塑料户外暴露老化测试：GB/T 3681标准解析

技术概述

塑料制品在户外使用时，受到太阳辐射、温度、湿度、雨水、氧与污染物的共同作用，表现为变色、粉化、失光、开裂、发脆与力学性能下降。实验室光源加速试验虽周期短，但光谱分布与辐照节奏同真实大气环境总有差异。GB/T 3681《塑料 自然日光气候老化、玻璃过滤后日光气候老化和菲涅耳镜加速日光气候老化的暴露试验方法》提供的，是把试样放到真实太阳光下暴露、再按周期取样评价性能变化的方法体系。

该标准覆盖三类暴露方式。直接自然日光暴露是把试样朝向太阳放置，接受全光谱日光与全部气象因素；玻璃过滤后日光暴露是在试样前方加装窗玻璃，滤除短波紫外，用以模拟室内靠窗或车窗内的使用条件；菲涅耳镜加速日光暴露则通过跟踪太阳的反射镜把日光汇聚到试样上，在保持自然光谱的前提下提高辐照度，缩短试验时间。

三种方式各有取舍。自然暴露贴近实际，但周期长、受季节与地点制约；玻璃过滤暴露更接近室内环境，对评价内外饰件的颜色保持尤为适用；菲涅耳镜加速能在较短时间内累积较大辐照量，但试样面积受限、温度控制要求高。选择哪一种，取决于产品用途、验证阶段与可接受的周期。

暴露场所与气候类型的选择

暴露结果与场地所在的气候类型密切相关。湿热地区辐照强、湿度高、降雨频繁，材料易发生水解与霉变；干热地区昼夜温差大、紫外强而湿度低，表面粉化与开裂更为突出；温带与寒带地区年均辐照量较低，但冻融循环与低温脆化会带来另外的问题。选择场地时，应先明确产品的主要销售区域与使用环境，再匹配相应气候类型的暴露站。

场地本身的微环境同样重要。暴露架周围应开阔，避免建筑物、树木与围挡在部分时段投下阴影，间歇遮光会使试样温度反复波动；场地还应远离烟囱、排气口与大量扬尘的作业区，避免局部污染物改变老化机理。

地面反射条件会影响试样实际接收的辐射与热量。草地、砂石、混凝土与涂黑地面反射率差异明显，暴露架下方的地表状态应在试验期间保持相对稳定，并在报告中说明。同批对比试验应尽量安排在同一场地、同一时段进行，不同地点、不同季节开始暴露的试样，其累计辐照量与温湿度历程并不可比，若必须分散安排，应注明各地的起止时间与累计辐照量，避免把地点差异误判为材料差异。

暴露角、试样架与背板设置

暴露角决定试样平面与水平面的夹角，直接影响接收到的辐照量与表面状态。工程上较常见的是与水平面成45°朝赤道方向放置，使全年累计辐照量较为可观；水平放置即0°，适合模拟屋面、车顶等实际为水平面的制品，但表面易积尘、积水，需要按规定的周期清洁或记录污染情况。也有按制品实际安装姿态设置角度的情况，此时应在报告中说明角度的确定依据。

试样架的材料与结构需避免干扰。框架宜选用在户外环境中稳定、不与试样发生反应的材质，紧固件不应遮挡试样表面，夹持力以固定试样、不产生明显变形为度。试样之间应留出间距，使空气流通，也便于取样时单独取下。

背板设置是该方法中容易被忽视却影响明显的环节。带背板的暴露把试样贴附在衬板上，背面不通风、不受光，热量在试样与背板之间积聚，接近制品安装在墙体、基材上的实际状态；无背板暴露则让试样背面与空气自由接触，散热较好，试样温度相对低。两种方式的温度历程不同，老化速率随之不同，同一批对比试验必须采用相同设置。

试样在架上的固定方式还包括是否施加预应力、边缘是否遮挡。对薄膜与片材，装夹过紧会在夹具处产生应力集中，开裂往往从边缘起始；对较大面积的试样，中部下垂会改变受光角度。

辐照量、温湿度与气象要素记录

自然暴露试验的有效性，很大程度依赖过程记录的完整程度。太阳总辐照量是基础量，通常以累计值表示，用于描述试样实际承受的辐射总量，也是不同地点、不同时段结果比较的共同基础。紫外波段的辐照量宜单独记录，因为多数高分子材料的降解主要由紫外部分引发。

温度记录包括环境温度与试样表面温度。后者更接近材料实际经历的热历程，通常用与试样同材质的黑板、白板温度计测量。表面温度受颜色、背板设置与风速影响，深色试样在强日照下可能明显高于环境温度。

湿度与降雨同样需要记录。相对湿度影响材料表层的水分含量与水解反应速率，降雨则带来冲刷、溶出与干湿交替，还会暂时降低试样温度。沙尘、凝露、霜冻等要素在有条件时也应记录。

辐照量可由场地配置的辐射表连续测量并累计，也可按标准规定的换算方式估算。无论采用哪种，都应在报告中说明数据来源与统计时段；记录中断时应如实标注，不宜用相邻时段的平均值填补。

周期取样与性能变化评价

取样节点可以按暴露时间设定，也可以按累计辐照量设定。后者更能反映试样实际承受的辐射剂量，尤其适合跨季节、跨地点安排的试验。节点的数量应能描出性能随时间变化的趋势，只设一个终点时，无法判断性能是缓慢下降还是已经进入快速劣化阶段。

取样后不宜立即测试。试样从户外取回后，表面附着的水分、灰尘与温度状态都与标准环境不同，应按标准规定进行清洁与状态调节，再开展性能测试。清洁方式需谨慎，摩擦擦拭可能去除粉化层、改变表面形貌，导致光泽与色差数据偏离。

性能评价通常覆盖外观与力学两类指标。外观包括颜色变化、光泽变化、粉化、裂纹、起泡、变形与霉斑，可借助灰色样卡、光泽度计与色差计量化；力学指标包括拉伸强度、断裂伸长率、冲击强度等，反映材料本体的劣化程度。

结果表述应给出各节点的实测值与相对初始值的变化率，并注明试样数量、取值规则与离散情况。同一组试样内部差异较大时，仅报平均值会掩盖问题，宜同时给出范围。评价结论应结合暴露地点、角度、背板设置与累计辐照量说明适用边界。

应用场景

建筑与市政用塑料制品是典型对象。门窗型材、屋面采光板、排水管、外墙挂板长期暴露在日光与风雨中，颜色与外观的保持、冲击强度的下降幅度都是选材关注点，自然暴露数据常被用于验证配方与色母体系。

汽车内外饰件适用性也很强。外饰的保险杠、格栅、灯罩需要直接暴露评价，内饰件则更适合采用玻璃过滤后的日光暴露，以模拟透过车窗的辐照条件。整车厂在材料确认阶段往往要求提供特定地点与角度的暴露数据。

户外用品、农业设施与露天存放的物流器具同样依赖这类试验。遮阳网、篷布、灌溉管、温室膜在强辐照环境中使用，寿命受紫外劣化支配；薄膜类制品还可借助菲涅耳镜加速方式在较短时间内获得可比数据。周转箱、托盘、集装袋在露天堆场中日晒雨淋，颜色与强度变化会影响使用与验收，暴露试验可为存放条件与更换周期提供参考。

常见问题

问：自然暴露试验一般需要多长时间？

答：自然暴露没有统一的固定时长，通常以累计辐照量或暴露月份确定。常见的做法是先设定数个中间节点，再按产品要求决定是否继续延长；周期较短的多用于配方筛选，周期较长的用于验证与确认。跨越冬季的暴露辐照量偏低，达到同一累计量所需时间会更长。若采用菲涅耳镜加速方式，累积同等辐照量的时间可明显缩短，但试样尺寸与装夹条件受限，需在方案阶段确认。

问：这项检测的费用如何构成？

答：该项费用受多方面因素影响，主要取决于委托的检测项目数量、所采用的试验方法与判定条件、样品的数量与规格尺寸、试验工况设置的复杂程度，以及委托方对报告出具周期的缓急要求等。单项常规性能测试与多项目组合验证之间的费用差异较为明显，若需加急出具报告，通常也会对最终费用产生一定影响。建议在正式委托前先梳理并明确检测需求与项目清单，直接与承接检测任务的实验室沟通，由技术人员依据实际样品情况与试验方案给出针对性的报价参考。

问：送检样品需要怎么准备？

答：试样尺寸应满足装夹与后续性能测试的取样要求，通常需要按节点数量预留足够件数，并额外准备初始值测试与备用件。试样表面不应有划伤、油污与脱模缺陷，边缘应平整，标识宜做在非受光面或专用标签区，避免直接书写影响受光。送样时应说明材料牌号、配方批次、颜色、成型工艺与厚度，并明确是否采用背板、背板材质以及装夹是否施加预应力，这些信息直接决定试样的受光与散热状态。

问：暴露结果能直接换算成使用年限吗？

答：不能简单换算。暴露试验给出的是特定地点、特定角度与特定时段下的性能变化，实际使用中的辐照强度、温度、安装姿态、受力状态与维护条件都可能不同。较为稳妥的用法是把结果用于材料之间的排序与筛选，或与同类产品的实际使用反馈相互印证。若要估计寿命，需要有多个累计辐照量节点的完整曲线、明确的失效判据，并对推论所依据的条件与适用边界作出说明。

问：同一批试样结果分散较大，通常是什么原因？

答：常见原因包括试样在架上的位置不同，边缘与中心接收的辐照与散热条件有差异；背板贴合不严，局部存在空气层导致温度偏高；试样表面积尘、积水或鸟粪未按周期清理；装夹过紧在夹具处形成应力集中，开裂提前出现；取样后清洁方式不一致，影响光泽与色差读数；以及试样本身存在批次内色差与厚度波动。排查时应先核对位置记录与清洁记录，再检查装夹与背板状态。

问：报告通常包含哪些内容？

答：报告一般包括委托与样品信息、材料描述与试样尺寸、暴露方式与场地所在地及气候类型、暴露架朝向与角度、背板设置、暴露起止日期、累计太阳总辐照量与紫外辐照量、环境温度与试样表面温度、相对湿度与降雨记录、清洁与维护情况、各节点取样时间与测试项目、实测数据与变化率，以及试验中的偏离说明。若同时开展多地点暴露，宜分列呈现并注明各自的累计辐照量。

问：哪些情况下建议安排这类暴露试验？

答：常见情形包括新配方、新色母或新助剂体系的户外适用性筛选；材料或工艺变更后验证耐候水平是否维持；产品按标准、订单或客户要求提供自然暴露数据；出现批量褪色、粉化、开裂投诉时追溯原因；以及产品拟销往特定气候区域，需要在该类气候条件下取得实测依据。上述需求可单独委托，也可与实验室光源加速试验组合，用加速结果排序、用自然暴露结果校核。