如何驗證密封膠的加速老化和自然老化的相關性？

短波紫外光是暴露在戶外的密封劑大部分損壞的原因。水分也會造成損害，紫外線和水分之間通常存在協同效應。經驗表明，單獨抗紫外線或單獨抗濕氣的材料在同時暴露於紫外線和濕氣時通常會失效。第三個考慮因素是溫度。溫度會加快任何化學反應的速度，雖然大多數光化學反應對溫度不敏感，但任何後續的連鎖反應通常都與溫度有關。因為戶外暴露很費時間，而且每年和每個地方的天氣都不一樣，所以實驗室加速老化測試儀被廣泛用於研發、質量控製和材料認證。

本研究的目的是確定密封劑的自然老化和加速老化之間是否有任何關聯，如果有，哪種加速裝置與自然暴露最相關。

實驗性

測試樣品由ASTM委員會關於建築密封和密封劑的C-24誌願公司準備和提交。一個獨立的實驗室從參與者那裏收集樣本，選擇哪些將被暴露，並編碼，然後轉發給他們進行暴露。每個試樣由密封劑製造商根據ASTM C-793 (I)製備。樣品尺寸為5 x 1.5 x 0.125英寸。所有樣品都粘附在幹淨、裸露的3×6英寸鋁基板上。

測試的密封劑類型包括單組分和雙組分聚氨酯、聚醋酸乙烯酯膠乳、熱塑性橡膠、黑白矽酮、溶劑型丙烯酸和丙烯酸膠乳。密封劑的複製組暴露於佛羅裏達直接老化和兩個加速裝置。以下段落總結了測試條件。

自然老化

根據ASTM G-7 (2)進行室外試驗。樣品暴露在佛羅裏達州的霍姆斯特德。重複樣品暴露在45°南，開放式背麵安裝(即非絕緣)，時間間隔為6、12和18個月。

QUV老化，UVA-340燈

第二組密封劑按照ASTM G-53 (3)在QUV老化試驗機中暴露。光源是UVA-340燈。測試循環包括在65°C(149°F)下暴露於紫外線8小時，與在50°C(122°F)下冷凝4小時交替進行。樣品暴露時間分別為250、500、1000和2000小時。

QUV老化，紫外線B-313燈

第三組也在使用UVB-313燈的QUV測試儀中曝光。測試條件與上述相同。

氙弧老化

根據ASTM G-26 (4)，將最後一組密封劑暴露在Ci 65氙弧中。燃燒器使用硼矽酸鹽內部和外部過濾器，並在0.35 W/m2/nm(340nm)下操作。測試循環包括連續輻照，每2小時噴水18分鍾。黑色麵板溫度為63°C(145°F)。噴水溫度為42攝氏度(108華氏度)。

曝光變量

在每種曝光方法中，紫外線、濕氣和溫度的破壞力是不同的。對這些差異中的每一個都進行了簡要的分析，以便對測試結果中的差異有所了解。

光源

因為自然陽光中的紫外線被氣團、雲量、汙染等過濾，自然紫外線照射的量和光譜分布是非常可變的。因為在冬季，太陽在天空的位置較低，所以它被更大的氣團過濾掉了。更短、更具破壞性的紫外線波長在冬天也被過濾掉了。例如，從夏季到冬季，320 nm的紫外線強度變化約為8比1。因此，在冬季，對310 nm以下的紫外線敏感的材料即使有降解，也隻是輕微降解。

使用比自然陽光發出的紫外線波長更短(即更強)的光源是加速最常用的方法之一。然而，如果測試材料的光譜靈敏度主要在這些短波長內，結果可能不自然地嚴重，特別是與對短波紫外線不敏感的材料相比。與陽光匹配良好的光源，尤其是在短波紫外線區域，速度較慢，但可能與室外結果有更好的相關性。

QUV使用不同類型的燈，不同的光譜，用於不同的曝光應用。QUV並不試圖複製陽光本身，隻是陽光的破壞性影響。這是有效的，因為短波紫外線會對暴露在戶外的耐用材料造成幾乎所有的損害。熒光測試儀將其發射限製在光譜的紫外線部分。圖1顯示了UVA-340和UVB-313與夏季正午陽光的對比。

UVA-340於1987年引入，以改善QUV和自然老化之間的相關性。它已經在塑料和塗層上進行了測試，在許多情況下，極大地提高了與這些設備的相關性。這種燈可以很好地模擬從大約365納米到295納米截止波長的太陽光。

UVB-313是QUV廣泛使用的光源。就材料完整性和物理特性而言，它與戶外暴露具有良好的相關性。然而，低於太陽截止點的短波輸出偶爾會導致異常結果，尤其是顏色保留。

氙弧使用濾光器的組合來減少不需要的輻射。這項研究使用了最常見的組合，硼矽酸鹽內部和外部過濾器。圖2顯示了同樣的夏季陽光與帶有boro/boro濾光器的氙弧燈的對比。

潮濕

另一個變量是樣品濕潤的時間。圖3總結了不同之處。顯示的室外數據是研究期間測量的濕度時間(5)。佛羅裏達的密封劑大約45%的時間是潮濕的。QUV樣品暴露於大約33%的潮濕時間。氙弧樣品大約15%的時間是濕的。

材料在戶外遇到的大部分潮濕是以露水的形式出現的，而不是降雨。表1顯示了佛羅裏達州暴露期間一個典型月份的每日濕潤時間與降雨量的對比。

這對加速模擬具有重要意義。QUV使用相對較長(4小時)的冷凝周期來再現自然產生的水分的影響。氙弧使用短周期(18分鍾)噴水。

溫度

溫度是暴露條件中的第三個變量。加速試驗通常在高於材料正常暴露溫度的溫度下進行，但不會高到導致異常降解。這樣做是因為較高的溫度通常會加快降解速度。

佛羅裏達樣品安裝在開放式支架上(即不隔熱)；記錄的最高表麵溫度為48攝氏度(110華氏度)。在大多數實際應用中，樣品會被絕緣，導致溫度高達66°c。加速試驗的最高溫度為65°c。因此，加速試驗溫度更接近密封劑在正常使用中可能暴露的最高溫度。

當表麵開裂是一個重要因素時，熱衝擊是一個需要考慮的因素。根據暴露方法的不同，樣品會經曆不同的溫度變化率。佛羅裏達樣品的主要溫度變化在白天和夜晚之間逐漸發生。QUV樣品的變化率也是非常緩慢的，因為在一個周期變化後，室需要大約一個小時達到平衡。在水分循環開始時，將氙弧樣品暴露於直接噴水中，產生高速的溫度變化。

結果<、strong>

評估暴露的密封劑的視覺退化(開裂、點蝕等)、硬度(硬度計)和柔韌性的變化。

視覺表麵退化。暴露結果中最顯著的差異之一是微生物的生長。在佛羅裏達，除了一種密封劑外，所有密封劑都顯示出至少輕微的微生物生長。幾個顯示出顯著甚至嚴重的增長。由於顯而易見的原因，實驗室樣本沒有顯示出微生物生長的跡象。聚醋酸乙烯酯乳膠和溶劑型丙烯酸密封劑上的生長量非常嚴重，其在樣品上的存在可能實際上保護了密封劑免受進一步的紫外線照射(圖4)。

總的來說，QUV比氙弧在再現佛羅裏達州暴露的變化方麵做得更好，特別是在裂紋和點蝕方麵(圖5)。然而，許多密封劑在實驗室中出現起泡或冒泡，但在佛羅裏達卻沒有。這可能是由於暴露溫度的差異。除了熱塑性橡膠密封劑，佛羅裏達和所有實驗室測試人員的顏色變化幾乎相同。相對於佛羅裏達，加速率取決於實驗室暴露的密封劑類型。UVB-313測試顯示了最大範圍的加速率。這可能是由於不同密封劑對UVB-313在295 nm以下的短波紫外線輻射(即日光截止)的敏感度不同。UVA-340和氙弧給出了更一致的加速率結果。表2給出了每種密封劑類型和每種暴露條件下的視覺變化描述。

硬度。為了確定加速方法預測硬度變化的程度，根據AASTM D-2240 (6)在每個暴露時間間隔對每種密封劑進行肖氏A硬度計測量。表3中顯示的數據是三個讀數的平均值，重複性為2點。由於起泡，一些樣品的精確測量是不可能的。在大多數情況下，發生在佛羅裏達的變化被加速方法複製了。ASTM D-2240是一種評估老化影響的有用方法。

靈活性。根據ASTM C-793，將暴露樣品的柔韌性與未暴露對照進行比較。這種方法要求將樣品冷凍至-26°C，並繞1/2英寸的心軸彎曲。隻有一個例外，暴露樣品與未暴露對照的比較顯示沒有差異。如果暴露的樣品表現出粘附力和/或內聚力的損失，那麼對照樣品也是如此。這表明溫度，而不是暴露於老化，是這個測試中最重要的因素。我們不建議使用低溫試驗來評估老化的影響。

使用1/4英寸的心軸在室溫下重複該試驗。所有未暴露的對照樣品都通過了測試。然而，許多暴露的密封劑顯示出拉伸痕跡，表明一些內聚力的損失(圖6)。此外，熱塑性橡膠和丙烯酸乳膠密封劑中的現有裂縫被拉長。聚乙酸乙烯酯膠乳顯示出部分開裂。除了一個例外(雙組分聚氨酯)，UVA-340和UVB-313 (QUV)的結果與佛羅裏達州的結果完全一致(表4)。

相關性摘要

實驗室和自然老化之間的關係可能永遠是有爭議的。加速試驗的結果應該小心使用。事實上，不同類型的自然暴露之間的關係也是有問題的。沒有人真正知道佛羅裏達州南5區的測試圍欄與亞利桑那州或新澤西州的一年建築有何關聯。因此，即使是佛羅裏達州也隻是給出了實際服務表現的相對指標。它對實驗室設備的要求太高了。

對於老化測試儀，有許多參數必須進行編程:紫外光譜、水分、濕度、溫度和測試周期。因為沒有一個測試周期或設備可以再現不同氣候、海拔和緯度的室外所有變量，所以人們選擇的加速條件在一定程度上是任意的。為了獲得快速測試結果，加速測試人員必須經常誇大自然界中發現的自然降解力。顯著不同的材料配方可能以各種方式對這些人為的嚴重應力作出反應。因此，一般來說，不同類型的密封劑可能表現出不同的加速係數。事實上，即使在一個單獨的密封劑樣品中，所檢測的不同性質也可能有不同的加速率。

表5總結了本研究中密封劑的自然老化和加速老化之間的相關性。它不包括微生物的影響。所示的“加速率”是各種測試性能的平均值。在沒有顯示加速率的情況下，要麼是測試的性能變化不夠大，要麼是變化不夠相似，不足以得出結論。本總結僅適用於在佛羅裏達特定時間暴露的這一套特定密封劑。基於這些數據的推斷應該非常小心。

結論

基於上述工作，得出以下結論。

與佛羅裏達相比的加速測試。 盡管加速測試被廣泛用於預測產品的耐用性，但它的使用也有局限性。對於這項研究中的密封劑，最明顯的是實驗室測試無法重現在佛羅裏達看到的微生物生長。此外，實驗室設備不能再現汙染或風吹汙染物造成的退化。盡管如此，這些測試結果表明加速老化測試是一種有用的工具。總的來說，加速試驗和佛羅裏達試驗在表麵變化(即開裂、點蝕等)、柔韌性和硬度(硬度計)方麵有很好的相關性。然而，不同的通用密封劑類型表現出不同的加速係數。

QUV紫外老化試驗箱與氙燈老化試驗箱相比

密封劑產生了有些混雜的結果。在測試的八種類型中，QUV在兩種類型上給出了與佛羅裏達州的較佳相關性，氙弧在一種類型上給出了較佳結果。他們對其餘部分給出了基本相同的結果。QUV，尤其是UVB-313燈，導致密封劑比氙弧退化得更快。總之，QUV在測試陣列上給出了稍好的結果。

UVB-313與UVA 340相比。在測試的兩種密封劑中，UVA-340燈比UVB-313燈與佛羅裏達的相關性更好。對於其餘的，結果是相似的。UVA-340比UVB-313慢，但加速率(相對於密封劑類型)更一致。總之，UVA-340燈是最有用的與佛羅裏達相關或與一般不同密封劑比較的燈。UVB-313給出更快的結果，可能對持久配方或QC應用最有用。

測試方法和規範的加速暴露持續時間。這項研究的結果表明，對於大多數密封劑，現有規範和試驗方法中的暴露要求是不充分的。實際的最短暴露時間是2000-3000小時的加速測試。對於矽樹脂，5000小時可能是一個最小的數字。