一种模拟气候环境的高分子材料氙灯加速老化试验的设计方法与流程

本发明涉及一种氙灯加速老化试验的设计方法，具体是指一种模拟气候环境的高分子材料氙灯加速老化试验的设计方法。
背景技术：
：高分子材料在使用或贮存过程中由于受到环境的影响，如光、热、氧、潮湿、应力、化学浸蚀等，其性能会劣化或丧失，这种现象被称作高分子材料的老化。氙灯加速老化试验是研究高分子材料的老化行为的重要试验手段，广泛应用于各种高分子材料的老化试验与研究。在现有的氙灯加速老化试验标准中，如gb/t1865-2009、iso11341-2004和sae-j2527-2004等，有的可以针对不同的材料及产品提供有区别的试验方法，却少有针对不同气候环境特点的加速老化试验标准。而材料及产品在实际使用中，由于使用地区气候条件的差异，其老化行为与失效形式有较大的差异。现有的研究及测试标准很难反应不同地区的气候环境条件差异造成的材料老化差异，也很难预测材料及产品在不同气候环境下的服役寿命差异。因此，针对特定地区、特定气候环境条件，设计独特的氙灯加速老化试验方法，可以使材料或产品在加速老化试验过程最大程度的接近特定气候环境，对研究特殊气候环境中材料的老化机理及失效行为，准确预测材料及产品的使用寿命，分析比较不同气候环境下材料老化差异，设计针对性防护方案等方面都有着重要的作用。技术实现要素：本发明的目的是提供一种模拟气候环境的高分子材料氙灯加速老化试验的设计方法，该方法适用于高分子材料老化试验。本发明的上述目的通过如下的技术方案来实现的：一种模拟气候环境的高分子材料氙灯加速老化试验的设计方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：步骤(1)：对待进行高分子材料老化试验测试的某一地区的气候环境条件进行监测和分析，得到该地区影响高分子材料老化的主要气候环境条件，该主要气候环境条件包括太阳辐照、太阳光谱、平均温度、黑板温度和相对湿度数据，监测时间不短于3年，对数据的分析包含各项数据的最高值、最低值和平均值；步骤(2)：根据该地区的气候环境条件数据，采用近似于该地区的气候环境数据的原则来设计氙灯加速老化试验参数，氙灯加速老化试验参数包括滤光镜组合、辐照强度、黑板温度、相对湿度、箱体温度和光照喷淋周期，其中，滤光镜组合设置为至少三组，获得多幅氙灯光源光谱，选取获得的氙灯光源光谱与太阳光谱最相近的一组滤光镜组合作为试验用滤光镜组合；辐照强度应不高于大气太阳辐照强度的最高值；黑板温度与气候环境温度的差值在±5℃之间；相对湿度与气候环境湿度的相对差在±10％之间；箱体温度与大气平均温度的差值在±5℃之间；光照喷淋周期应当在该地区的气候环境类型属于湿热环境时选择光照和喷水的组合，该湿热环境依据gbt4797.1-2005中的湿热环境条件进行判断；设计完成氙灯加速老化试验参数，得到一组基础试验参数；确定基础试验参数后，再对基础试验参数的各种参数进行变化，共设计至少三组试验参数；步骤(3)：选择一种与待测试的高分子材料的结构性质相似的材料作为参考材料，根据步骤(2)获得的试验参数分别在氙灯照射下对参考材料进行氙灯加速老化试验，获得参考材料的氙灯加速老化试验的数据；步骤(4)：在该地区气候环境条件条件下，按照《gb/t3681-2000》标准开展参考材料的自然大气暴露试验，自然大气暴露试验的试验时间为1到3年，依据材料的老化速度选择试验时间，试验期间取样测试次数不少于12次，获得参考材料的自然大气暴露试验的数据；步骤(5)：对比步骤(4)获得的参考材料的自然大气暴露试验和步骤(3)获得的参考材料的氙灯加速老化试验的数据，确定与自然大气暴露试验相关性最好的氙灯加速老化试验条件，该相关性最好的氙灯加速老化试验条件用于对待进行老化试验测试的高分子材料进行氙灯加速老化试验。本发明的设计方法，包括(1)氙灯加速老化试验参数设定的原则和依据；(2)氙灯加速老化试验方法的合理性判断方法，该方法适用于高分子材料老化试验。本发明中，所述步骤(1)中，对太阳光谱采用光线光谱仪进行测量，记录340nm波长处的太阳辐射强度。本发明中，所述步骤(1)中的太阳辐照、平均温度和相对湿度数据采用实地监测数据，或者采用来源于国家气象部门发布的权威气象数据。本发明中，所述步骤(5)中，将步骤(3)中参考材料的氙灯加速老化试验和步骤(4)中自然大气暴露试验的相关性对比，具体包括以下步骤：(5.1)以总辐照量或紫外辐照量为横坐标，参考材料的拉伸强度、冲击强度、黄色指数或色差性能为横坐标，利用获得的自然大气暴露试验和多组氙灯加速老化试验的试验数据作图；(52)对比参考材料在自然大气暴露试验和多组氙灯加速老化试验的性能变化曲线，与自然大气暴露试验性能变化曲线最接近的一组氙灯加速老化试验为相关性最高，与自然大气暴露试验相关性最高的试验方法即选取为模拟该地区气候环境的氙灯加速老化试验方法；(53)如果自然大气暴露试验与已设计的氙灯加速老化试验的相关性都不好，则依据所述步骤(2)中的方法再设计多组的试验参数，要求各组试验参数与设计氙灯加速老化试验不同，且组数应多于已设计的氙灯加速老化试验组数，重复步骤(3)，再次开展对参考材料的氙灯加速老化试验，并依据所述步骤(51)和(52)中的方法确定和自然大气暴露试验相关性最好的氙灯加速老化试验参数，最终获得模拟该地区气候环境的氙灯加速老化试验方法。与现有技术相比，本发明具有如下优点：(1)通过本方法设计的氙灯加速老化试验方法，能够反应某一地区特殊的气候环境条件，其老化试验结果能够最好的预测材料或产品在特定使用地区的自然老化情况。(2)通过本方法，获得针对某一特定地区的人工和自然老化加速因子，能够更加准确预测材料或产品在特定使用地区的使用寿命。(3)在不同地区使用本方法设计的氙灯加速老化试验方法，能够更好的比较地域环境差异对材料老化产品的不同影响，可以为针对特殊环境设计的防老化措施提供技术参考和设计依据。附图说明下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的详细说明。图1是采用本发明的方法对海南琼海试验场45度角方向的太阳光谱图；图2是采用本发明的方法设计的三种氙灯加速老化试验与琼海自然大气暴露试验，应用聚苯乙烯(ps)作为参考材料进行验证试验的色差变化图。具体实施方式应用本发明的方法设计模拟工程塑料pc在海南琼海环境的氙灯加速老化试验方法，也可以用于一般工程塑料如ps、pvc等在海南琼海耐候性的氙灯加速老化试验，具体步骤如下：(1)对海南琼海的气候环境条件进行统计分析，得到该地区影响高分子材料老化的主要气候环境条件：辐射强度、辐射量、太阳光谱、环境温度、黑板温度和环境湿度，太阳光谱如图1所示，其余环境参数如表1所示。表1：海南琼海的环境参数(2)根据上述环境参数设计三种氙灯加速老化试验方法，反应四个因素三种水平，具体过程如下：根据海南琼海的气候环境条件数据，采用近似于该地区的气候环境数据的原则来设计氙灯加速老化试验参数，氙灯加速老化试验参数包括滤光镜组合、辐照强度、黑板温度、相对湿度、箱体温度和光照喷淋周期，其中，滤光镜组合设置为三组，获得多幅氙灯光源光谱，选取获得的氙灯光源光谱与太阳光谱最相近的一组滤光镜组合作为试验用滤光镜组合；辐照强度应不高于大气太阳辐照强度的最高值；黑板温度与气候环境温度的差值在±5℃之间；相对湿度与气候环境湿度的相对差在±10％之间；箱体温度与大气平均温度的差值在±5℃之间；光照喷淋周期应当在该地区的气候环境类型属于湿热环境时选择光照和喷水的组合，该湿热环境依据gbt4797.1-2005中的湿热环境条件进行判断；设计完成氙灯加速老化试验参数，得到一组基础试验参数为a组；确定基础试验参数后，再对基础试验参数的各种参数进行变化，共设计三组试验参数，如表2所示的a组、b组和c组，对基础试验参数的各种参数的增幅和减幅可以由实验者自行设置，比如温度增减幅度可以以5℃或10℃的幅度或增减，相对湿度的增减幅度可以以5％或10％的幅度或增减，试验参数也可以多设置几组，至少三组：表2：氙灯加速老化试验参数(3)选择聚苯乙烯(ps)作为参考材料开展自然大气暴露试验和三种氙灯加速老化试验，获得ps材料的氙灯加速老化试验的数据以及ps材料的自然大气暴露试验的数据，ps材料的色差随紫外辐照量增加的变化如图2所示。参考材料的选择应当与待考察高分子材料的结构性质相似，而且具有老化特性稳定，性能变化明显，老化时间适宜的特点。(4)：对比获得的ps材料的自然大气暴露试验和氙灯加速老化试验的数据，确定与自然大气暴露试验相关性最好的氙灯加速老化试验条件，该相关性最好的氙灯加速老化试验条件用于对待进行老化试验测试的高分子材料进行氙灯加速老化试验。其中，确定ps材料的氙灯加速老化试验和自然大气暴露试验的相关性对比，具体包括以下步骤：(a)以总辐照量或紫外辐照量为横坐标，ps材料的拉伸强度、冲击强度、黄色指数或色差性能为横坐标，利用获得的自然大气暴露试验和多组氙灯加速老化试验的试验数据作图；(b)对比ps材料在自然大气暴露试验和多组氙灯加速老化试验的性能变化曲线，与自然大气暴露试验性能变化曲线最接近的一组氙灯加速老化试验为相关性最高，与自然大气暴露试验相关性最高的试验方法即选取为模拟该地区气候环境的氙灯加速老化试验方法；(c)如果自然大气暴露试验与已设计的氙灯加速老化试验的相关性都不好，则依据所述步骤(2)中的方法再设计多组的试验参数，要求各组试验参数与设计氙灯加速老化试验不同，且组数应多于已设计的氙灯加速老化试验组数，重复步骤(3)，再次开展对ps材料的氙灯加速老化试验，并依据所述步骤(51)和(52)中的方法确定和自然大气暴露试验相关性最好的氙灯加速老化试验参数，最终获得模拟该地区气候环境的氙灯加速老化试验方法。从图2中的ps材料自然老化和三种氙灯加速老化数据拟合的直线斜率比较如表3所示。表3：自然试验和三种加速方法的结果拟合分析试验类型自然暴露加速方法a加速方法b加速方法c拟合曲线斜率0.11290.11670.20650.1199三种氙灯加速老化试验和自然老化试验结果的离散型分析如表4所示。表4：从三种方法所得结果与自然试验结果的离散性分析方法a方法b方法c方差0.1618.040.24协方差8.9619.459.21差的平方的均值7.221335.48340.19从表4可以看出，方法a与自然老化相关性最好，因此方法a即为模拟琼海气候环境的氙灯加速老化试验方法。本实施例的模拟琼海气候环境的氙灯加速老化试验设计方法同样可以应用于设计模拟其它地区气候环境的氙灯加速老化试验，其设计方法与本实施例相同。本发明的上述实施例并不是对本发明保护范围的限定，本发明的实施方式不限于此，凡此种种根据本发明的上述内容，按照本领域的普通技术知识和惯用手段，在不脱离本发明上述基本技术思想前提下，对本发明上述结构做出的其它多种形式的修改、替换或变更，均应落在本发明的保护范围之内。当前第1页12