使用QUV紫外光加速老化试验箱对马来西亚热带木材进行老化测试

发布于：2022-09-08

摘要

自20世纪40年代以来，加速老化测试作为一种工具，以更快的速度解释了老化的本质，这方面的历史已有记载。加速老化试验有多种方法，即循环煮沸干燥试验、自动煮沸试验和QUV人工加速老化测试。QUV紫外光加速老化试验箱给出了材料如何在合理的时间范围内在长期暴露环境中降解的信息。此外，QUV老化箱采用真实太阳辐射模拟波长。因此，加速老化测试在木材工业中的应用确实为制造商提供了快速响应，以改进其木材产品的长期使用。本文使用QUV模拟自然老化的加速老化试验用于确定马来西亚热带木材在长期环境暴露中的长期适用性。

介绍

在过去的几十年里，木材在结构上的应用越来越多，这极大地促进了木材工业研究数量的快速增长。由于木材制造业的目标是生产长期使用的结构产品，因此有必要对木材老化进行研究，以加强木材的正确选择，促进木材保护，并提供有价值的木材最终产品。老化是由于暴露的木材在化学、机械和光能的复杂组合下缓慢降解而发生的。人们对木材老化的影响因素进行了大量的研究。一般来说，光照、高温和潮湿对木材老化造成一定的影响。当暴露在室外环境或空调室内以及高湿度条件下时，用作结构部件的木材需要具有良好的承受环境影响的能力。当木材暴露在室外环境中时，这将有助于其表面在自然老化过程中发生光氧化或光化学降解。除了表面退化，老化还会导致机械应力和物理变化。Williams报道了太阳光谱的紫外线(UV)部分对木材性质的影响，例如霉菌生长、龟裂、开裂和翘曲如图1所示。

图1模拟木材100年的老化情况&图2在QUV中进行马来西亚热带木材老化测试

自20世纪40年代以来，已经进行了一个世纪的木材老化分析已经从自然老化测试迅速发展到接受人工老化测试，或更好地称为加速老化测试。尽管自然老化测试提供了真实的暴露，并最终以低廉的成本提供了木材老化的真实结果，但是将自然老化测试的分析发展为加速老化测试是因为自然老化测试可能是耗时的。

尽管自然老化测试提供了真实的暴露，并最终以低廉的成本提供了木材老化的真实结果，但是将自然老化测试的分析发展为加速老化测试是因为自然老化测试可能是耗时的。为了确定马来西亚热带木材产品的使用寿命，木材需要暴露在长期环境中。标准中规定了许多用于评估人造板物理和机械性能的加速老化测试方法，如ASTM D 1037-93中的循环煮沸-干燥(CBD)，ASTM D 3434-2006 中的自动煮沸测试，以及操作荧光紫外(UV)灯装置或更好符合ASTM G154测试标准要求的QUV耐候老化试验箱。

耐久性:加速老化测试

耐久性是指材料在较长时间内承受环境压力的能力。建筑物、组件、部件、产品、元件或结构的耐久性可视为该物体在设计的操作条件下，在规定的时间内提供和维持可接受性能的能力。加速老化试验最大限度地提高了老化因素(如热量和湿度)对收缩和膨胀应力的影响，这些因素会影响产品的物理和机械变化。

进行加速老化测试有三个主要目的，首先，在方便的短时间内建立材料在物理和机械耐久性方面的相对等级；其次，评估材料系统在预期使用条件下的潜在长期适用性；第三，加速老化测试能够加速实验室中的退化过程。Lee、Pourdeyhimi和Martin研究了标准老化试验方法，结果表明，准确了解暴露材料的形态变化至关重要。这种评估对于防止对老化效应和材料耐久性的误解非常重要。

Sanberg和Soderstrom回顾了大量的研究工作，这些工作集中在老化效应的六个方面。老化作用有颜色变化、木材侵蚀、自由基的影响、润湿性、解剖变化和强度表现。此外，罗威尔揭示了他的紫外线辐射和耐候性实验工作的老化效应。已经发现，乙酰化白杨经过700小时加速老化后，会出现重量损失、侵蚀速率和渗透深度的老化效应。

此外，影响材料耐久性的三个因素是精确监控、外观和表面缺陷分析。表1总结了从马来西亚热带木材中选择的木材种类，由于其规格不是天然耐用的，需要处理，因此可用于人工老化试验的进一步研究。Williams的一项研究显示了木材密度参数的重要性，该参数导致紫外线辐射穿透密度较高的木材的深度较低。

表1 马来西亚热带木材耐久性列表

2.1 QUV仪器模拟自然老化

Russo、Acierno、Marinucci、Greco和Frigione在他们的研究中提出，在一种或多种类似天气的条件下模拟自然老化的加速老化比自然老化达到更高的水平。因此，由Q-LAB供应商制造的QUV紫外荧光加速老化测试箱列出了11个影响测试仪暴露和室外暴露之间关系的因素作为比较数据，即地理纬度、海拔高度、当地地理特征、不同年份的天气变化、季节天气变化、样品放置、比未绝缘样品降解快50%的绝缘样品的不同降解程度、操作循环的标准化程序、操作中应用的温度的标准化程序、样品的变化和紫外线灯的光谱功率分布(SPD)程度。

表2详细解释了在加速老化试验中选择紫外线暴露程序时的推荐暴露条件。此外，根据每个仪器中使用的uv灯类型，即UVA-340和UVB-313，确定曝光周期。这些类型的紫外线灯是根据模拟太阳波长的短波长来分类的。用短波长构建的UVA型接近模拟太阳截止，同时UVB型短波长低于太阳截止，这导致不现实的结果。

表2 ASTM G154中的暴露条件

典型辐照度的变化由其荧光紫外灯固有的光谱稳定性控制。总体而言，暴露周期基于12小时的暴露条件周期。它们分为紫外线灯照射和冷凝照射，紫外线灯照射时间从8小时到20小时不等，冷凝照射时间主要为4小时。

2.2 仪器的应用

Patel、Tikhtman、Lee和Scott对加速老化测试进行了实验研究。在Patel等人的研究中，仪器的重复性和再现性是重要的测量指标。将一个测试的结果复制到另一个测试的能力被称为重复性测量，而再现性可以被描述为相同型号的仪器复制测试结果的能力。

QUV仪器在加速老化测试中的应用始于20世纪70年代早期，当时使用的是紫外线荧光灯。此外，许多研究人员已经在短时间内开发了老化分析，以向制造商提供改进的结果。因此，加速老化试验成为当今木材老化分析中常用的方法。

QUV气候测试仪在通过复制短波紫外光谱区来模拟自然老化中的应用导致了大部分老化损伤。之前使用人工加速老化进行的研究列出了QUV紫外光加速老化试验箱遵循ASTM名称的七个阶段。在详细分析中，0、1、2、4、8、16和32个循环的每个循环由60°C下的4小时荧光紫外线(UVB，313/280nm)和40°C下的4小时冷凝组成，以加速由紫外线和水引起的劣化。美国测试材料标准总结了根据特定紫外线暴露循环条件进行的非金属材料测试，例如:

（1）涂料和塑料的第1次循环；

（2）涂层的第2次循环；

（3）外部汽车材料的第3和第4次循环；

（5）屋面材料的第5个周期；

（6）涂层和塑料的高辐照度暴露的第6次循环；

（7）木材涂层的热冲击和侵蚀试验的第7次循环。

Mitra、Athire和Malik使用了专门为涂层材料侵蚀试验设计的第2轮暴露条件。同时，方法上的一些修改需要使用不同类型的QUV紫外光加速老化试验箱时要考虑。例如，Rajkovic、Bogner和Radovan在QUV紫外光加速老化试验箱使用UVA灯管进行循环6老化测。该循环是为涂料和塑料的高辐照度暴露而设计的。实验以24小时循环进行。

Mitra、Athire和Malik 使用了专门为涂层材料侵蚀试验设计的第2轮暴露条件。同时，在使用不同类型的QUV紫外加速老化试验机时，需要考虑方法上的一些修改。例如，Rajkovic、Bogner和Radovan 在QUV中使用UVA灯管进行循环6测试。该循环是为涂料和塑料的高辐照度暴露而设计的。实验以24小时循环进行，包括在60℃下用UVA340灯进行8小时的紫外线辐射，然后在50℃下冷凝4小时。重复这些循环，在1、4、8、12和16周后取出样品。在木材样品的加速老化试验中，QUV紫外老化箱需要改进，以允许最大的紫外灯暴露条件。通常情况下，建议在QUV紫外线老化试验箱附带的门上做一些修改，如图2所示。

2.3 颜色变化

也有研究调查了颜色的变化。在进行加速老化测试后，Baur、Easteal、Edmonds、Waddingham、Jones和Devendra根据颜色值对暴露的木材样品进行了评估。Williams进行的另一项加速老化试验研究也支持基于颜色变化的评估参数。罗威尔、苏索特、德格鲁特和沙菲扎德进行了木材粘合阻燃剂的实验研究。罗威尔等人得出结论认为，降解主要发生在木质素成分中，这有助于颜色的变化。木质素作为细胞壁中的粘合成分，在将纤维素纤维结合在一起方面发挥作用，这将导致纤维素在木质素快速降解后变得不太敏感。因此，加速老化试验为暴露的木材表面变得粗糙并导致颜色变化的过程提供了证据。因此，在进行加速老化试验时，需要对马来西亚热带木材的颜色变化进行研究。图3总结了一些马来西亚热带木材的表面颜色。

图3a 马来西亚热带木材的表面颜色

2.4 强度性能

伊尔迪兹、托马尔、伊尔迪兹和乌斯陶默对人工老化测试对木材强度性能的影响进行了实验研究。收集的数据显示，暴露于人工气候试验1600小时的样品达到最大强度损失。此外，伊尔迪兹等人所做的实验工作得出结论，硬木树种的机械性能在暴露于人工老化测试后优于软木树种。因此，在允许用于结构构件之前，木材的分级很重要。根据基于马来西亚标准MS1714 的硬木结构等级目测强度分级规则(HSG ),对木材进行分级，以选择制作胶合木梁的优质木材。分级员将接受检查，并根据既定规则对木材进行分级(图3a)。

图3b 目测分级过程 a)测量样品 b)识别样品的种类 c)检查缺陷 d)检查水分含量 e)对样品进行分级

木材中可能存在的缺陷有坡度、弯曲、孔洞、蛀虫、节疤(图5)、腐朽木材(图5、6)、健全边材、腐朽(图6)、端裂、扭曲、心脆、开抖、表面裂纹和端裂。由于测试木材的强度性能降低，腐烂的木材需要丢弃。在恒定速率的载荷下，在四点弯曲中统计地确定强度性能，直到试样失效。被评估的测试样品有两个主要性质，即弹性模量(MOE)和断裂模量(MOR)。 MOE定义为应力应变达到比例极限的比率，而MOR是基于测试构件最大承载能力的极限强度的量度。通常四点弯曲试验是按照ASTM D198 设计的，跨深比为18。如图7所示，该测试在配备有2500千牛称重传感器的万能试验机(UTM)上进行。在0.05毫米/分钟的加载速率下，测试在5到10分钟之间失败。

木材存在的缺陷

结论

用于加速老化试验的QUV紫外加速老化试验机已经成为广泛用于质量控制评估和所用材料认证的技术之一。理论上认为QUV采用了模拟真实太阳辐射的波长。此外，QUV紫外老化光试验箱提供了关于材料如何在合理的时间框架内由于环境暴露而降解的信息，并被接受为定性指标。因此，这篇概念性综述论文得出结论，使用QUV紫外老化光试验箱进行木材老化将产生显著的可重复数据结果，有利于需要快速筛选改进木材产品的制造商。