一、简介

随着塑料在建筑产品中越来越广泛的应用，以及人们对汽车部件之间上漆差别进一步减小的要求，从而要求对塑料的光稳定性以及耐侵蚀性能作出更为可靠的预测。实验室的加速侵蚀工具以及室外加速测试方法都可以相对快速的为研发部门、质量控制部门以及材料认证部门提供测试结果。但是专家认为尽管自然条件下进行室外测试需要花费很多时间，却是最为准确的方法。

将塑料暴露于热的、冷的、潮湿的、以及紫外线照射的环境中时，会发生颜色变化、表面龟裂、粉化以及脆化等现象。如果不能采用适当的测试方法来了解这些因素对塑料的影响，那么将会使产品失败，承担担保费用，引发诉讼案件，并且会对品牌声誉造成影响。

根据来自Intertek塑料技术实验室、Bodycote测试小组以及Atlas材料测试技术公司、Q-Lab（专门从事制造加速侵蚀/紫外测试设备以及提供测试服务）等公司专门从事侵蚀测试服务的专家的说法，要想避免上述情况的发生，需要采取两种防范措施：一、生产商需要了解在侵蚀过程中存在的影响因素有哪些，以及这些影响因素是怎么相互作用的；二、生产商应当将树脂和添加剂考虑在内，仔细地设计实验方案来评估侵蚀条件、持续时间以及材料组成等对材料性能的影响。

 二、全真与模拟

侵蚀测试的三个重要方法包括：将材料长时间自然暴露于室外，实验室加速侵蚀、室外加速侵蚀。在很多情况下标准测试方法都是按照一定的规则或者工业惯例（例如：ASTM、SAE、ISO）来确定的。而公司通常也需要在决定是否投入生产之前考虑试样测试时间以及测试成本。

专家认为“理想”的测试方法是将材料暴露于目标环境中，但是从时间和物质条件上考虑，这样是不切实际的。另一个最好的方法就是根据产品的终端使用条件选择相应的暴露场所和方式，在基准气候条件下（例如亚利桑纳州或者佛罗里达州）进行测试。但是这也需要至少一年、通常2-5年的时间去完成。

Atlas材料测试技术公司侵蚀科学方面的高级顾问Allen Zielnik认为：第三种最好的方法就是使用真正的日照和天气条件，另外加上镜子和其他设备来加强对样品的暴露处理，从而完成室外加速测试实验。第四种方法则是在室外实时暴露之后，再进行实验室加速测试。很多学者都提倡这个方法，并且已经在汽车、建筑等特定市场中广泛使用。

Allen Zielnik认为还有一种选择就是对样品仅仅进行实验室加速测试，但是这样有可能造成所有的环境因素和材料都使用单一的测试标准，从而使结果出现误差。

Q-Lab所研制的Q-Rack便携式室外陈列架系统。使用者可以通过该套工具获得包括屋顶在内的所有地方的侵蚀数据。

绝大多数的侵蚀损害都是由光、热以及潮湿环境所引起的。而这些因素通常会协同作用以造成大于任一因素单独作用所引起的损害。由于塑料在热带/亚热带气候条件以及沙漠环境中的性能最差，所以在全球范围内人们一般以上述两种气候条件作为侵蚀测试的基准。类似于Q-Lab、Atlas以及Bodycote这样从事侵蚀测试服务的公司，通常会选择靠近迈阿密、佛罗里达的地方作为室外暴露测试的地址，这是由当地强烈的日光、常年高温、高年均雨量以及高湿度所决定的。这些公司有时候也会选择具有高温、干燥、强紫外线照射、温度波动范围大的菲尼克斯州、亚利桑那州附近的地方作为测试地址。将塑料在上述强化的“自然”环境中所进行的测试相当于在更温和的环境中所进行的“加速”测试实验。例如，汽车公司就可能会考虑在佛罗里达州进行一年侵蚀测试实验，因为如果在美国北部的话，该测试就需要两年的时间。

加速侵蚀实验通常是将塑料暴露于强光、强热以及模拟雨水喷洒的可控制循环过程中进行的。Zielnik认为，通常来讲将塑料在基准环境中进行室外暴露测试需要花费12个月的时间，而这些可以通过加速侵蚀测试来进行模拟，而后者只需要花费1/6的时间。例如，如果在迈阿密室外进行测试的话，需要5年的时间，但是进行实验室侵蚀模拟的话只需要7个半月到10个月。

然而上述测试手段却无法加速所有的侵蚀条件。这就好比我们可以通过使用一个月的高强度的紫外线照射来模拟六个月的普通室外照射，但是却无法将温度或者湿度通过扩大6倍的方式来模拟相应的实验结果。每种塑料的侵蚀速率在玻璃化转变温度(Tg)附近是有很大区别的。Zielnik认为，许多加速测试方法（例如使用氙弧灯）中的温度都是接近许多塑料的玻璃化转变温度的，而这一点对于测试来说是非常危险的。工业专家认为，没有任何一种加速测试方法可以精确预测塑料在现实环境中使用时所表现出的性能，而这些可控测试方法只是可以为材料性能的终端认证能否通过提供相对有价值的参考。

Atlas公司的新型日光富集单元，该装置可以进行更大规模的实验室加速测试。其中最大的模型可以处理整个缓冲器或者工具面板。

Zielnik认为测试方法的选择是和产品的预期寿命有关的。“对于要使用20年的屋顶用膜就不能使用和测试眼科镜头或是其他包装相同的方法进行测试，而需要使用一种不同的方法来进行测试，从而看其是否满足各种预期要求。”

专家认为：对于要在室外使用的耐用品，应该通过长期的室外测试获得相应的加速侵蚀测试数据来证实产品的性能。虽然理想条件下的“自然”侵蚀测试是不现实的，但是专家们提倡在不同测试条件下至少采用两种加速测试实验。这样就可以使用两种不同的氙弧测试条件：一个氙弧检测器和一个荧光紫外检测器；或者一个氙弧装置和室外加速侵蚀装置。

汽车工业通常在等待长期（2-5年）室外测试结果作为最终结果的同时，使用短期加速侵蚀的结果作为选择材料的临时基准。例如通常认为，对于一些材料而言，3-4个月的加速测试结果与2年的迈阿密室外测试结果是差不多的。而这个方法也被包括建筑材料行业在内的其他行业所认同。

对于消费品包装而言，例如医药品、家庭清洁用品、个人护理用品、软饮料的包装，加速侵蚀测试通常需要24-96个小时去完成，甚至会需要5天的时间；对于建筑材料而言，例如屋顶、墙板、铁路侧线以及窗口剖面等，加速侵蚀测试则需要花费3-6个月甚至更多的时间。

 三、实验室加速测试

室外自然光照射测试是实际的，易操作的，也是至今为止最便宜的测试方法，每个试样在基准地点进行测试所需的月成本在一美元以下。然而许多公司却没有办法做到为了测试结果而等待若干年的时间。与现实气候条件的不可控制以及多变性不同，实验室加速侵蚀测试不单可以提高测试的速度，根据要求复制侵蚀的条件，还可以保证实验的精确度和可重复性。

最为常用的室内加速侵蚀测试器是由Q-Lab所率先使用的荧光紫外装置以及氙弧工具。像Q-Lab的QUV装置以及Atlas的UV-2000装置都是基于短波紫外辐射可以对暴露于室外的塑料造成最为严重的损害这一原理。特别设计的荧光灯则可以复制波长在295-365nm范围内的太阳光对塑料造成的损害效果。将试样置于密封的盒子中，通过强制浓缩的方法来提供湿度，并且通过加热器来控制温度。

Atlas生产的Weather Ometer Ci4000、Ci5000系列氙弧设备以及Q-Lab生产的Q-Sun Xe-1或Xe-3氙弧装置，则采用氙弧灯复制紫外、可见以及红外整个光谱。这些装置通过使用滤光器减少多余的辐射以及热量从而更好的模拟自然光，而这些滤光器则从不同的角度去传导短波紫外。这些氙弧测试装置通过加热装置以及水冷却装置来控制温度；通过直接水喷洒装置和湿度控制器来模拟湿度效果。

荧光紫外测试器所公认的一大好处是它们的浓缩装置可以对湿气侵蚀作最为逼真的模拟。在氙弧装置中，当相对较冷的水喷洒在相对较热的测试样本上时，试样就会冷却下来，从而可能会延缓塑料的降解过程，这一点则限制了水喷洒装置的应用。然而，水喷洒装置对于模拟热量冲击和机械腐蚀是非常有用的。无论如何，荧光紫外测试器可以和水喷洒装置进行联用，而在一些测试条件下，可以对氙弧装置通过程序设定的方法从而达到与荧光装置相同的浓缩效果。

Atlas的Ci4000、Ci5000系列氙弧设备是将试样置于旋转鼓上完成测试；Q-Lab的Q-Sun氙弧测试器以及Atlas的小型Suntest空气冷却装置则是将试样固定平铺排列而进行测试。

Q-Lab的新型Q-Trac II自然光集中器。与传统的室外陈列架相比，该装置通过镜子使得试样收到更为集中的阳光照射。该装置在佛罗里达州以及亚利桑那州完成测试分别需要5年和1年的时间。

不同的加速侵蚀设备的价格是有很大差别的。荧光紫外测试器的价格通常在10，000-14，000美元之间，而类似于Atlas的SunTest和Q-Lab的Q-Sun Xe-1的低端氙弧测试器的价格一般在12，000-15，000美元之间。它们主要用于测试在限定的湿度条件和温度控制条件下，少量试样（通常在50以下）在室内的耐光性能。医药品、软饮料、漱口水以及织物清新剂的外包装的光降解性能和颜色变化都是通过上述装置进行测试的。

而最为广泛使用的氙弧测试器可以对暴露湿度和温度进行更好的控制，而这类测试器的价格通常在30，000-100，000美元之间。这些更大的测试仪器可以测试更多更大的样品，并且有着更为精确的控制系统和传感器，可以对光照、温度、湿度进行更好的控制。Q-Lab的Q-Sun Xe-3可以同时测试50-100个2*4英寸的样品，而Atlas的Ci4000以及更大的Ci5000 Weather Ometers可以同时测试65-111个3*6英寸的样品或者同时测试185-333个2*3英寸的样品。

实验室加速测试的服务成本也是千差万别的。荧光紫外测试的月花费大概在800-2800美元之间，而具体的价格则由样品的数量所决定。而氙弧测试的价格则是由样品数量以及所进行的测试是标准测试还是定制测试所决定。例如，5-10个样品的月花费会在1200美元左右，而如果是对大量试样进行为期3个月的测试时，月花费则在25，000美元左右。

那么在什么样的情况下，自己购买加速侵蚀测试器会比使用测试服务更合适呢？Zielnik认为，只有当你的样品所需要的测试时间达到一年时，那样购买测试装置和使用测试服务所需要的花费是相同的。

 四、室外加速侵蚀试验

室外加速侵蚀测试是由菲涅尔阵列日光集中系统所完成的。该系统由一系列的巨型的机械化的镜子所组成，这些镜子可以一年四季从早到晚的追随太阳的运动，并且将日光反射在样品板上。20世纪60年代，Atlas公司侵蚀服务组的DSET实验室使用他们的EMMA（Equatorial Mount with Mirrors for Acceleration）以及EMMAQUA（Equatorial Mount with Mirrors for Acceleration with Water）设备率先采用这种方法进行测试。现在，Atlas公司正在使用他们的第三代Emmaqua系统并且加入了温度和湿度控制部分。去年，Q-Lab引进了Q- Trac II，它的性能和第一代接近，但是容量却是第一代的两倍。

由于这些装置只可以在沙漠环境中正常使用，因而这些公司通常在亚利桑那州的相应地址使用这些装置。公司通过将试样暴露于有风力和水作用的室外环境中从而完成测试。Atlas的Zielnik指出：实验室测试可以比室外加速测试更好的控制影响因素。

室外侵蚀测试方法可以测试一些大面积试样，例如汽车尾灯、住宅用小型照明灯、装甲车的安全玻璃、飞行器以及玻璃纤维表面包覆物（参见工具条）。由于这些装置可以将塑料置于玻璃下方，所以也用来测试汽车的内部组成。在室外加速测试服务中，一块3*6英寸大小的试样的月测试成本是55美元以上。

 五、自然侵蚀

侵蚀测试服务是根据材料或产品的应用范围，选择不同的暴露方法和装置来完成室外测试。对于在使用过程中会经受大量日光照射的样品，通常会选择将其对准赤道方向进行照射而完成测试。测试试样所接受的日光辐射量的多少是由试样的暴露角度所决定的。一块5*12英尺的陈列架上可以安放自给的平面面板或者是3D产品。

“开放式非支持暴露测试”方法是将试样末端固定在架子上，从而可以使材料的绝大部分都暴露在周边空气中进行直接测试。“支持式暴露测试”方法则是将试样固定在纸质贴面的夹板底层，而仅仅将其中的一面暴露于测试环境中进行直接测试，这种方法通常用来模拟屋顶用膜、汽车模型等材料的终端使用环境。而将试样置于玻璃下的测试方法则是一种间接的侵蚀测试方法，主要用来模拟测试汽车内部、家庭用地毯、以及室内装潢用品等并不是直接暴露在室外环境的产品。

塑料行业中所使用的陈列架主要是由William Harrison、Hialeah、Fla.以及一些其他公司生产的，成本大概在1300-2000美元之间。

由于许多公司都在室外有自己的陈列地址或者在他们自己楼层顶部就可以进行测试，所以Q-Lab向市场投放了一种非常类似于Harrison架的Q-Rack便携式陈列架系统。据报道，这套工具可以达到ISO、ASTM、SAE对于室外测试的要求。

Atlas公司现在有一种名为“Atlas侵蚀工作站”的便携式侵蚀数据收集器。客户可以使用该装置根据自己的测试地址或者产品可能使用的气候条件收集数据。该装置的价格在25，000美元以上，其主要结构包括：支持装配、紫外和全光谱辐射计，数据收集装置以及光能装置。另外还有一些可选装置，例如温度和湿度探测器、雨量测量表以及可以测定风速和方向的装置。

六、测试参与者

Q-Lab的Roberts指出：研发部门以及质量认证部门经常使用荧光紫外以及氙弧测试器来评估材料性能。二者都可以达到ASTM、ISO或是SAE标准。通常来讲，荧光紫外测试其更适合测试物理性质的变化，而氙弧测试装置则更适合测试颜色变化。

Roberts认为荧光紫外测试装置可以更好的测试侵蚀作用对样品的拉伸性能和冲击性能的影响。同时木塑复合材料也是使用上述装置进行测试的。Roberts指出：木塑材料的最佳测试装置是ASTM6662，该荧光装置的UVA-340长波紫外灯可以最大程度的模拟日光光谱的短波部分。而且该设备还包括一个浓缩装置，该装置可以很好的模拟室外由于露水所造成的潮湿状况。

Bodycote公司工程技术部的技术经理Rocco Rizzo也很欣赏荧光紫外测试器在检测整个木塑板材以及PVC管材时所表现出来的优良性能。Rizzo通常使用氙弧装置测试木塑材料暴露在紫外光下时以及经受热冲击时的性能，同时他也发现人们对于这两种性能的要求正在逐渐提高。

Intertek塑料科技实验室的总负责人Jim Galipeau指出绝大多数的客户都是要求使用氙弧测试设备对发光进行控制，但是他们自己公司有时也会为了可以对两种材料进行快速的比较而使用荧光紫外测试器。

人们首选氙弧测试装置测试塑料颜色的变化。而由于有机颜料和着色剂对紫外、可见以及红外光谱特别敏感，所以氙弧测试装置也更多地用于测试此类塑料。从事有机颜料和着色剂生产的Ciba公司的技术人员Joe Fay表示：氙弧侵蚀测试器已经广泛地用于测试新的化合物以及提高现有添加剂的性能。但是他同时要求人们注意：“在使用加速侵蚀测试把产品暴露于室外的时候，应该了解专家的意见，并且要结合经验和判断去解释得到的数据。”

Ampacet公司颜料和添加剂实验室的技术服务经理Phil Pickett同时使用荧光紫外装置以及氙弧装置，结果发现氙弧测试装置尽管需要较长的测试时间，但是数据却可以更好与自然条件下的室外侵蚀结果相吻合。同时他还发现在比较一组试样的相对稳定性时，这些测试结果是最为有用的。

光降解塑料是Ciba公司和Ampacet公司研究的一大领域。正如Fay所说：“我们对预降解物的添加剂部分进行侵蚀测试。我们先使用氙弧测试装置进行预测试，然后进一步缩小范围选择候选配方进行室外测试。”

Ampacet公司的Picket在不同的气候条件下，对光降解材料进行加速侵蚀以及室外暴露测试。“这些测试可以为材料的性能提供一个标准，但是通常情况下，仍然存在许多变量可能会影响到最终的性能结果。而这些变量包括阳光、雨量、干燥度以及潮湿程度等等。”

专门从事汽车TPO测试的LyondellBasell公司（前身为Solvay Engineered Polymer）经理Edmond使用氙弧测试装置来测试分析紫外稳定剂和着色剂。同时他也在质量认证部门使用该装置来确保产品可以达到OEM说明中对于色彩和光泽度的要求。“通常来讲，我们发现由氙弧测试装置得到的数据可以很好的预测该化合物暴露在日光中的性能表现好坏。”Lau也会在亚利桑那州和佛罗里达州使用侵蚀服务设施对样品进行长达两年的室外侵蚀测试。

Bodycote公司的Rizzo表示原本通常在佛罗里达州完成汽车侵蚀测试，现在也逐渐在亚利桑那州进行。“我们通常需要24个月的时间来完成测试，并且每6个月取出一批试样。”同时他也留意到针对ISO标准进行的氙弧测试通常要在更长的波长条件下完成，而亚利桑那州的环境正好符合这一要求。

John Deer公司（Moline，伊利诺斯州）技术创新中心工程师Bill Briggs指出，他们公司的绝大部分加速侵蚀测试都是使用氙弧装置完成的。这些氙弧测试装置基于SAE J1960标准对汽车外部零件进行测试。在进行相对比较时，Deere则更多的使用荧光紫外测试器。“我们并不直接将加速测试作为室外测试的结果，而是以其作为一种快速估计的工具来初步确定室外测试时材料的性能”。

Deere在佛罗里达州使用Atlas公司的室外设备进行为期两年的测试，但是每隔三个月都会将样品取出来评估其颜色和光泽度的变化。“我们在佛罗里达州所进行的室外测试已经有了很好的结果，所以决定终止在亚利桑那州使用Emmaqua设备所进行的加速侵蚀测试。因为我们发现使用Emmaqua进行测试时所产生的光密度和高的环境温度会导致样品扭曲变形，这些结果是与样品暴露在真实环境中时不相同的。”

相应地，Atlas已经引进了一种新型的可变-发光Emmaqua设备，该设备则具有良好的温度敏感性。