如何评估紫外线抑制剂在土工布合成材料耐候老化的作用？

当我们想到土工合成材料时，我们通常会想到最终用途是将其埋在地下的材料，远离紫外线(UV)及其对制造它们的合成聚合物的破坏作用。明显的例外是侵蚀和沉积物控制产品，如淤泥栅栏和草皮增强垫，这些产品在材料性能退化到无法再保持或不再需要其预期功能之前，可以承受一定量的紫外线照射。土工合成材料制造商通常向用于制造土工合成材料的合成树脂或涂料中添加稳定组分，但是这些添加剂非常昂贵，并且还会降低材料强度和其他所需的土工合成材料性能，因此通常适量使用。

暴露在紫外线下对土工合成材料的损害可以通过产品的物理外观和材料性能的变化来证明。随着时间的推移，一些最容易观察到的变化是部分强度损失和材料密度损失。在分子结构水平上，300 nm和400 nm之间的紫外光谱波长似乎对破坏土工合成聚合物最具侵蚀性。

鉴于土工合成材料紫外线降解的已知影响，大多数规范机构建议这些材料不要长时间暴露在自然环境中。这种思路的一个例子是美国国家公路和运输官员协会(AASHTO)“公路应用土工织物规范”，名称:“M288”，建议“土工织物在铺设后暴露在大气中的时间最长应为14天，以最大限度地减少潜在的损坏。” 其他实例包括规定在暴露于模拟紫外线降解测试的设定小时数后强度保留的最小百分比，例如在氙弧测试(ASTM D4355)中暴露五百(500)小时后保留百分之七十(70%)的强度。

为了评估土工合成材料对模拟紫外线暴露和风化影响的稳定性，行业已经开发或采用了几种新的和现有的测试方法，这些方法使用实时或加速暴露方案。上面提到的ASTM D4355使用氙弧光源来提供UV光谱波长，并且还使用热和湿气的循环来模拟自然风化循环。另一个当前的ASTM D7238或QUV荧光紫外老化箱利用冷凝和荧光紫外光源来模拟土工膜和类似产品的风化循环。虽然这些测试方法在土工合成材料行业内被认为是有用的紫外线耐久性测量方法，但将它们与真实世界的暴露降解率相关联是不方便的，充其量也只是偶然的。

图1:添加紫外线抑制剂的编织聚丙烯土工织物随时间的紫外线降解强度损失示例

将实验室紫外线降解试验结果与实际现场应用联系起来的核心问题是，全球的紫外线强度和降解率并不像实验室那样恒定。如果我们使用ASTM D4355的500小时紫外线降解基准作为数据，并尝试将其与北美的现场测量值相关联，则预计六个月至一年后，佛罗里达州的坦帕市、华盛顿州的西雅图市或安大略省的多伦多市将出现类似的降解，七至十年后将出现类似的降解。值得注意的是，除了紫外线，还有其他环境影响需要考虑。土工合成材料暴露于自然环境时的潜在退化机制时，会发生退化，但这超出了本技术说明的范围。有可能比较准确地评估世界上任何给定地点的紫外线暴露水平。要做到这一点，必须既有该地点的“红斑紫外线辐照度”数据，又有紫外线强度的日变化和季节变化的相关信息。更具体地说，辐照度信息是由卫星和地面光源收集的，给出了地表水平紫外光谱辐射的表示。虽然这种类型的信息在确定照射到暴露的土工合成材料上的紫外光的水平和光谱方面非常有用，但它仍必须与实验室测试结果相关联，才能用于确定与室外暴露率相关的土工合成材料的可指定劣化水平。

图2显示了在一天的1200小时(中午12:00)测量的全球红斑紫外线辐照度水平的示例

由于本技术说明的目的是为用户提供一些指导，使其能够估计我们的昙卡产品在紫外线照射下的耐久性，因此我们将对实验室测试方法和现场暴露率之间的相关性进行一些估计。ASTM D4355中使用的氙弧光源的校准输出为350 mW/m²，ASTM D7238中使用的荧光UV光源的输出为710 mW/m²。因此，QUV (D7238)源的强度大约是氙弧(D4355)源的两倍，或两倍的强度。如果我们仔细观察2005年7月美国上空一天的红斑UV辐照度，如图3所示，我们可以看到美国西南部(新墨西哥州、亚利桑那州、科罗拉多州)的强度与D4355中使用的光源强度相似。同样，美国东北部(新英格兰)和西北部(华盛顿、俄勒冈、蒙大拿、爱达荷)的红斑紫外线辐照度大约是D4355强度的三分之二。与D7238相对应的比例是西南地区一半，东北和西北地区三分之一。

图3显示的是2005年7月美国上空一天的红斑UV辐照度

继续实验室紫外线降解测试和实际现场紫外线暴露率之间的相关性，我们还必须查看24小时内自然阳光的持续时间。由于地球绕其轴旋转而导致的阳光强度的自然变化被称为“昼夜”，是指每天重复的24小时周期。图4显示了一个日峰值太阳强度变化的例子，人们期望在任何给定的一天观察到，不考虑环境变量，如云或烟雾覆盖，降雨，日食等。如果太阳辐照度水平是24小时内的平均值，则平均值约为24%(峰值太阳强度)。该比率将用于进一步将现场紫外线暴露率与实验室测试相关联。 我们还可以进一步研究影响红斑紫外线辐射水平的一些其他变量，如云量和/或降雨量。比如美国华盛顿州的西雅图，每年大约经历225个阴天，约占总时间的61%。我们可以从图3中孤立区域的较低区域紫外线辐照度水平假设，云量和/或降雨量可以将辐照度水平降低到峰值辐照度水平的50%左右。美国大陆的平均或平均总日照信息可从国家海洋和大气局获得，如图5所示，并可用于进一步细化美国特定地区的这一百分比。该比率还将用于进一步将现场紫外线暴露率与实验室测试相关联。

图4:日峰值阳光辐照度曲线示例 

相关过程的下一步是考虑我们已经讨论过的特定环境因素，并将现场观察与实验室测试方法联系起来。我们必须记住，行业标准是报告土工合成产品的MARV(最小平均滚动值)强度百分比。对于土工合成材料，通常以500小时为基准进行报告。根据ASTM D4355实验室测试方法计算的500小时暴露的紫外线辐照度水平为175，000 mW*hr/m²，而ASTM D7238为355，000 mW*hr/m²。然后，我们必须结合近似的地区环境因素，得出暴露在室外环境中的土工合成材料的类似辐照度暴露水平。 这些地区特有的因素也是红斑紫外线辐照度；日照昼夜变化；和平均日照百分率。表1显示了十一(11)个选定美国城市的综合数据，并总结了与500小时实验室测试结果相关的近似暴露时间跨度。列表近似值的结果表明，500小时氙弧紫外线测试大约需要半年到两年的野外暴露时间，而要达到QUV测试中达到的相同紫外线辐照度水平，则需要大约两倍的时间，即野外1到4年。

图5显示美国大陆的平均或平均总日照信息 

表1:ASTM D4355和D7238 500小时实验室测试的等效室外紫外线辐照度。

从这500小时的暴露比较中，我们可以推测，相对于不含抑制剂的土工合成材料(即原始HDPE、PP、PET等)，添加了紫外线抑制剂的土工合成材料对紫外线辐照的降解效果具有相当的抵抗力。我们认为理所当然的另一点是，在其他条件相同的情况下，编织土工布比非编织土工布更能抵抗紫外线降解，因为其纱线的横截面积更大。稳定的PP纱线和长丝也比未涂覆的PET纱线更耐紫外线辐射，这从它们在500小时紫外线辐射暴露下的MARV强度保持率中得到证明:70% PP为90%；宠物50%。根据较佳行业建议，我们建议我们的昙卡土工合成产品暴露在自然环境中的时间不要超过14天，如AASHTO M288所规定，除非其特定应用需要持续暴露在室外，如淤泥栅栏、沉积物控制、侵蚀控制、包裹面MSE墙或RSS饰面等