阳光碳弧灯老化试验：模拟自然老化的原理与实践指南

阳光碳弧灯老化试验是一种通过模拟自然阳光辐射及相关气候条件（如温度、湿度、淋雨等），评估材料在户外环境中耐老化性能的加速老化试验方法。它主要通过阳光碳弧灯提供辐射源，模拟材料长期暴露在户外所遭受的光、热、水等综合老化作用，进而快速判断材料的老化趋势（如外观劣化、性能下降等），广泛应用于塑料、涂料、橡胶、纺织品、皮革等材料的质量检测与研发。

一、试验原理

阳光碳弧灯老化试验的核心是 **“人工模拟自然老化环境”**：
阳光碳弧灯（一种以碳电极放电产生光辐射的光源）通过电弧放电产生连续光谱，其光谱涵盖紫外线（UV）、可见光（VIS）及部分红外线（IR），可在一定程度上模拟太阳光谱的辐射特性；同时，试验箱内可控制温度（如黑板温度、箱内空气温度）、相对湿度，并通过淋雨装置模拟自然降雨，从而构建 “光 - 热 - 湿 - 水” 协同作用的老化环境。

材料在该环境中会因光氧化、热降解、水解等化学反应，以及物理应力（如热胀冷缩），逐渐出现老化现象（如变色、开裂、粉化、强度下降等）—— 通过加速试验（通常数天至数月），可推测材料在实际户外环境中的长期耐老化性能。

二、关键试验要素

试验结果的准确性与 “模拟真实性” 密切相关，需严格控制以下关键要素：

1. 光源：阳光碳弧灯的类型

阳光碳弧灯是试验的核心，根据结构差异分为封闭式碳弧灯和开放式碳弧灯，两者光谱特性不同，适用场景也有区别：

• 封闭式碳弧灯：电极外有石英罩（过滤短波紫外线），光谱中紫外线以长波（UVA，320-400nm）为主，可见光和红外线占比高，更接近 “透过玻璃的阳光”（如室内材料老化模拟）。

• 开放式碳弧灯：无石英罩，光谱中含更多短波紫外线（UVB，280-320nm），辐射强度更高，更接近 “直接阳光”（如户外暴露材料老化模拟）。

2. 核心试验参数

参数需根据材料实际使用环境（如热带、温带、干旱或多雨地区）设定，常见关键参数包括：

• 辐照度：单位面积接收的辐射功率，是影响老化速度的核心参数（辐照度越高，老化越快）。通常需指定波长范围（如 UVA 340nm 处，辐照度控制在 0.35-0.7W/m²），需通过辐照度计实时监测并校准。

• 温度：包括 “黑板温度”（模拟材料表面因光吸收产生的温度，通常控制在 63±3℃或 70±3℃）和 “箱内空气温度”（控制环境基础温度，通常 50±5℃），温度过高会加剧热降解，需精准控温。

• 相对湿度（RH）：通常控制在 30%-70%（如模拟潮湿环境可设 50%-70%，干旱环境设 30%-50%），高湿度会加速材料水解或霉变。

• 淋雨周期：通过喷淋装置模拟降雨，常见周期如 “120min 光照 + 18min 淋雨”“200min 光照 + 40min 淋雨”，淋雨可冲刷材料表面老化产物（如粉化层），加速进一步老化。

3. 试验标准

不同行业 / 地区有明确的标准规范试验流程，确保结果的可比性，常见标准包括：

注：标准中会明确光源类型、参数范围（如辐照度、温度）、样品安装方式、试验周期等，需根据材料类型（如塑料、涂料）选择对应标准。

三、试验流程（以塑料样品为例）

1. 样品准备

• 裁剪样品：按标准要求裁剪（如 100mm×100mm 的平板样品），需保证样品表面无划痕、无油污，每组至少 3 个平行样（减少误差）。

• 初始性能测试：试验前需记录样品初始状态，如外观（拍照）、色差（用色差仪测 ΔE₀）、拉伸强度（用拉力机测试）、硬度等，作为后续对比基准。

2. 试验操作

• 样品安装：将样品固定在试验箱内的样品架上（避免相互遮挡，与光源保持固定距离，通常 15-30cm），确保样品表面与光源辐射方向垂直。

• 参数设定：根据标准或实际需求，设定辐照度（如 0.5W/m²@340nm）、黑板温度（63℃）、相对湿度（50%）、淋雨周期（120min 光照 + 18min 淋雨）。

• 启动试验：开启设备，实时监测参数（如辐照度、温度），定期（如每 24h、100h）观察样品状态，记录外观变化（如是否开裂、粉化）。

3. 老化后评价

试验结束（或达到预定周期，如 500h、1000h）后，对样品进行性能测试，与初始状态对比，常用评价指标包括：

• 外观评价：通过肉眼或显微镜观察，记录是否出现开裂、鼓泡、粉化（用胶带测试粉化程度）、变色（如发黄、褪色）。

• 色差测试：用色差仪测老化后样品的 ΔE（总色差），ΔE 越大，变色越严重（如 ΔE≤2 为轻微变色，ΔE>5 为明显变色）。

• 力学性能测试：复测拉伸强度、冲击强度等，计算 “性能保留率”（老化后性能 / 初始性能 ×100%），保留率越低，老化越严重（如拉伸强度保留率 < 70% 可能判定为不耐老化）。

• 其他指标：如分子量（通过 GPC 测试，判断降解程度）、表面粗糙度（通过粗糙度仪，反映表面劣化）等。

四、优缺点及适用场景

优点

• 早期应用广泛：技术成熟，设备成本相对较低（相较于氙灯老化试验），适合批量样品的快速筛选。

• 可模拟综合环境：能同时实现 “光 - 热 - 湿 - 水” 协同老化，接近自然老化的多因素作用。

缺点

• 光谱匹配性较差：阳光碳弧灯的光谱与自然光差异较大（如紫外线区域辐照度分布不均，部分短波 UVB 过量，而长波 UVA 不足），导致试验结果与实际户外自然老化的 “相关性” 较弱（即试验中快速老化的材料，实际户外可能老化较慢，或反之）。

• 稳定性不足：碳电极易损耗，需定期更换，可能导致辐照度波动（影响试验重复性）；且灯的使用寿命较短（通常数百小时）。

适用场景

目前因光谱匹配性问题，阳光碳弧灯老化试验已逐渐被氙灯老化试验（光谱更接近自然光）取代，但在部分特定场景仍有应用：

• 传统行业的质量控制：如老旧标准中明确要求的试验（如部分涂料、纺织品的行业标准）。

• 材料快速筛选：在研发初期，需快速排除耐老化性能极差的材料时，可作为低成本的初步试验方法。

五、与其他老化试验的区别

常见的人工加速老化试验还包括 “氙灯老化试验”“荧光紫外灯老化试验”，三者的核心区别在于 “光源光谱”，直接影响模拟真实性：

• 氙灯老化试验：氙灯光谱最接近自然光（通过滤光片可精准匹配不同地区阳光光谱），与自然老化相关性最好，但设备成本高。

• 荧光紫外灯老化试验：仅模拟紫外线（UVA/UVB），无可见光和红外线，适合研究 “光老化主导” 的材料（如仅因紫外线开裂的塑料），但无法模拟热、光协同作用。

• 阳光碳弧灯老化试验：光谱介于两者之间，但整体与自然光差异较大，目前更多作为 “传统方法” 保留，而非首选。

综上，阳光碳弧灯老化试验是一种经典的人工加速老化方法，虽因光谱局限性逐渐被替代，但了解其原理、参数及流程，对理解材料老化测试的 “模拟逻辑”（通过控制关键环境因素加速老化）仍有重要意义。实际应用中，需优先根据材料使用场景和标准要求，选择与自然老化相关性更高的试验方法（如氙灯法）。