1 前言

紡織品種類繁多，除包括衣服、布料等普通紡織品，還包括一些戶外紡織品，如帳篷、雨布、遮陽(yáng)傘、戶外服裝、產(chǎn)業(yè)用布和罩類等。對(duì)于戶外紡織品，不只光照會(huì)對(duì)它們發(fā)生作用，水與高溫等也會(huì)對(duì)它們發(fā)生作用。所以，在設(shè)計(jì)加速老化測(cè)試條件時(shí)需要模擬戶外應(yīng)用條件。戶外紡織品的材料不僅有植物纖維，還包括聚酯與涂層等。為了研究戶外紡織品的耐候老化性能，針對(duì)7種不同的傘用紡織面料進(jìn)行QUV加速老化試驗(yàn)和在甘肅敦煌、海南萬(wàn)寧、浙江杭州進(jìn)行的戶外暴曬試驗(yàn)。

2 試驗(yàn)

2.1 耐候老化測(cè)試原理

耐候老化損害主要由3個(gè)因素引起：光照、溫度和濕度。這3個(gè)因素中的任何一個(gè)都會(huì)引起材料老化，它們的共同作用大于其中任一因素造成的傷害。

2.1.1 光照

高分子材料的化學(xué)鍵對(duì)于太陽(yáng)光中不同波段光線的敏感性不同，一般對(duì)應(yīng)一個(gè)閾值，太陽(yáng)光的短波段紫外線是引起大部分聚合物物理性能老化的主要原因，如C-N(碳-氮)鍵的作用閾值是393nm。然而，長(zhǎng)波段紫外線甚至可見光也會(huì)對(duì)某些染料和顏料產(chǎn)生破壞，造成變色和褪色。

2.1.2 溫度

溫度越高，化學(xué)反應(yīng)速度越快，老化反應(yīng)是一種光致化學(xué)反應(yīng)，溫度不影響光致化學(xué)反應(yīng)中的光致反應(yīng)速度，卻影響后繼的化學(xué)反應(yīng)速度。因此溫度對(duì)材料老化的影響往往是非線性的。

2.1.3 濕度

水會(huì)直接參與材料老化反應(yīng)。相對(duì)濕度、露水和雨水等是自然界中水的幾個(gè)主要形態(tài)。研究表明，戶外材料每天都將長(zhǎng)時(shí)間處于潮濕狀態(tài)(平均每天長(zhǎng)達(dá)8~12h)。而露水是戶外潮濕的主要原因。露水造成的危害比雨水大，因?yàn)樗街诓牧仙系臅r(shí)間更長(zhǎng)，形成的潮濕侵蝕更為嚴(yán)酷。

2.2 試驗(yàn)方案

為了研究戶外紡織品的耐候老化性能進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，選取了7種傘用紡織面料作為試樣;實(shí)驗(yàn)室加速老化試驗(yàn)使用QUV紫外試驗(yàn)機(jī)，戶外暴曬試驗(yàn)地點(diǎn)選擇甘肅敦煌、海南萬(wàn)寧和浙江杭州。

2.3 試樣

本試驗(yàn)一共選取了7種傘用紡織面料，分別是碰擊布、素色丁-A、錦綸、素色丁-B、變色龍、牛津布和滌素。試樣由杭州天堂傘業(yè)集團(tuán)有限公司提供均為白色。由于每種試樣要進(jìn)行4個(gè)試驗(yàn)、6次性能測(cè)定、4種破壞性評(píng)估項(xiàng)目、每次評(píng)估5個(gè)重復(fù)樣取平均值，每種樣品準(zhǔn)備了480個(gè)重復(fù)樣。

2.4 試驗(yàn)儀器

QUV紫外老化試驗(yàn)機(jī)利用熒光紫外線燈來(lái)模擬太陽(yáng)光對(duì)耐久性材料造成的傷害。對(duì)于不同的應(yīng)用條件，需要不同類型的燈管產(chǎn)生不同的光譜。UVA-340燈管對(duì)太陽(yáng)光的紫外短波段光線模擬效果好。UVA-340的光譜能量分布(SPD)在太陽(yáng)光的截止點(diǎn)到大約360nm范圍內(nèi)與太陽(yáng)光譜能夠很好地吻合(見圖1)

圖1 UVA-340光譜與夏天正午太陽(yáng)光譜比較

UVA-340燈管對(duì)太陽(yáng)光紫外短波段的模擬效果是較好的。UVB-313燈管利用紫外線的短波段達(dá)到最快加速老化的目的，對(duì)特別經(jīng)久耐用材料的檢定或品質(zhì)控制非常有用。

QUV通過冷凝功能來(lái)模擬露水對(duì)材料的破壞作用。用加熱QUV測(cè)試室底部的水盤產(chǎn)生水蒸氣。QUV中，試樣實(shí)際上形成測(cè)試室的側(cè)壁，試樣的另一面暴露在室內(nèi)周圍的空氣中;室內(nèi)相對(duì)較冷的空氣就使得試樣表面比測(cè)試室內(nèi)熱蒸汽的溫度低好幾度。這一溫度差會(huì)產(chǎn)生冷凝，使試樣表面液態(tài)形式的水逐漸凝結(jié)。除了標(biāo)準(zhǔn)的冷凝功能，形成凝露的機(jī)理也與戶外露水的產(chǎn)生機(jī)理類似，QUV還可用水噴淋模擬雨水影響，產(chǎn)生熱沖擊或機(jī)械侵蝕。

需要特別指出的是，只有QUV紫外試驗(yàn)機(jī)具有冷凝功能。前面已指出，戶外材料每天都將長(zhǎng)時(shí)間處于潮濕狀態(tài)(平均每天長(zhǎng)達(dá)8~12h)。而露水是戶外潮濕的主要原因，所以戶外產(chǎn)品必須能抵抗潮濕的影響。QUV以其獨(dú)特的設(shè)計(jì)，真實(shí)模擬了露水對(duì)戶外產(chǎn)品的影響。

2.5 試驗(yàn)條件

2.5.1 實(shí)驗(yàn)室加速老化試驗(yàn)條件

通過對(duì)QUV紫外試驗(yàn)機(jī)測(cè)試機(jī)理的描述可知，QUV的紫外光照很好的模擬了太陽(yáng)光中的短波紫外線對(duì)織物和涂層的破壞，而QUV的冷凝循環(huán)可較好地模擬戶外露水對(duì)材料造成的破壞作用，而且QUV還可用水噴淋模擬雨水對(duì)材料產(chǎn)生熱沖擊或機(jī)械腐蝕。

所以選擇GB/T 31899-2015《紡織品 耐候性試驗(yàn) 紫外光暴曬》中的試驗(yàn)條件1。具體的單循環(huán)試驗(yàn)條件見表1。按此條件一共測(cè)試300h。

2.5.2 戶外暴曬試驗(yàn)條件

戶外暴曬試驗(yàn)選擇了3個(gè)暴曬地點(diǎn)，分別是甘肅敦煌(沙漠氣候條件)、海南萬(wàn)寧(亞熱帶氣候條件)和浙江杭州(城市濕地氣候條件)。戶外暴曬采用無(wú)背板直接連續(xù)暴曬，45℃朝南。一共暴曬6個(gè)月。

2.6 操作過程

在試驗(yàn)過程中，不但測(cè)試試樣顏色的變化，而且測(cè)試試樣的撕破強(qiáng)力(經(jīng)向、緯向)和斷裂強(qiáng)力(經(jīng)向、緯向)。

QUV加速老化試驗(yàn)一共測(cè)試300h，每50h對(duì)試樣進(jìn)行評(píng)估;戶外暴曬試驗(yàn)一共暴曬6個(gè)月，每1個(gè)月對(duì)試樣進(jìn)行評(píng)估。

3 結(jié)果與討論

3.1 試樣顏色的變化

試樣的顏色變化參照ASTM D2244，選用CIE L*a*b*色空間，D65光源、10°觀察者和鏡面反射包含條件進(jìn)行測(cè)定。不管是QUV加速老化試驗(yàn)，還是戶外暴曬試驗(yàn)，大部分試樣的顏色變化都非常明顯。所有試樣的顏色變化見圖2。

3.2 分析與討論

QUV加速老化試驗(yàn)與戶外暴曬試驗(yàn)之間的相關(guān)性研究可參考ASTM G 169中的sperman排序方法，相關(guān)系數(shù)(rs)指的是利用兩種不同的測(cè)試方法對(duì)一組樣品進(jìn)行測(cè)試，所得試驗(yàn)結(jié)果之間的相關(guān)性。相關(guān)系數(shù)(rs)的計(jì)算公式為：

式中：

N——樣品的個(gè)數(shù)

Di——兩列排序中每一組排位數(shù)之間的差值

不管是QUV加速老化試驗(yàn)還是戶外暴曬試驗(yàn)，都按照顏色變色ΔE*的數(shù)值從小到大進(jìn)行排序。根據(jù)相關(guān)系數(shù)(rs)的計(jì)算公式，得到試樣顏色變化的QUV加速老化試驗(yàn)與戶外暴曬試驗(yàn)之間的相關(guān)性。相關(guān)系數(shù)見表2。

除了spearman排序方法，還可以用“通過/失效”(pass/fail)方法來(lái)分析QUV加速老化試驗(yàn)與戶外暴曬試驗(yàn)之間的相關(guān)性。如果以ΔE*<5.0作為“通過”，以ΔE*>5.0作為“失效”。QUV加速老化試驗(yàn)的結(jié)果見表3。比較QUV加速老化試驗(yàn)與戶外暴曬試驗(yàn)試樣顏色變化的“通過/失效”，得到相關(guān)性見表4。從表2和表4可以看出對(duì)于試樣顏色的變化，QUV加速老化試驗(yàn)與戶外暴曬試驗(yàn)之間的相關(guān)性較好。不過本試驗(yàn)用的7種試樣都為白色，在以后的試驗(yàn)中也要考慮不同顏色的試樣。

3.3 試樣強(qiáng)力的變化

參照GB/T 3917.1測(cè)試試樣的撕破強(qiáng)力，分別測(cè)試經(jīng)向撕破強(qiáng)力和緯向撕破強(qiáng)力;參照GB/T 3923.1測(cè)試試樣的斷裂強(qiáng)力，分別測(cè)試經(jīng)向斷裂強(qiáng)力和緯向斷裂強(qiáng)力。對(duì)于大部分試樣，不管是QUV加速老化試驗(yàn)還是戶外暴曬試驗(yàn)，試樣的強(qiáng)力變化都非常明顯。不過試樣的經(jīng)向撕破強(qiáng)力、緯向撕破強(qiáng)力、經(jīng)向斷裂強(qiáng)力和緯向斷裂強(qiáng)力這4個(gè)指標(biāo)的強(qiáng)力變化差別不大(見圖3)。所以本文重點(diǎn)討論經(jīng)向斷裂強(qiáng)力。

對(duì)于試樣的經(jīng)向斷裂強(qiáng)力保持率見圖4.

對(duì)于試樣的經(jīng)向斷裂強(qiáng)力保持率，使用“通過/失效”(pass/fail)方法來(lái)分析QUV加速老化試驗(yàn)與戶外暴曬試驗(yàn)之間的相關(guān)性。如果以強(qiáng)力保持率>50%作為“通過”，以強(qiáng)力保持率<50%作為“失效”。QUV加速老化的試驗(yàn)結(jié)果見表5。

比較QUV加速老化試驗(yàn)與戶外暴曬試驗(yàn)的試樣強(qiáng)力保持率的“通過/失效”(pass/fail)，得到相關(guān)性(見表6)。

從以上數(shù)據(jù)可看到，不管是QUV加速老化試驗(yàn)還是戶外暴曬試驗(yàn)，試樣的強(qiáng)力下降都很明顯。雖然這樣是很難比較兩者之間的相關(guān)性的，也很難對(duì)材料進(jìn)行篩選。但是這也可能是一種有效的產(chǎn)品研發(fā)試驗(yàn)。

4 結(jié)論

老化測(cè)試有幾種類型或測(cè)試目的，圖如材料篩選、材料認(rèn)證和材料壽命預(yù)測(cè)。

在本試驗(yàn)中，對(duì)于材料的篩選，可能不需要戶外暴曬3個(gè)月的時(shí)間。而實(shí)驗(yàn)室加速測(cè)試可通過提高輻照度等試驗(yàn)條件快速得到結(jié)果。

對(duì)于材料認(rèn)證，因?yàn)樗性嚇釉趹敉獗裰卸伎焖偻嘶钥蛻羰滓鉀Q的問題是研發(fā)新材料，使其耐戶外暴曬3個(gè)月以上，如材料的強(qiáng)力保持率在戶外暴曬3個(gè)月后大于80%。在新材料耐戶外暴曬3個(gè)月以上的基礎(chǔ)上，再進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室加速測(cè)試，找到合適的測(cè)試條件，使其與戶外暴曬的相關(guān)性較好。

對(duì)于材料壽命預(yù)測(cè)，也就是大家普遍關(guān)心的加速因子，即實(shí)驗(yàn)室測(cè)試多少小時(shí)相當(dāng)于戶外暴曬幾個(gè)月的問題。本試驗(yàn)沒有足夠的試驗(yàn)數(shù)據(jù)找到實(shí)驗(yàn)室加速測(cè)試與戶外暴曬之間的相關(guān)性，而且沒必要預(yù)測(cè)材料的使用壽命，因?yàn)椤巴ㄟ^/失效”(pass/fail)數(shù)據(jù)已能說明材料的使用性能。