材料加化合速老I工艺实验编者：曾凡龙
工 艺 实 验 编者：曾凡龙 复 合 材 料 加 速 老 化
一、实验目的1、概述：复合材料老化是指其在加工、使用和储存过程中受到光、热、氧、潮湿、水分、机械应力和生物等因素作用，引起微观结构的破坏，失去原有的物理机械性能，并伴有发粘、发色、发脆、龟裂等外观的变化，最终丧失使用价值，这种现象通称为老化。老化是一种不可逆的化学反应。其中热氧核光氧作用，是引起高分子材料老化的主要因素。使聚合物发生氧化、降解和交联。老化实验方法分两大类：一类是自然老化实验方法，包括大气暴露、加速大气暴露、仓库储存实验方法；另一类是人工老化实验方法，包括人工气候老化、热老化、湿老化、湿热老化、霉菌、盐雾实验方法等。大气暴露实验比较接近材料的实际使用环境，特别对于采了的耐候性，能得到比较可靠的数据，因而收到重视并被普遍采用。但大气老化试验周期长，难以满足当今材料科学和工程快速评价的要求，因此需要采用人工加速老化实验。人工加速老化是在实验室内用各种老化箱进行老化的一类实验方法。老化箱可以模拟并强化自然环境条件的某些老化因素，加速老化进程，较快获得实验结果。人工加速老化实验通常有沸水泡煎法、人工气候法和湿热老化法、盐雾腐蚀法和霉菌试验法等。本实验采用最常用的人工气候法
一、实验目的 1、概述： 复合材料老化是指其在加工、使用和储存过程中受到光、热、氧、 潮湿、水分、机械应力和生物等因素作用，引起微观结构的破坏，失 去原有的物理机械性能，并伴有发粘、发色、发脆、龟裂等外观的变 化，最终丧失使用价值，这种现象通称为老化。老化是一种不可逆的 化学反应。其中热氧核光氧作用，是引起高分子材料老化的主要因素。 使聚合物发生氧化、降解和交联。 老化实验方法分两大类：一类是自然老化实验方法，包括大气暴 露、加速大气暴露、仓库储存实验方法；另一类是人工老化实验方法， 包括人工气候老化、热老化、湿老化、湿热老化、霉菌、盐雾实验方 法等。 大气暴露实验比较接近材料的实际使用环境，特别对于采了的耐 候性，能得到比较可靠的数据，因而收到重视并被普遍采用。但大气 老化试验周期长，难以满足当今材料科学和工程快速评价的要求，因 此需要采用人工加速老化实验。 人工加速老化是在实验室内用各种老化箱进行老化的一类实验 方法。老化箱可以模拟并强化自然环境条件的某些老化因素，加速老 化进程，较快获得实验结果。 人工加速老化实验通常有沸水泡煎法、人工气候法和湿热老化法、 盐雾腐蚀法和霉菌试验法等。本实验采用最常用的人工气候法
人工气候实验是在人工气候箱（或室）内进行。人工气候箱也称万能老化实验箱，一般依其光源的光谱特性分为三种类型：紫外碳弧灯型、阳光碳弧灯型、氙灯型。2、通过本实验达到的目的：①了解高分子材料老化的基本概念和机理②掌握高分子材料老化的基本试验方法③了解加速老化实验的原理和复合材料服用性能评价二、实验原理用人工气候箱模拟大气环境中的光、热、氧、湿度和降雨等，其中热和光是最重要的因素。这些因素可以单独作用，也可以共同作用。对于光产生的老化，人工气候实验所用光源力求靠近紫外光并具有与太阳光能谱曲线相平行的特征。人工气候箱通常分五个组成部分：样品试验室、光源系统装置、调温调湿装置、人工降雨装置、其他辅助设备（不同试验箱的结构和配置有所不同）。人工气候实验是以模拟大气环境中的各种影响因素为主要对象。所以选择的试验条件应尽量接近于大气老化的实际条件，以期获得与大气老化相似的实验结果。同时在模拟的基础上要强化其因素的作用以缩短试验时间。大量实验已经表明，用人工气候实验方法作为聚合物基复合材料配方的筛选，评价新材料、新品种的性能和适用性是一
人工气候实验是在人工气候箱（或室）内进行。人工气候箱也称 万能老化实验箱，一般依其光源的光谱特性分为三种类型：紫外碳弧 灯型、阳光碳弧灯型、氙灯型。 2、通过本实验达到的目的： ① 了解高分子材料老化的基本概念和机理 ② 掌握高分子材料老化的基本试验方法 ③ 了解加速老化实验的原理和复合材料服用性能评价 二、实验原理 用人工气候箱模拟大气环境中的光、热、氧、湿度和降雨等，其 中热和光是最重要的因素。这些因素可以单独作用，也可以共同作用。 对于光产生的老化，人工气候实验所用光源力求靠近紫外光并具有与 太阳光能谱曲线相平行的特征。人工气候箱通常分五个组成部分：样 品试验室、光源系统装置、调温调湿装置、人工降雨装置、其他辅助 设备（不同试验箱的结构和配置有所不同）。 人工气候实验是以模拟大气环境中的各种影响因素为主要对象。 所以选择的试验条件应尽量接近于大气老化的实际条件，以期获得与 大气老化相似的实验结果。同时在模拟的基础上要强化其因素的作用 以缩短试验时间。大量实验已经表明，用人工气候实验方法作为聚合 物基复合材料配方的筛选，评价新材料、新品种的性能和适用性是一
种比较有效的手段。这里主要介绍热氧老化和光氧老化的相关原理。1、热氧老化聚合物热氧老化所发生的主要反应是以过氧基为中间体的自由基链式反应。这种反应在常温下进行缓慢，而当加热时，会使反应加速。热氧化反应也包括链引发、链增长和链终止三个基本阶段。热链引发RHR. +H.链增长R·+O2ROO.ROO. +R'HROOH+R'.ROOHRO.+.OH2ROOHRO.+ROO.+H2ORO. +R"HROH+R".ROO. +R"HROOH+R".RH+.OHR·+H20链终止2ROO.ROOR+02ROORROO.+R.R.+R'.R-R'R.+RO.(或ROO.)稳定化合物2、光氧老化聚合物复合材料在室外使用的过程中，会受到日晒雨淋而发生老
种比较有效的手段。 这里主要介绍热氧老化和光氧老化的相关原理。 1、热氧老化 聚合物热氧老化所发生的主要反应是以过氧基为中间体的自由 基链式反应。这种反应在常温下进行缓慢，而当加热时，会使反应加 速。热氧化反应也包括链引发、链增长和链终止三个基本阶段。 链引发 RH R + H 链增长 R + O2 ROO ROO + R'H ROOH + R' ROOH RO + OH 2ROOH RO + ROO + H 2O RO + R″H ROH + R″ ROO + R″H ROOH + R″ RH + OH R + H2O 链终止 2ROO ROOR + O2 ROO + R ROOR R + R' R－R' R + RO (或 ROO ) 稳定化合物 2、光氧老化 聚合物复合材料在室外使用的过程中，会受到日晒雨淋而发生老 热
化，由于日光的照射发生光氧化降解是主要原因。太阳光的波长范围是120～1200nm，其中大部分（约60%）到达地面前被空气、尘埃等吸收和反射。到达地面的少部分太阳光中，波长为300～400nm的近紫外线的能量仍然很大，达300～400kj·moll，足以是大多数化学键（250～420kj·mol1）打开，这是引起光氧老化的主要因素。除极少数聚合物能直接吸收紫外光、发生降解和交联外，许多保和聚烯烃并不吸收紫外光。降解的原因是聚合物中残留的微量过渡金属和引发剂残基，或在合成和加工过程中引入的少量羰基、和过氧化氢基团，总称为生色基团，能强烈吸收紫外光，引起光氧化降解反应。如聚丙烯中常含有痕量钛催化剂，在紫外光照下分子链中产生叔碳过氧化物。另外，聚丙烯在250～300℃加工时，表面发生热氧化，也可产生叔碳过氧化物。叔碳过氧化物进一步光分解，生成烷氧自由基和羟基自由基，然后引起大分子链的降解。pOHp.催化~~~R~~~~~~R+.OH~~~R~~~+02三、实验设备（装置）和样品1、热氧老化箱
化，由于日光的照射发生光氧化降解是主要原因。 太阳光的波长范围是 120～1200nm，其中大部分（约 60％）到达 地面前被空气、尘埃等吸收和反射。到达地面的少部分太阳光中，波 长为300～400nm 的近紫外线的能量仍然很大，达300～400kjmol－1， 足以是大多数化学键（250～420 kjmol－1）打开，这是引起光氧老化 的主要因素。 除极少数聚合物能直接吸收紫外光、发生降解和交联外，许多保 和聚烯烃并不吸收紫外光。降解的原因是聚合物中残留的微量过渡金 属和引发剂残基，或在合成和加工过程中引入的少量羰基、和过氧化 氢基团，总称为生色基团， 能强烈吸收紫外光，引起光氧化降解反 应。 如聚丙烯中常含有痕量钛催化剂，在紫外光照下分子链中产生叔 碳过氧化物。另外，聚丙烯在 250～300℃加工时，表面发生热氧化， 也可产生叔碳过氧化物。叔碳过氧化物进一步光分解，生成烷氧自由 基和羟基自由基，然后引起大分子链的降解。 O R + O2 R R ＋ OH 三、实验设备（装置）和样品 1、热氧老化箱 OOH 催化 O
热老化试验箱（以下简称试验箱）的箱体的外壳来用型钢和薄钢板构成，工作室内壳和风道等均采用不锈钢板，外壳与内壳桶有相当厚度的保温材料，加热器置于箱底，控制系统及鼓风电机安装于箱体左侧，进、出气管安装于箱体右侧。温度控制采用数字显示、数字控制PID自动调节从室温至300℃范围内可任意设定工作温度，工作时间可预置定时设定，自动恒温，箱内装有一鼓风电机，使热空气强制流经试样，促使试样在恒温条件下快速老化试验。（不同的设备结构和控制系统略有差异）LEEIVRA图1结构简图1、进气管2、加热器3、下风扳4、鼓风装置5、保温层6、调风板7、计时钟8、开关9、感温元件（铂电阻）10、控温仪表11、数显超温报警仪表12.玻棒温度计13、排气管14、试样搁板15、工作室16、换气量调节阀2、氙灯老化试验箱用氙灯作光源，模拟太阳光，可对塑料、橡胶及建材等试样
热老化试验箱(以下简称试验箱)的箱体的外壳来用型钢和薄钢板 构成，工作室内壳和风道等均采用不锈钢板，外壳与内壳桶有相当 厚度的保温材料，加热器置于箱底，控制系统及鼓风电机安装于箱 体左侧，进、出气管安装于箱体右侧。温度控制采用数字显示、数 字控制PID自动调节从室温至300℃范围内可任意设定工作温度，工 作时间可预置定时设定，自动恒温，箱内装有一鼓风电机，使热空 气强制流经试样，促使试样在恒温条件下快速老化试验。（不同的 设备结构和控制系统略有差异） 图1 结构简图 1、进气管 2、加热器 3、下风扳 4、鼓风装置 5、保温层 6、调风板 7、 计时钟 8、开关 9、感温元件(铂电阻) 10、控温仪表 11、数显超温报警仪表 12．玻棒温度计 13、排气管 14、试样搁板 15、工作室 16、换气量调节阀 2、氙灯老化试验箱 用氙灯作光源，模拟太阳光，可对塑料、橡胶及建材等试样
进行模拟日光光照人工老化试验。除光照外，通常还配备有淋雨、凝露、温度、湿度及风等5种环境因素，是较全面的综合环境试验机设备，可以将六种因素独立地或有机地组合进行不同的类型的试验。适用于对塑料、橡胶及建材等试样进行模拟日光光照人工老化试验。技术参数：1、温度范围：室温～70℃2、湿度范围：80～98%R.H3、温度波动度：土3℃4、温度均匀度：土3℃5、湿度波动度：土3%R.H6、湿度均匀度：土3%R.H7、降雨时间：0~9999分钟，连续降雨可调8、降雨周期：0～240分钟，间隔（断）降雨可调9、氙灯功率：6KW土520%波长：315nm10、样品架：1转/min360°旋转11、样品架与灯距离：300mm~375mm12、波长：290nm~400nm四、实验步骤（一）样品制备本实验以测试材料的在老化前后的拉伸强力和伸长的变化作为材料是否发生老化的判定依据。测定拉伸性能的试样，采用条状或哑铃状试样
进行模拟日光光照人工老化试验。 除光照外，通常还配备有淋雨、凝露、温度、湿度及风等 5 种环 境因素，是较全面的综合环境试验机设备，可以将六种因素独立地或 有机地组合进行不同的类型的试验。适用于对塑料、橡胶及建材等试 样进行模拟日光光照人工老化试验。 技术参数：1、温度范围：室温～70℃ 2、湿度范围：80～98%R.H 3、温 度波动度：±3℃ 4、温度均匀度：±3℃ 5、湿度波动度：±3%R.H 6、湿 度均匀度：±3%R.H 7、降雨时间：0~9999 分钟，连续降雨可调 8、降雨周期： 0～240 分钟，间隔（断）降雨可调 9、氙灯功率：6KW±520% 波长：315nm 10、 样品架：1 转/min 360o旋转 11、样品架与灯距离：300mm～375mm 12、波长： 290nm～400nm 四、实验步骤 （一）样品制备 本实验以测试材料的在老化前后的拉伸强力和伸长的变化作为 材料是否发生老化的判定依据。测定拉伸性能的试样，采用条状或哑 铃状试样
条状试样哑铃状试样试样的工作部分（表面和边缘）不应有任何缺陷和机械损伤，厚度要保持均一。每种样品或测试条件取样不少于3个。（二）实验过程1.将老化箱的各项条件如温度、时间、光强、风量等设定好，开机。温度可设定为100℃、150℃、200℃等，时间可设定为24、48、72小时等。老化箱空气置换率为3～10次/小时。待条件稳定后，将试样放入试样架上，进行老化实验。2.老化前测试试样的厚度。3．试样间的距离不小于5mm，试样与箱壁间的距离不小于70mm。4、试样放入恒温的老化箱内，即开始计算老化时间，到达规定的时间即取出。（三）表征和测试取出的试样在室温下放置2～4小时，再在拉力机或强力仪上测定试样的拉断强度和伸长。试验结果用性能百分变化率表示，计算方法如下：
条状试样 哑铃状试样 试样的工作部分（表面和边缘）不应有任何缺陷和机械损伤，厚 度要保持均一。每种样品或测试条件取样不少于 3 个。 （二）实验过程 1．将老化箱的各项条件如温度、时间、光强、风量等设定好， 开机。温度可设定为 100℃、150℃、200℃等，时间可设定为 24、48、 72 小时等。老化箱空气置换率为 3～10 次/小时。待条件稳定后，将 试样放入试样架上，进行老化实验。 2．老化前测试试样的厚度。 3．试样间的距离不小于 5mm，试样与箱壁间的距离不小于 70mm。 4、试样放入恒温的老化箱内，即开始计算老化时间，到达规定 的时间即取出。 （三）表征和测试 取出的试样在室温下放置 2～4 小时，再在拉力机或强力仪上测 定试样的拉断强度和伸长。 试验结果用性能百分变化率表示，计算方法如下：
A-0*100性能百分变化率=0式中：A一试样老化后的性能测定值0-一试样老化前的性能测定值根据性能变化百分率，判定材料的耐老化等级。30124等级外观无变化轻微变化完全变化显著变化严重变化性能变化失去原有060%百分率基本性质五、实验数据处理1．至少测试三个数据，取算术平均值。如某值误差超过10%，则舍弃，或重新试验。2．如果各个试样的厚度不一致，可以通过打磨使试样厚度一致，或将强度或伸长测试数据换算为单位厚度后进行再计算和比较
性能百分变化率 ＝ * 100 式中： A —— 试样老化后的性能测定值 O —— 试样老化前的性能测定值 根据性能变化百分率，判定材料的耐老化等级。 等级 0 1 2 3 4 外观 无变化 轻微变化 显著变化 严重变化 完全变化 性能变化 百分率 0 60% 失去原有 基本性质 五、实验数据处理 1．至少测试三个数据，取算术平均值。如某值误差超过 10％，则舍 弃，或重新试验。 2．如果各个试样的厚度不一致，可以通过打磨使试样厚度一致，或 将强度或伸长测试数据换算为单位厚度后进行再计算和比较。 O A-O
六、注意事项：1：实验样品要均匀一致，表面和边缘不应有任何缺陷和机械损伤。2．实验中要注意先将温度、时间等参数设定好，开启老化箱，待条件稳定后再将样品放入箱中进行实验。3．测试强度和伸长时，要保持每个样品的夹持距离相同。七、讨论与思考1、热氧老化和光氧老化有何不同之处？2、为何试样的表面和边缘不应有任何缺陷和机械损伤？3、老化箱为何要保持足够的空气流量？4、测试强度和伸长时，为何要保持每个样品的夹持距离相同？
六、注意事项： 1．实验样品要均匀一致，表面和边缘不应有任何缺陷和机械损伤。 2．实验中要注意先将温度、时间等参数设定好，开启老化箱，待条 件稳定后再将样品放入箱中进行实验。 3．测试强度和伸长时，要保持每个样品的夹持距离相同。 七、讨论与思考 1、热氧老化和光氧老化有何不同之处？ 2、为何试样的表面和边缘不应有任何缺陷和机械损伤？ 3、老化箱为何要保持足够的空气流量? 4、测试强度和伸长时，为何要保持每个样品的夹持距离相同？