使用QUV紫外光加速老化試驗箱對馬來西亞熱帶木材進行老化測試

發布於：2022-09-08

摘要

自20世紀40年代以來，加速老化測試作為一種工具，以更快的速度解釋了老化的本質，這方麵的曆史已有記載。加速老化試驗有多種方法，即循環煮沸幹燥試驗、自動煮沸試驗和QUV人工加速老化測試。QUV紫外光加速老化試驗箱給出了材料如何在合理的時間範圍內在長期暴露環境中降解的信息。此外，QUV老化箱采用真實太陽輻射模擬波長。因此，加速老化測試在木材工業中的應用確實為製造商提供了快速響應，以改進其木材產品的長期使用。本文使用QUV模擬自然老化的加速老化試驗用於確定馬來西亞熱帶木材在長期環境暴露中的長期適用性。

介紹

在過去的幾十年裏，木材在結構上的應用越來越多，這極大地促進了木材工業研究數量的快速增長。由於木材製造業的目標是生產長期使用的結構產品，因此有必要對木材老化進行研究，以加強木材的正確選擇，促進木材保護，並提供有價值的木材最終產品。老化是由於暴露的木材在化學、機械和光能的複雜組合下緩慢降解而發生的。人們對木材老化的影響因素進行了大量的研究。一般來說，光照、高溫和潮濕對木材老化造成一定的影響。當暴露在室外環境或空調室內以及高濕度條件下時，用作結構部件的木材需要具有良好的承受環境影響的能力。當木材暴露在室外環境中時，這將有助於其表麵在自然老化過程中發生光氧化或光化學降解。除了表麵退化，老化還會導致機械應力和物理變化。Williams報道了太陽光譜的紫外線(UV)部分對木材性質的影響，例如黴菌生長、龜裂、開裂和翹曲如圖1所示。

圖1模擬木材100年的老化情況&圖2在QUV中進行馬來西亞熱帶木材老化測試

自20世紀40年代以來，已經進行了一個世紀的木材老化分析已經從自然老化測試迅速發展到接受人工老化測試，或更好地稱為加速老化測試。盡管自然老化測試提供了真實的暴露，並最終以低廉的成本提供了木材老化的真實結果，但是將自然老化測試的分析發展為加速老化測試是因為自然老化測試可能是耗時的。

盡管自然老化測試提供了真實的暴露，並最終以低廉的成本提供了木材老化的真實結果，但是將自然老化測試的分析發展為加速老化測試是因為自然老化測試可能是耗時的。為了確定馬來西亞熱帶木材產品的使用壽命，木材需要暴露在長期環境中。標準中規定了許多用於評估人造板物理和機械性能的加速老化測試方法，如ASTM D 1037-93中的循環煮沸-幹燥(CBD)，ASTM D 3434-2006 中的自動煮沸測試，以及操作熒光紫外(UV)燈裝置或更好符合ASTM G154測試標準要求的QUV耐候老化試驗箱。

耐久性:加速老化測試

耐久性是指材料在較長時間內承受環境壓力的能力。建築物、組件、部件、產品、元件或結構的耐久性可視為該物體在設計的操作條件下，在規定的時間內提供和維持可接受性能的能力。加速老化試驗最大限度地提高了老化因素(如熱量和濕度)對收縮和膨脹應力的影響，這些因素會影響產品的物理和機械變化。

進行加速老化測試有三個主要目的，首先，在方便的短時間內建立材料在物理和機械耐久性方麵的相對等級；其次，評估材料係統在預期使用條件下的潛在長期適用性；第三，加速老化測試能夠加速實驗室中的退化過程。Lee、Pourdeyhimi和Martin研究了標準老化試驗方法，結果表明，準確了解暴露材料的形態變化至關重要。這種評估對於防止對老化效應和材料耐久性的誤解非常重要。

Sanberg和Soderstrom回顧了大量的研究工作，這些工作集中在老化效應的六個方麵。老化作用有顏色變化、木材侵蝕、自由基的影響、潤濕性、解剖變化和強度表現。此外，羅威爾揭示了他的紫外線輻射和耐候性實驗工作的老化效應。已經發現，乙酰化白楊經過700小時加速老化後，會出現重量損失、侵蝕速率和滲透深度的老化效應。

此外，影響材料耐久性的三個因素是精確監控、外觀和表麵缺陷分析。表1總結了從馬來西亞熱帶木材中選擇的木材種類，由於其規格不是天然耐用的，需要處理，因此可用於人工老化試驗的進一步研究。Williams的一項研究顯示了木材密度參數的重要性，該參數導致紫外線輻射穿透密度較高的木材的深度較低。

表1 馬來西亞熱帶木材耐久性列表

2.1 QUV儀器模擬自然老化

Russo、Acierno、Marinucci、Greco和Frigione在他們的研究中提出，在一種或多種類似天氣的條件下模擬自然老化的加速老化比自然老化達到更高的水平。因此，由Q-LAB供應商製造的QUV紫外熒光加速老化測試箱列出了11個影響測試儀暴露和室外暴露之間關係的因素作為比較數據，即地理緯度、海拔高度、當地地理特征、不同年份的天氣變化、季節天氣變化、樣品放置、比未絕緣樣品降解快50%的絕緣樣品的不同降解程度、操作循環的標準化程序、操作中應用的溫度的標準化程序、樣品的變化和紫外線燈的光譜功率分布(SPD)程度。

表2詳細解釋了在加速老化試驗中選擇紫外線暴露程序時的推薦暴露條件。此外，根據每個儀器中使用的uv燈類型，即UVA-340和UVB-313，確定曝光周期。這些類型的紫外線燈是根據模擬太陽波長的短波長來分類的。用短波長構建的UVA型接近模擬太陽截止，同時UVB型短波長低於太陽截止，這導致不現實的結果。

表2 ASTM G154中的暴露條件

典型輻照度的變化由其熒光紫外燈固有的光譜穩定性控製。總體而言，暴露周期基於12小時的暴露條件周期。它們分為紫外線燈照射和冷凝照射，紫外線燈照射時間從8小時到20小時不等，冷凝照射時間主要為4小時。

2.2 儀器的應用

Patel、Tikhtman、Lee和Scott對加速老化測試進行了實驗研究。在Patel等人的研究中，儀器的重複性和再現性是重要的測量指標。將一個測試的結果複製到另一個測試的能力被稱為重複性測量，而再現性可以被描述為相同型號的儀器複製測試結果的能力。

QUV儀器在加速老化測試中的應用始於20世紀70年代早期，當時使用的是紫外線熒光燈。此外，許多研究人員已經在短時間內開發了老化分析，以向製造商提供改進的結果。因此，加速老化試驗成為當今木材老化分析中常用的方法。

QUV氣候測試儀在通過複製短波紫外光譜區來模擬自然老化中的應用導致了大部分老化損傷。之前使用人工加速老化進行的研究列出了QUV紫外光加速老化試驗箱遵循ASTM名稱的七個階段。在詳細分析中，0、1、2、4、8、16和32個循環的每個循環由60°C下的4小時熒光紫外線(UVB，313/280nm)和40°C下的4小時冷凝組成，以加速由紫外線和水引起的劣化。美國測試材料標準總結了根據特定紫外線暴露循環條件進行的非金屬材料測試，例如:

（1）塗料和塑料的第1次循環；

（2）塗層的第2次循環；

（3）外部汽車材料的第3和第4次循環；

（5）屋麵材料的第5個周期；

（6）塗層和塑料的高輻照度暴露的第6次循環；

（7）木材塗層的熱衝擊和侵蝕試驗的第7次循環。

Mitra、Athire和Malik使用了專門為塗層材料侵蝕試驗設計的第2輪暴露條件。同時，方法上的一些修改需要使用不同類型的QUV紫外光加速老化試驗箱時要考慮。例如，Rajkovic、Bogner和Radovan在QUV紫外光加速老化試驗箱使用UVA燈管進行循環6老化測。該循環是為塗料和塑料的高輻照度暴露而設計的。實驗以24小時循環進行。

Mitra、Athire和Malik 使用了專門為塗層材料侵蝕試驗設計的第2輪暴露條件。同時，在使用不同類型的QUV紫外加速老化試驗機時，需要考慮方法上的一些修改。例如，Rajkovic、Bogner和Radovan 在QUV中使用UVA燈管進行循環6測試。該循環是為塗料和塑料的高輻照度暴露而設計的。實驗以24小時循環進行，包括在60℃下用UVA340燈進行8小時的紫外線輻射，然後在50℃下冷凝4小時。重複這些循環，在1、4、8、12和16周後取出樣品。在木材樣品的加速老化試驗中，QUV紫外老化箱需要改進，以允許最大的紫外燈暴露條件。通常情況下，建議在QUV紫外線老化試驗箱附帶的門上做一些修改，如圖2所示。

2.3 顏色變化

也有研究調查了顏色的變化。在進行加速老化測試後，Baur、Easteal、Edmonds、Waddingham、Jones和Devendra根據顏色值對暴露的木材樣品進行了評估。Williams進行的另一項加速老化試驗研究也支持基於顏色變化的評估參數。羅威爾、蘇索特、德格魯特和沙菲紮德進行了木材粘合阻燃劑的實驗研究。羅威爾等人得出結論認為，降解主要發生在木質素成分中，這有助於顏色的變化。木質素作為細胞壁中的粘合成分，在將纖維素纖維結合在一起方麵發揮作用，這將導致纖維素在木質素快速降解後變得不太敏感。因此，加速老化試驗為暴露的木材表麵變得粗糙並導致顏色變化的過程提供了證據。因此，在進行加速老化試驗時，需要對馬來西亞熱帶木材的顏色變化進行研究。圖3總結了一些馬來西亞熱帶木材的表麵顏色。

圖3a 馬來西亞熱帶木材的表麵顏色

2.4 強度性能

伊爾迪茲、托馬爾、伊爾迪茲和烏斯陶默對人工老化測試對木材強度性能的影響進行了實驗研究。收集的數據顯示，暴露於人工氣候試驗1600小時的樣品達到最大強度損失。此外，伊爾迪茲等人所做的實驗工作得出結論，硬木樹種的機械性能在暴露於人工老化測試後優於軟木樹種。因此，在允許用於結構構件之前，木材的分級很重要。根據基於馬來西亞標準MS1714 的硬木結構等級目測強度分級規則(HSG ),對木材進行分級，以選擇製作膠合木梁的優質木材。分級員將接受檢查，並根據既定規則對木材進行分級(圖3a)。

圖3b 目測分級過程 a)測量樣品 b)識別樣品的種類 c)檢查缺陷 d)檢查水分含量 e)對樣品進行分級

木材中可能存在的缺陷有坡度、彎曲、孔洞、蛀蟲、節疤(圖5)、腐朽木材(圖5、6)、健全邊材、腐朽(圖6)、端裂、扭曲、心脆、開抖、表麵裂紋和端裂。由於測試木材的強度性能降低，腐爛的木材需要丟棄。在恒定速率的載荷下，在四點彎曲中統計地確定強度性能，直到試樣失效。被評估的測試樣品有兩個主要性質，即彈性模量(MOE)和斷裂模量(MOR)。 MOE定義為應力應變達到比例極限的比率，而MOR是基於測試構件最大承載能力的極限強度的量度。通常四點彎曲試驗是按照ASTM D198 設計的，跨深比為18。如圖7所示，該測試在配備有2500千牛稱重傳感器的萬能試驗機(UTM)上進行。在0.05毫米/分鍾的加載速率下，測試在5到10分鍾之間失敗。

木材存在的缺陷

結論

用於加速老化試驗的QUV紫外加速老化試驗機已經成為廣泛用於質量控製評估和所用材料認證的技術之一。理論上認為QUV采用了模擬真實太陽輻射的波長。此外，QUV紫外老化光試驗箱提供了關於材料如何在合理的時間框架內由於環境暴露而降解的信息，並被接受為定性指標。因此，這篇概念性綜述論文得出結論，使用QUV紫外老化光試驗箱進行木材老化將產生顯著的可重複數據結果，有利於需要快速篩選改進木材產品的製造商。