戶外紡織品耐候老化測試

1 前言

紡織品種類繁多，除包括衣服、布料等普通紡織品，還包括一些戶外紡織品，如帳篷、雨布、遮陽傘、戶外服裝、產業用布和罩類等。對于戶外紡織品，不只光照會對它們發生作用，水與高溫等也會對它們發生作用。所以，在設計加速老化測試條件時需要模擬戶外應用條件。戶外紡織品的材料不僅有植物纖維，還包括聚酯與涂層等。為了研究戶外紡織品的耐候老化性能，針對7種不同的傘用紡織面料進行QUV加速老化試驗和在甘肅敦煌、海南萬寧、浙江杭州進行的戶外暴曬試驗。

2 試驗

2.1 耐候老化測試原理

耐候老化損害主要由3個因素引起：光照、溫度和濕度。這3個因素中的任何一個都會引起材料老化，它們的共同作用大于其中任一因素造成的傷害。

2.1.1 光照

高分子材料的化學鍵對于太陽光中不同波段光線的敏感性不同，一般對應一個閾值，太陽光的短波段紫外線是引起大部分聚合物物理性能老化的主要原因，如C-N(碳-氮)鍵的作用閾值是393nm。然而，長波段紫外線甚至可見光也會對某些染料和顏料產生破壞，造成變色和褪色。

2.1.2 溫度

溫度越高，化學反應速度越快，老化反應是一種光致化學反應，溫度不影響光致化學反應中的光致反應速度，卻影響后繼的化學反應速度。因此溫度對材料老化的影響往往是非線性的。

2.1.3 濕度

水會直接參與材料老化反應。相對濕度、露水和雨水等是自然界中水的幾個主要形態。研究表明，戶外材料每天都將長時間處于潮濕狀態(平均每天長達8~12h)。而露水是戶外潮濕的主要原因。露水造成的危害比雨水大，因為它附著在材料上的時間更長，形成的潮濕侵蝕更為嚴酷。

2.2 試驗方案

為了研究戶外紡織品的耐候老化性能進行對比試驗，選取了7種傘用紡織面料作為試樣;實驗室加速老化試驗使用QUV紫外試驗機，戶外暴曬試驗地點選擇甘肅敦煌、海南萬寧和浙江杭州。

2.3 試樣

本試驗一共選取了7種傘用紡織面料，分別是碰擊布、素色丁-A、錦綸、素色丁-B、變色龍、牛津布和滌素。試樣由杭州天堂傘業集團有限公司提供均為白色。由于每種試樣要進行4個試驗、6次性能測定、4種破壞性評估項目、每次評估5個重復樣取平均值，每種樣品準備了480個重復樣。

2.4 試驗儀器

QUV紫外老化試驗機利用熒光紫外線燈來模擬太陽光對耐久性材料造成的傷害。對于不同的應用條件，需要不同類型的燈管產生不同的光譜。UVA-340燈管對太陽光的紫外短波段光線模擬效果好。UVA-340的光譜能量分布(SPD)在太陽光的截止點到大約360nm范圍內與太陽光譜能夠很好地吻合(見圖1)

圖1 UVA-340光譜與夏天正午太陽光譜比較

UVA-340燈管對太陽光紫外短波段的模擬效果是較好的。UVB-313燈管利用紫外線的短波段達到最快加速老化的目的，對特別經久耐用材料的檢定或品質控制非常有用。

QUV通過冷凝功能來模擬露水對材料的破壞作用。用加熱QUV測試室底部的水盤產生水蒸氣。QUV中，試樣實際上形成測試室的側壁，試樣的另一面暴露在室內周圍的空氣中;室內相對較冷的空氣就使得試樣表面比測試室內熱蒸汽的溫度低好幾度。這一溫度差會產生冷凝，使試樣表面液態形式的水逐漸凝結。除了標準的冷凝功能，形成凝露的機理也與戶外露水的產生機理類似，QUV還可用水噴淋模擬雨水影響，產生熱沖擊或機械侵蝕。

需要特別指出的是，只有QUV紫外試驗機具有冷凝功能。前面已指出，戶外材料每天都將長時間處于潮濕狀態(平均每天長達8~12h)。而露水是戶外潮濕的主要原因，所以戶外產品必須能抵抗潮濕的影響。QUV以其獨特的設計，真實模擬了露水對戶外產品的影響。

2.5 試驗條件

2.5.1 實驗室加速老化試驗條件

通過對QUV紫外試驗機測試機理的描述可知，QUV的紫外光照很好的模擬了太陽光中的短波紫外線對織物和涂層的破壞，而QUV的冷凝循環可較好地模擬戶外露水對材料造成的破壞作用，而且QUV還可用水噴淋模擬雨水對材料產生熱沖擊或機械腐蝕。

所以選擇GB/T 31899-2015《紡織品 耐候性試驗 紫外光暴曬》中的試驗條件1。具體的單循環試驗條件見表1。按此條件一共測試300h。

2.5.2 戶外暴曬試驗條件

戶外暴曬試驗選擇了3個暴曬地點，分別是甘肅敦煌(沙漠氣候條件)、海南萬寧(亞熱帶氣候條件)和浙江杭州(城市濕地氣候條件)。戶外暴曬采用無背板直接連續暴曬，45℃朝南。一共暴曬6個月。

2.6 操作過程

在試驗過程中，不但測試試樣顏色的變化，而且測試試樣的撕破強力(經向、緯向)和斷裂強力(經向、緯向)。

QUV加速老化試驗一共測試300h，每50h對試樣進行評估;戶外暴曬試驗一共暴曬6個月，每1個月對試樣進行評估。

3 結果與討論

3.1 試樣顏色的變化

試樣的顏色變化參照ASTM D2244，選用CIE L*a*b*色空間，D65光源、10°觀察者和鏡面反射包含條件進行測定。不管是QUV加速老化試驗，還是戶外暴曬試驗，大部分試樣的顏色變化都非常明顯。所有試樣的顏色變化見圖2。

3.2 分析與討論

QUV加速老化試驗與戶外暴曬試驗之間的相關性研究可參考ASTM G 169中的sperman排序方法，相關系數(rs)指的是利用兩種不同的測試方法對一組樣品進行測試，所得試驗結果之間的相關性。相關系數(rs)的計算公式為：

式中：

N——樣品的個數

Di——兩列排序中每一組排位數之間的差值

不管是QUV加速老化試驗還是戶外暴曬試驗，都按照顏色變色ΔE*的數值從小到大進行排序。根據相關系數(rs)的計算公式，得到試樣顏色變化的QUV加速老化試驗與戶外暴曬試驗之間的相關性。相關系數見表2。

除了spearman排序方法，還可以用“通過/失效”(pass/fail)方法來分析QUV加速老化試驗與戶外暴曬試驗之間的相關性。如果以ΔE*<5.0作為“通過”，以ΔE*>5.0作為“失效”。QUV加速老化試驗的結果見表3。比較QUV加速老化試驗與戶外暴曬試驗試樣顏色變化的“通過/失效”，得到相關性見表4。從表2和表4可以看出對于試樣顏色的變化，QUV加速老化試驗與戶外暴曬試驗之間的相關性較好。不過本試驗用的7種試樣都為白色，在以后的試驗中也要考慮不同顏色的試樣。

3.3 試樣強力的變化

參照GB/T 3917.1測試試樣的撕破強力，分別測試經向撕破強力和緯向撕破強力;參照GB/T 3923.1測試試樣的斷裂強力，分別測試經向斷裂強力和緯向斷裂強力。對于大部分試樣，不管是QUV加速老化試驗還是戶外暴曬試驗，試樣的強力變化都非常明顯。不過試樣的經向撕破強力、緯向撕破強力、經向斷裂強力和緯向斷裂強力這4個指標的強力變化差別不大(見圖3)。所以本文重點討論經向斷裂強力。

對于試樣的經向斷裂強力保持率見圖4.

對于試樣的經向斷裂強力保持率，使用“通過/失效”(pass/fail)方法來分析QUV加速老化試驗與戶外暴曬試驗之間的相關性。如果以強力保持率>50%作為“通過”，以強力保持率<50%作為“失效”。QUV加速老化的試驗結果見表5。

比較QUV加速老化試驗與戶外暴曬試驗的試樣強力保持率的“通過/失效”(pass/fail)，得到相關性(見表6)。

從以上數據可看到，不管是QUV加速老化試驗還是戶外暴曬試驗，試樣的強力下降都很明顯。雖然這樣是很難比較兩者之間的相關性的，也很難對材料進行篩選。但是這也可能是一種有效的產品研發試驗。

4 結論

老化測試有幾種類型或測試目的，圖如材料篩選、材料認證和材料壽命預測。

在本試驗中，對于材料的篩選，可能不需要戶外暴曬3個月的時間。而實驗室加速測試可通過提高輻照度等試驗條件快速得到結果。

對于材料認證，因為所有試樣在戶外暴曬中都快速退化，所以客戶首要解決的問題是研發新材料，使其耐戶外暴曬3個月以上，如材料的強力保持率在戶外暴曬3個月后大于80%。在新材料耐戶外暴曬3個月以上的基礎上，再進行實驗室加速測試，找到合適的測試條件，使其與戶外暴曬的相關性較好。

對于材料壽命預測，也就是大家普遍關心的加速因子，即實驗室測試多少小時相當于戶外暴曬幾個月的問題。本試驗沒有足夠的試驗數據找到實驗室加速測試與戶外暴曬之間的相關性，而且沒必要預測材料的使用壽命，因為“通過/失效”(pass/fail)數據已能說明材料的使用性能。