如何評估紫外線抑製劑在土工布合成材料耐候老化的作用？

當我們想到土工合成材料時，我們通常會想到最終用途是將其埋在地下的材料，遠離紫外線(UV)及其對製造它們的合成聚合物的破壞作用。明顯的例外是侵蝕和沉積物控製產品，如淤泥柵欄和草皮增強墊，這些產品在材料性能退化到無法再保持或不再需要其預期功能之前，可以承受一定量的紫外線照射。土工合成材料製造商通常向用於製造土工合成材料的合成樹脂或塗料中添加穩定組分，但是這些添加劑非常昂貴，並且還會降低材料強度和其他所需的土工合成材料性能，因此通常適量使用。

暴露在紫外線下對土工合成材料的損害可以通過產品的物理外觀和材料性能的變化來證明。隨著時間的推移，一些最容易觀察到的變化是部分強度損失和材料密度損失。在分子結構水平上，300 nm和400 nm之間的紫外光譜波長似乎對破壞土工合成聚合物最具侵蝕性。

鑒於土工合成材料紫外線降解的已知影響，大多數規範機構建議這些材料不要長時間暴露在自然環境中。這種思路的一個例子是美國國家公路和運輸官員協會(AASHTO)“公路應用土工織物規範”，名稱:“M288”，建議“土工織物在鋪設後暴露在大氣中的時間最長應為14天，以最大限度地減少潛在的損壞。” 其他實例包括規定在暴露於模擬紫外線降解測試的設定小時數後強度保留的最小百分比，例如在氙弧測試(ASTM D4355)中暴露五百(500)小時後保留百分之七十(70%)的強度。

為了評估土工合成材料對模擬紫外線暴露和風化影響的穩定性，行業已經開發或采用了幾種新的和現有的測試方法，這些方法使用實時或加速暴露方案。上麵提到的ASTM D4355使用氙弧光源來提供UV光譜波長，並且還使用熱和濕氣的循環來模擬自然風化循環。另一個當前的ASTM D7238或QUV熒光紫外老化箱利用冷凝和熒光紫外光源來模擬土工膜和類似產品的風化循環。雖然這些測試方法在土工合成材料行業內被認為是有用的紫外線耐久性測量方法，但將它們與真實世界的暴露降解率相關聯是不方便的，充其量也隻是偶然的。

圖1:添加紫外線抑製劑的編織聚丙烯土工織物隨時間的紫外線降解強度損失示例

將實驗室紫外線降解試驗結果與實際現場應用聯係起來的核心問題是，全球的紫外線強度和降解率並不像實驗室那樣恒定。如果我們使用ASTM D4355的500小時紫外線降解基準作為數據，並嚐試將其與北美的現場測量值相關聯，則預計六個月至一年後，佛羅裏達州的坦帕市、華盛頓州的西雅圖市或安大略省的多倫多市將出現類似的降解，七至十年後將出現類似的降解。值得注意的是，除了紫外線，還有其他環境影響需要考慮。土工合成材料暴露於自然環境時的潛在退化機製時，會發生退化，但這超出了本技術說明的範圍。有可能比較準確地評估世界上任何給定地點的紫外線暴露水平。要做到這一點，必須既有該地點的“紅斑紫外線輻照度”數據，又有紫外線強度的日變化和季節變化的相關信息。更具體地說，輻照度信息是由衛星和地麵光源收集的，給出了地表水平紫外光譜輻射的表示。雖然這種類型的信息在確定照射到暴露的土工合成材料上的紫外光的水平和光譜方麵非常有用，但它仍必須與實驗室測試結果相關聯，才能用於確定與室外暴露率相關的土工合成材料的可指定劣化水平。

圖2顯示了在一天的1200小時(中午12:00)測量的全球紅斑紫外線輻照度水平的示例

由於本技術說明的目的是為用戶提供一些指導，使其能夠估計我們的曇卡產品在紫外線照射下的耐久性，因此我們將對實驗室測試方法和現場暴露率之間的相關性進行一些估計。ASTM D4355中使用的氙弧光源的校準輸出為350 mW/m²，ASTM D7238中使用的熒光UV光源的輸出為710 mW/m²。因此，QUV (D7238)源的強度大約是氙弧(D4355)源的兩倍，或兩倍的強度。如果我們仔細觀察2005年7月美國上空一天的紅斑UV輻照度，如圖3所示，我們可以看到美國西南部(新墨西哥州、亞利桑那州、科羅拉多州)的強度與D4355中使用的光源強度相似。同樣，美國東北部(新英格蘭)和西北部(華盛頓、俄勒岡、蒙大拿、愛達荷)的紅斑紫外線輻照度大約是D4355強度的三分之二。與D7238相對應的比例是西南地區一半，東北和西北地區三分之一。

圖3顯示的是2005年7月美國上空一天的紅斑UV輻照度

繼續實驗室紫外線降解測試和實際現場紫外線暴露率之間的相關性，我們還必須查看24小時內自然陽光的持續時間。由於地球繞其軸旋轉而導致的陽光強度的自然變化被稱為“晝夜”，是指每天重複的24小時周期。圖4顯示了一個日峰值太陽強度變化的例子，人們期望在任何給定的一天觀察到，不考慮環境變量，如雲或煙霧覆蓋，降雨，日食等。如果太陽輻照度水平是24小時內的平均值，則平均值約為24%(峰值太陽強度)。該比率將用於進一步將現場紫外線暴露率與實驗室測試相關聯。 我們還可以進一步研究影響紅斑紫外線輻射水平的一些其他變量，如雲量和/或降雨量。比如美國華盛頓州的西雅圖，每年大約經曆225個陰天，約占總時間的61%。我們可以從圖3中孤立區域的較低區域紫外線輻照度水平假設，雲量和/或降雨量可以將輻照度水平降低到峰值輻照度水平的50%左右。美國大陸的平均或平均總日照信息可從國家海洋和大氣局獲得，如圖5所示，並可用於進一步細化美國特定地區的這一百分比。該比率還將用於進一步將現場紫外線暴露率與實驗室測試相關聯。

圖4:日峰值陽光輻照度曲線示例 

相關過程的下一步是考慮我們已經討論過的特定環境因素，並將現場觀察與實驗室測試方法聯係起來。我們必須記住，行業標準是報告土工合成產品的MARV(最小平均滾動值)強度百分比。對於土工合成材料，通常以500小時為基準進行報告。根據ASTM D4355實驗室測試方法計算的500小時暴露的紫外線輻照度水平為175，000 mW*hr/m²，而ASTM D7238為355，000 mW*hr/m²。然後，我們必須結合近似的地區環境因素，得出暴露在室外環境中的土工合成材料的類似輻照度暴露水平。 這些地區特有的因素也是紅斑紫外線輻照度；日照晝夜變化；和平均日照百分率。表1顯示了十一(11)個選定美國城市的綜合數據，並總結了與500小時實驗室測試結果相關的近似暴露時間跨度。列表近似值的結果表明，500小時氙弧紫外線測試大約需要半年到兩年的野外暴露時間，而要達到QUV測試中達到的相同紫外線輻照度水平，則需要大約兩倍的時間，即野外1到4年。

圖5顯示美國大陸的平均或平均總日照信息 

表1:ASTM D4355和D7238 500小時實驗室測試的等效室外紫外線輻照度。

從這500小時的暴露比較中，我們可以推測，相對於不含抑製劑的土工合成材料(即原始HDPE、PP、PET等)，添加了紫外線抑製劑的土工合成材料對紫外線輻照的降解效果具有相當的抵抗力。我們認為理所當然的另一點是，在其他條件相同的情況下，編織土工布比非編織土工布更能抵抗紫外線降解，因為其紗線的橫截麵積更大。穩定的PP紗線和長絲也比未塗覆的PET紗線更耐紫外線輻射，這從它們在500小時紫外線輻射暴露下的MARV強度保持率中得到證明:70% PP為90%；寵物50%。根據較佳行業建議，我們建議我們的曇卡土工合成產品暴露在自然環境中的時間不要超過14天，如AASHTO M288所規定，除非其特定應用需要持續暴露在室外，如淤泥柵欄、沉積物控製、侵蝕控製、包裹麵MSE牆或RSS飾麵等