如何验证密封胶的加速老化和自然老化的相关性？

短波紫外光是暴露在户外的密封剂大部分损坏的原因。水分也会造成损害，紫外线和水分之间通常存在协同效应。经验表明，单独抗紫外线或单独抗湿气的材料在同时暴露于紫外线和湿气时通常会失效。第三个考虑因素是温度。温度会加快任何化学反应的速度，虽然大多数光化学反应对温度不敏感，但任何后续的连锁反应通常都与温度有关。因为户外暴露很费时间，而且每年和每个地方的天气都不一样，所以实验室加速老化测试仪被广泛用于研发、质量控制和材料认证。

本研究的目的是确定密封剂的自然老化和加速老化之间是否有任何关联，如果有，哪种加速装置与自然暴露最相关。

实验性

测试样品由ASTM委员会关于建筑密封和密封剂的C-24志愿公司准备和提交。一个独立的实验室从参与者那里收集样本，选择哪些将被暴露，并编码，然后转发给他们进行暴露。每个试样由密封剂制造商根据ASTM C-793 (I)制备。样品尺寸为5 x 1.5 x 0.125英寸。所有样品都粘附在干净、裸露的3×6英寸铝基板上。

测试的密封剂类型包括单组分和双组分聚氨酯、聚醋酸乙烯酯胶乳、热塑性橡胶、黑白硅酮、溶剂型丙烯酸和丙烯酸胶乳。密封剂的复制组暴露于佛罗里达直接老化和两个加速装置。以下段落总结了测试条件。

自然老化

根据ASTM G-7 (2)进行室外试验。样品暴露在佛罗里达州的霍姆斯特德。重复样品暴露在45°南，开放式背面安装(即非绝缘)，时间间隔为6、12和18个月。

QUV老化，UVA-340灯

第二组密封剂按照ASTM G-53 (3)在QUV老化试验机中暴露。光源是UVA-340灯。测试循环包括在65°C(149°F)下暴露于紫外线8小时，与在50°C(122°F)下冷凝4小时交替进行。样品暴露时间分别为250、500、1000和2000小时。

QUV老化，紫外线B-313灯

第三组也在使用UVB-313灯的QUV测试仪中曝光。测试条件与上述相同。

氙弧老化

根据ASTM G-26 (4)，将最后一组密封剂暴露在Ci 65氙弧中。燃烧器使用硼硅酸盐内部和外部过滤器，并在0.35 W/m2/nm(340nm)下操作。测试循环包括连续辐照，每2小时喷水18分钟。黑色面板温度为63°C(145°F)。喷水温度为42摄氏度(108华氏度)。

曝光变量

在每种曝光方法中，紫外线、湿气和温度的破坏力是不同的。对这些差异中的每一个都进行了简要的分析，以便对测试结果中的差异有所了解。

光源

因为自然阳光中的紫外线被气团、云量、污染等过滤，自然紫外线照射的量和光谱分布是非常可变的。因为在冬季，太阳在天空的位置较低，所以它被更大的气团过滤掉了。更短、更具破坏性的紫外线波长在冬天也被过滤掉了。例如，从夏季到冬季，320 nm的紫外线强度变化约为8比1。因此，在冬季，对310 nm以下的紫外线敏感的材料即使有降解，也只是轻微降解。

使用比自然阳光发出的紫外线波长更短(即更强)的光源是加速最常用的方法之一。然而，如果测试材料的光谱灵敏度主要在这些短波长内，结果可能不自然地严重，特别是与对短波紫外线不敏感的材料相比。与阳光匹配良好的光源，尤其是在短波紫外线区域，速度较慢，但可能与室外结果有更好的相关性。

QUV使用不同类型的灯，不同的光谱，用于不同的曝光应用。QUV并不试图复制阳光本身，只是阳光的破坏性影响。这是有效的，因为短波紫外线会对暴露在户外的耐用材料造成几乎所有的损害。荧光测试仪将其发射限制在光谱的紫外线部分。图1显示了UVA-340和UVB-313与夏季正午阳光的对比。

UVA-340于1987年引入，以改善QUV和自然老化之间的相关性。它已经在塑料和涂层上进行了测试，在许多情况下，极大地提高了与这些设备的相关性。这种灯可以很好地模拟从大约365纳米到295纳米截止波长的太阳光。

UVB-313是QUV广泛使用的光源。就材料完整性和物理特性而言，它与户外暴露具有良好的相关性。然而，低于太阳截止点的短波输出偶尔会导致异常结果，尤其是颜色保留。

氙弧使用滤光器的组合来减少不需要的辐射。这项研究使用了最常见的组合，硼硅酸盐内部和外部过滤器。图2显示了同样的夏季阳光与带有boro/boro滤光器的氙弧灯的对比。

潮湿

另一个变量是样品湿润的时间。图3总结了不同之处。显示的室外数据是研究期间测量的湿度时间(5)。佛罗里达的密封剂大约45%的时间是潮湿的。QUV样品暴露于大约33%的潮湿时间。氙弧样品大约15%的时间是湿的。

材料在户外遇到的大部分潮湿是以露水的形式出现的，而不是降雨。表1显示了佛罗里达州暴露期间一个典型月份的每日湿润时间与降雨量的对比。

这对加速模拟具有重要意义。QUV使用相对较长(4小时)的冷凝周期来再现自然产生的水分的影响。氙弧使用短周期(18分钟)喷水。

温度

温度是暴露条件中的第三个变量。加速试验通常在高于材料正常暴露温度的温度下进行，但不会高到导致异常降解。这样做是因为较高的温度通常会加快降解速度。

佛罗里达样品安装在开放式支架上(即不隔热)；记录的最高表面温度为48摄氏度(110华氏度)。在大多数实际应用中，样品会被绝缘，导致温度高达66°c。加速试验的最高温度为65°c。因此，加速试验温度更接近密封剂在正常使用中可能暴露的最高温度。

当表面开裂是一个重要因素时，热冲击是一个需要考虑的因素。根据暴露方法的不同，样品会经历不同的温度变化率。佛罗里达样品的主要温度变化在白天和夜晚之间逐渐发生。QUV样品的变化率也是非常缓慢的，因为在一个周期变化后，室需要大约一个小时达到平衡。在水分循环开始时，将氙弧样品暴露于直接喷水中，产生高速的温度变化。

结果<、strong>

评估暴露的密封剂的视觉退化(开裂、点蚀等)、硬度(硬度计)和柔韧性的变化。

视觉表面退化。暴露结果中最显著的差异之一是微生物的生长。在佛罗里达，除了一种密封剂外，所有密封剂都显示出至少轻微的微生物生长。几个显示出显著甚至严重的增长。由于显而易见的原因，实验室样本没有显示出微生物生长的迹象。聚醋酸乙烯酯乳胶和溶剂型丙烯酸密封剂上的生长量非常严重，其在样品上的存在可能实际上保护了密封剂免受进一步的紫外线照射(图4)。

总的来说，QUV比氙弧在再现佛罗里达州暴露的变化方面做得更好，特别是在裂纹和点蚀方面(图5)。然而，许多密封剂在实验室中出现起泡或冒泡，但在佛罗里达却没有。这可能是由于暴露温度的差异。除了热塑性橡胶密封剂，佛罗里达和所有实验室测试人员的颜色变化几乎相同。相对于佛罗里达，加速率取决于实验室暴露的密封剂类型。UVB-313测试显示了最大范围的加速率。这可能是由于不同密封剂对UVB-313在295 nm以下的短波紫外线辐射(即日光截止)的敏感度不同。UVA-340和氙弧给出了更一致的加速率结果。表2给出了每种密封剂类型和每种暴露条件下的视觉变化描述。

硬度。为了确定加速方法预测硬度变化的程度，根据AASTM D-2240 (6)在每个暴露时间间隔对每种密封剂进行肖氏A硬度计测量。表3中显示的数据是三个读数的平均值，重复性为2点。由于起泡，一些样品的精确测量是不可能的。在大多数情况下，发生在佛罗里达的变化被加速方法复制了。ASTM D-2240是一种评估老化影响的有用方法。

灵活性。根据ASTM C-793，将暴露样品的柔韧性与未暴露对照进行比较。这种方法要求将样品冷冻至-26°C，并绕1/2英寸的心轴弯曲。只有一个例外，暴露样品与未暴露对照的比较显示没有差异。如果暴露的样品表现出粘附力和/或内聚力的损失，那么对照样品也是如此。这表明温度，而不是暴露于老化，是这个测试中最重要的因素。我们不建议使用低温试验来评估老化的影响。

使用1/4英寸的心轴在室温下重复该试验。所有未暴露的对照样品都通过了测试。然而，许多暴露的密封剂显示出拉伸痕迹，表明一些内聚力的损失(图6)。此外，热塑性橡胶和丙烯酸乳胶密封剂中的现有裂缝被拉长。聚乙酸乙烯酯胶乳显示出部分开裂。除了一个例外(双组分聚氨酯)，UVA-340和UVB-313 (QUV)的结果与佛罗里达州的结果完全一致(表4)。

相关性摘要

实验室和自然老化之间的关系可能永远是有争议的。加速试验的结果应该小心使用。事实上，不同类型的自然暴露之间的关系也是有问题的。没有人真正知道佛罗里达州南5区的测试围栏与亚利桑那州或新泽西州的一年建筑有何关联。因此，即使是佛罗里达州也只是给出了实际服务表现的相对指标。它对实验室设备的要求太高了。

对于老化测试仪，有许多参数必须进行编程:紫外光谱、水分、湿度、温度和测试周期。因为没有一个测试周期或设备可以再现不同气候、海拔和纬度的室外所有变量，所以人们选择的加速条件在一定程度上是任意的。为了获得快速测试结果，加速测试人员必须经常夸大自然界中发现的自然降解力。显著不同的材料配方可能以各种方式对这些人为的严重应力作出反应。因此，一般来说，不同类型的密封剂可能表现出不同的加速系数。事实上，即使在一个单独的密封剂样品中，所检测的不同性质也可能有不同的加速率。

表5总结了本研究中密封剂的自然老化和加速老化之间的相关性。它不包括微生物的影响。所示的“加速率”是各种测试性能的平均值。在没有显示加速率的情况下，要么是测试的性能变化不够大，要么是变化不够相似，不足以得出结论。本总结仅适用于在佛罗里达特定时间暴露的这一套特定密封剂。基于这些数据的推断应该非常小心。

结论

基于上述工作，得出以下结论。

与佛罗里达相比的加速测试。 尽管加速测试被广泛用于预测产品的耐用性，但它的使用也有局限性。对于这项研究中的密封剂，最明显的是实验室测试无法重现在佛罗里达看到的微生物生长。此外，实验室设备不能再现污染或风吹污染物造成的退化。尽管如此，这些测试结果表明加速老化测试是一种有用的工具。总的来说，加速试验和佛罗里达试验在表面变化(即开裂、点蚀等)、柔韧性和硬度(硬度计)方面有很好的相关性。然而，不同的通用密封剂类型表现出不同的加速系数。

QUV紫外老化试验箱与氙灯老化试验箱相比

密封剂产生了有些混杂的结果。在测试的八种类型中，QUV在两种类型上给出了与佛罗里达州的较佳相关性，氙弧在一种类型上给出了较佳结果。他们对其余部分给出了基本相同的结果。QUV，尤其是UVB-313灯，导致密封剂比氙弧退化得更快。总之，QUV在测试阵列上给出了稍好的结果。

UVB-313与UVA 340相比。在测试的两种密封剂中，UVA-340灯比UVB-313灯与佛罗里达的相关性更好。对于其余的，结果是相似的。UVA-340比UVB-313慢，但加速率(相对于密封剂类型)更一致。总之，UVA-340灯是最有用的与佛罗里达相关或与一般不同密封剂比较的灯。UVB-313给出更快的结果，可能对持久配方或QC应用最有用。

测试方法和规范的加速暴露持续时间。这项研究的结果表明，对于大多数密封剂，现有规范和试验方法中的暴露要求是不充分的。实际的最短暴露时间是2000-3000小时的加速测试。对于硅树脂，5000小时可能是一个最小的数字。