn)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(xiàn)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(xiàn)污漬、斑點(diǎn)、銀紋、裂縫、噴霜、粉化、發(fā)粘、翹曲、魚眼、起皺、收縮、焦燒、光學(xué)畸變以及光學(xué)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(xué)性能的變化

拉伸強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度、剪切強(qiáng)度、沖擊強(qiáng)度、相對(duì)伸長(zhǎng)率、應(yīng)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(shù)、電擊穿強(qiáng)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?yàn)楦叻肿泳酆衔镌诩庸?、使用過程中，會(huì)受到氧、臭氧、熱、水、光、微生物、化學(xué)介質(zhì)等環(huán)境因素的綜合作用, 其化學(xué)組成和結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生一系列變化，物理性能也會(huì)相應(yīng)變壞，如變色和褪色、聚合物發(fā)黃、變糊、開裂、龜裂、剝離和分層、翹曲、脆化、拉伸強(qiáng)度損失、粉化、起泡、失光等，這些變化和現(xiàn)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(huì)形成激發(fā)態(tài)的分子，當(dāng)能量足夠高，分子鏈就會(huì)斷裂形成自由基，自由基可以在聚合物內(nèi)部形成鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，繼續(xù)引發(fā)降解，也可能引起交聯(lián)。

如果環(huán)境中存在氧氣或臭氧，還會(huì)誘發(fā)一系列氧化反應(yīng)，形成氫過氧化物，并進(jìn)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(huì)加速聚合物的氧化降解反應(yīng)。

高分子材料老化試驗(yàn)

在新材料開發(fā)或改進(jìn)中，為驗(yàn)證其使用壽命或防老化效果，就需要進(jìn)行老化測(cè)試。常見的老化測(cè)試有自然老化和試驗(yàn)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(huán)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(yàn)方法簡(jiǎn)便，成本較低，但是其試驗(yàn)周期太長(zhǎng)，影響產(chǎn)品設(shè)計(jì)的優(yōu)化進(jìn)度。而且，由于是天然環(huán)境，氣候條件無法控制，為保證試驗(yàn)結(jié)果的再現(xiàn)性，試驗(yàn)場(chǎng)地的選擇尤為重要。

美國1931年在南佛羅里達(dá)建立天然氣候場(chǎng)，是美國標(biāo)準(zhǔn)的濕熱氣候暴曬場(chǎng)。在亞利桑那中部建立的試驗(yàn)場(chǎng)，則是標(biāo)準(zhǔn)的干熱暴曬場(chǎng)。我國的國家機(jī)動(dòng)車產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心吐魯番暴曬試驗(yàn)場(chǎng)，也是典型的干熱氣候暴曬場(chǎng)。而海南瓊海的暴曬場(chǎng)，則是典型的濕熱氣候條件。

2.試驗(yàn)室加速老化

為加快試驗(yàn)周期，更快的得到老化數(shù)據(jù)，試驗(yàn)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?zé)艏白贤鉄晒鉄簟Ｗ贤鉄晒鉄粼谥胁ㄗ贤夂投滩ㄗ贤夥秶鷥?nèi)，能很好的模擬日光。而氙弧燈和金屬鹵素?zé)粼谌庾V均能很好的模擬日光。因此，使用氙燈和金屬鹵素?zé)糇鳛楣庠吹脑囼?yàn)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(chǎng)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(guān)性，使用碳弧燈測(cè)試是歷史原因。

2） 加速老化的相關(guān)性

相關(guān)性是指，試驗(yàn)室加速老化的結(jié)果與材料在實(shí)際使用環(huán)境中發(fā)生老化的結(jié)果的一致性程度。加速老化試驗(yàn)，只有具有相關(guān)性，才能真正反映材料的耐候性能，真實(shí)預(yù)測(cè)材料的使用壽命。不合理的加速試驗(yàn)，會(huì)降低測(cè)試的相關(guān)性，甚至失去意義。

常見的降低相關(guān)性的錯(cuò)誤測(cè)試：

連續(xù)曝曬：某些材料的化學(xué)反應(yīng)需要間歇期，自然環(huán)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(chǎn)生非自然光學(xué)變化。

高輻照度曝曬：高輻照度水平下的光化學(xué)反應(yīng)在正常環(huán)境下不會(huì)發(fā)生。

異常高溫或無溫度循環(huán)：不真實(shí)的溫度會(huì)導(dǎo)致非自然的降解。

3）試驗(yàn)室加速老化的發(fā)展趨勢(shì)

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(jié)果，但并不是簡(jiǎn)單的各種因素影響效果的疊加，還需要考慮其間的協(xié)同作用。因此，更全面的模擬材料的實(shí)際使用環(huán)境，能夠得到具有更好相關(guān)性的結(jié)果。例如ISO 20340標(biāo)準(zhǔn)，試驗(yàn)以7天為1個(gè)周期，第1至3天根據(jù)ISO 11507進(jìn)行具有明暗周期的紫外測(cè)試，第4至6天根據(jù)ISO 9227進(jìn)行鹽霧測(cè)試，第7天進(jìn)行（-20±2）℃的低溫測(cè)試。與傳統(tǒng)的耐候性測(cè)試相比，綜合了更多的老化影響因素，更符合材料的實(shí)際使用工況，因此更能反映材料的實(shí)際老化情況。我們知道，霉菌、臭氧濃度等，都對(duì)塑料制品的老化有重要影響，如何在測(cè)試中綜合更多的老化因素，將是試驗(yàn)室加速老化的發(fā)展方向之一。

高分子材料抗老化的方法

目前，改善和提高高分子材料防老化性能的主要方法有以下幾種：

1.物理防護(hù)（如加厚、涂裝、外層復(fù)合等）

高分子材料的老化，特別是光氧老化，首先是從材料或制品的表面開始，表現(xiàn)為變色、粉化、龜裂、光澤度下降等，然后逐漸往內(nèi)部深入。薄制品比厚制品更容易提早失效，因此通過加厚制品的方法可以延長(zhǎng)制品的使用壽命。對(duì)于易老化的制品，可以在其表面涂覆或涂布一層耐候性好的涂層，或在制品外層復(fù)合一層耐候性好的材料，從而使制品表面附上一層防護(hù)層，從而延緩老化進(jìn)程。

2.改進(jìn)加工工藝

很多材料在合成或制備過程中，也存在老化的問題。如，聚合過程中熱的影響、加工過程中的熱氧老化等等。那么相應(yīng)地，可以通過在聚合或加工過程中增加除氧裝置或抽真空裝置等減緩氧氣的影響。但這種方法只能保證材料在出廠時(shí)的性能，而且這種方法只能從材料的制備源頭實(shí)施，無法解決其在再加工和使用過程中的老化問題。

3.高分子材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)或改性

很多高分子材料分子結(jié)構(gòu)中存在極易老化的基團(tuán)，那么通過材料的分子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以不易老化的基團(tuán)替代易老化的基團(tuán)，往往可以起到良好的效果?；蛘呤窃诟叻肿臃肿渔溕贤ㄟ^接枝或共聚的方法引入具有抗老化作用的功能基團(tuán)或結(jié)構(gòu)，賦予材料本身以優(yōu)異的抗老化功能，也是研究工作者們常采用的方法，但成本較高，暫且不能實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的生產(chǎn)和應(yīng)用。

4.添加防老化助劑

目前，提高高分子材料耐老化性的有效途徑和常用方法就是添加抗老化助劑，其由于成本較低、且無需改變現(xiàn)有生產(chǎn)工藝而得到廣泛應(yīng)用。這些抗老化助劑的添加方式主要有兩種：助劑直接添加法和抗老化母粒添加法

老化試驗(yàn)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)

GB/T 16422.2 塑料實(shí)驗(yàn)室光源暴露試驗(yàn)方法第2部分：氙弧燈

GB/T 3511-2008 硫化橡膠或熱塑性橡膠耐候性

GB/T 1865-2009 色漆和清漆人工氣候老化和人工輻射曝露（濾過的氙弧輻射）

GB/T 16422.3 -1997塑料實(shí)驗(yàn)室光源暴露試驗(yàn)方法第3部分：熒光紫外燈

GB/T 3511-2008 硫化橡膠或熱塑性橡膠耐候性

GB/T 14522-2008 機(jī)械工業(yè)產(chǎn)品用塑料、涂料、橡膠材料人工氣候老化試驗(yàn)方法熒光紫外燈

GB/T 16422.4-1996 塑料實(shí)驗(yàn)室光源暴露試驗(yàn)方法第4部分：開放式碳弧燈

GB/T 15255-1994 硫化橡膠人工氣候老化（碳弧燈）試驗(yàn)方法

GB/T 7762-2003 硫化橡膠或熱塑性橡膠耐臭氧龜裂靜態(tài)拉伸試驗(yàn)方法

GB/T 13642-1992 硫化橡膠耐臭氧老化動(dòng)態(tài)拉伸試驗(yàn)法

GB/T 12000-2003 塑料暴露于濕熱、水噴霧和鹽

GB/T 1771-2007色漆和清漆耐中性鹽霧性能的測(cè)定

GB/T 12000-2003 塑料暴露于濕熱、水噴霧和鹽霧中影響的測(cè)定

GB/T 15905-1995 硫化橡膠濕熱老化試驗(yàn)方法

GB/T 1740-2007 漆膜耐濕熱測(cè)定法

GB/T 3512-2001硫化橡膠或熱塑性橡膠熱空氣加速老化和耐熱試驗(yàn)

GB/T 7141-2008 塑料熱老化試驗(yàn)方法

GB/T 3681-2000 塑料大氣暴露試驗(yàn)方法

GB/T 3511-2008 硫化橡膠或熱塑性橡膠耐候性

GB/T 9276-1996 涂層自然氣候暴露試驗(yàn)方法

SAE J2527:2004 汽車內(nèi)飾材料的氙弧燈加速暴露試驗(yàn)

SAE J2412:2004 汽車外飾材料的氙弧燈加速暴露試驗(yàn)

SAE J2020:2003 汽車外飾材料UV快速老化測(cè)試

ISO 4892-2:2006 塑料實(shí)驗(yàn)室光源暴露試驗(yàn)方法第2部分：氙弧燈

ISO 4892-3:2006 塑料實(shí)驗(yàn)室光源暴露試驗(yàn)方法第3部分：熒光紫外燈

ISO 4611：2008 塑料濕熱、水濺和鹽霧效應(yīng)的測(cè)定

ASTM D4459-06 室內(nèi)用塑料氙弧光暴露試驗(yàn)方法

ASTM G155-05a 非金屬材料氙弧燈老化的儀器操作方法

ASTM D2565-99(2008) 塑料暴露試驗(yàn)用有水或無水氙弧型曝光裝置的操作

ASTM D4329-05 塑料紫外光暴露試驗(yàn)方法

ASTM G154-06 非金屬材料UV老化的儀器操作方法

ASTM D3045-92(2003) 無負(fù)荷塑料制品的熱老化

ASTM D638-08 塑料拉伸性能的試驗(yàn)方法