塑料零部件耐久性评估的紫外老化测试关键步骤

塑料零部件因轻量化、易加工等优势广泛应用于汽车、建筑、电子等领域，但户外环境中的紫外线（UV）辐射会引发聚合物分子链断裂、降解，导致外观劣化、力学性能下降甚至功能失效。紫外老化测试作为评估塑料耐久性的核心手段，通过模拟户外UV辐射、温度、湿度等条件，可快速预测零部件的使用寿命，其结果直接指导材料配方优化与产品设计。本文聚焦塑料零部件耐久性评估中紫外老化测试的关键步骤，从试样制备到结果验证，拆解每一步的技术要点与注意事项，为企业确保产品可靠性提供实操指南。

试样制备：确保代表性与初始状态一致性

试样是测试结果的基础，需优先保证与实际零部件的“同质性”。若零部件为复杂形状（如汽车保险杠），应选取应力集中或直接暴露的部位（如表面曲率较大处、无涂装区域）制备试样；若为平板类零部件（如建筑遮阳板），可按标准要求切割为100mm×100mm×2mm的矩形试样，但需保留原始表面状态（如注塑纹理、涂装层）。

尺寸精度也需控制：例如ASTM G154要求试样厚度偏差不超过0.1mm，避免厚度不均导致辐照吸收差异。此外，试样需进行状态调节——按ISO 291标准在23℃、50%RH环境中放置48小时，消除加工残留应力与水分，确保测试初始状态一致，避免因初始应力导致的早期开裂干扰结果。

对于含有添加剂（如抗氧剂、UV稳定剂）的塑料，试样需避免在制备过程中受热降解：例如切割时采用水冷式切割机，防止摩擦热引发添加剂分解，影响老化行为的真实性。

测试标准选择：匹配应用场景的“规则手册”

紫外老化测试的标准需基于零部件的实际使用环境选择。常用标准包括ISO 4892系列（分为3个部分，对应不同光源与条件）、ASTM G154（荧光紫外灯老化）、SAE J2020（汽车外饰件紫外老化）。例如，汽车外饰件（如保险杠、后视镜外壳）需符合SAE J2020，该标准模拟北美夏季的户外条件——UVA-340灯源、黑板温度（BPT）65℃、18分钟/102分钟喷淋周期；而建筑用塑料（如PVC门窗）更适合ISO 4892-3，其UVA-351灯源更接近透过玻璃的阳光UV光谱。

选择标准时需注意“参数匹配”：若零部件应用于热带地区（如东南亚），应选择更高的黑板温度（如80℃）；若应用于多雨地区，需增加喷淋频率（如12分钟/108分钟）。避免盲目采用“最严格”标准，否则可能导致测试结果过于保守，增加材料成本。

设备参数设置：模拟真实环境的“核心变量”

紫外老化试验箱的参数设置直接决定模拟的真实性。首先是灯型选择：UVA-340灯的光谱在300-400nm范围内与户外阳光的UV部分高度吻合，适用于大多数户外应用；UVB-313灯含更多短波长UV（300-315nm），降解速度更快，但可能过度模拟，仅适用于评估材料的“极端耐候性”（如沙漠地区）。

辐照度控制是关键：例如UVA-340灯通常设置为0.89W/m²@340nm（对应户外正午阳光的UV辐照度），需用辐照度计定期校准（每300小时一次），避免灯衰老导致辐照度下降；黑板温度（BPT）需根据应用环境设定，如汽车外饰件设为65℃（模拟夏季车身表面温度），电子零部件设为50℃（避免高温影响内部电路）。

喷淋系统需模拟户外露水或雨水：常用周期为“18分钟喷淋+102分钟干燥”，喷淋水需为去离子水（电导率≤10μS/cm），避免水中矿物质在试样表面沉积，影响UV吸收。需定期检查喷淋头的出水均匀性，防止局部试样过度润湿。

老化周期设计：从加速到实际的“时间换算”

老化周期需基于“累积辐照量”计算：户外环境中，不同地区的年UV辐照量差异较大（如三亚约为1200MJ/m²，哈尔滨约为500MJ/m²），需先确定零部件的目标使用地区，查取该地区的年UV辐照量（可参考气象数据或耐候性数据库）。例如，目标使用5年的汽车保险杠，三亚地区的总辐照量为1200×5=6000MJ/m²，若加速试验的辐照度为0.89W/m²@340nm（即3.204MJ/m²/小时），则所需测试时间为6000/3.204≈1873小时。

检测间隔需覆盖“性能变化关键点”：例如每100小时检测一次外观（色差、裂纹），每200小时检测一次力学性能（拉伸强度），避免错过“拐点”（如拉伸强度从稳定到快速下降的时间点）。需注意，加速倍数不宜过高（通常不超过10倍），否则会导致降解机制改变（如快速热氧降解掩盖UV降解），结果失去相关性。

性能检测指标：从外观到功能的“全面评估”

外观劣化是最直观的老化表现：需检测色差（用CIE L*a*b*体系测ΔE，通常ΔE>3视为明显变色）、粉化（用胶带法测粉化等级，0级为无粉化，5级为严重粉化）、裂纹（用放大镜（10×）目视检查，记录裂纹的长度、数量）。例如，汽车保险杠的ΔE需≤5（行业要求），否则会影响整车外观。

力学性能下降是功能失效的核心原因：需检测拉伸强度（按ISO 527）、冲击强度（按ISO 179）、断裂伸长率，例如聚丙烯（PP）保险杠老化后，拉伸强度可能从30MPa下降至15MPa，冲击强度从5kJ/m²下降至1kJ/m²，导致碰撞时易断裂。

功能性指标需匹配零部件的用途：例如电子设备的塑料外壳需检测绝缘电阻（按IEC 60093），避免老化后绝缘性能下降引发短路；建筑密封条需检测压缩永久变形（按ISO 815），避免老化后失去弹性，导致门窗漏风。

试样放置与监控：避免“无效测试”的关键

试样在试验箱中的位置需确保“均匀辐照”：需放置在距离灯源中心±10cm范围内，避免边缘位置因辐照度不均导致结果偏差；试样之间需保持≥2cm的间距，防止彼此遮挡。对于带曲面的试样（如汽车后视镜外壳），需用支架固定，确保曲面的凸面朝向灯源，模拟实际使用中的受照方向。

测试过程中需定期监控设备参数：每24小时检查一次辐照度（用辐照度计测3个不同位置）、黑板温度（用热电偶测）、喷淋系统（观察出水流量）。若辐照度下降超过10%，需更换紫外灯；若温度波动超过±2℃，需校准加热系统。需记录所有异常情况（如设备停机、灯更换），避免后期数据解读时遗漏变量。

数据记录与分析：从数值到结论的“桥梁”

数据记录需“全维度”：每次检测需记录测试时间、设备参数（辐照度、温度、喷淋周期）、试样编号、性能指标（如ΔE=2.1，拉伸强度=28MPa）、外观描述（如“表面无裂纹，轻微失光”）。需使用电子表格（如Excel）整理数据，标注平行试样的数值（如试样1：28MPa，试样2：27MPa，试样3：29MPa，平均值：28MPa）。

趋势分析需“可视化”：用折线图展示性能指标随时间的变化（如拉伸强度 vs 测试时间），用柱状图展示平行试样的差异（如3个试样的ΔE值）。需关注“拐点”：例如拉伸强度在800小时后从28MPa快速下降至20MPa，说明此时聚合物降解进入“加速阶段”，需优化材料配方（如增加UV稳定剂含量）。

重复性验证需“统计化”：计算平行试样的变异系数（CV=标准偏差/平均值×100%），若CV>5%，需重新测试（如更换试样或检查设备），避免偶然误差影响结果。例如3个试样的拉伸强度为28、27、29MPa，标准偏差为1，CV=3.57%，符合要求（通常CV≤10%）。

结果验证：从实验室到户外的“相关性确认”

加速老化测试的结果需与“户外暴露测试”对比：例如将同一批试样分为两组，一组进行加速老化（1000小时），另一组进行户外暴露（2年），检测两组的性能指标（如ΔE、拉伸强度）。若加速组的ΔE=3.2，户外组的ΔE=3.5，说明两者相关性良好（误差≤10%），加速测试结果有效；若加速组的ΔE=5.0，户外组的ΔE=2.0，说明加速条件过于激进（如辐照度过高），需调整参数（如降低辐照度至0.6W/m²@340nm）。

需建立“相关性模型”：例如加速测试时间（H）与户外暴露时间（Y）的关系为Y=H×0.002（即加速1000小时对应户外2年），需定期更新模型（每2年收集一次户外暴露数据），确保其准确性。例如新批次材料的加速1000小时结果与户外2年结果的ΔE差异从0.3扩大至0.8，需重新校准模型。