基于高分子參考材料透光率變化的環境應力測試裝置及方法研究

陳心欣，時宇，彭煌，張曉東，祁黎，陶友季

（1.中國電器科學研究院股份有限公司，廣州 510663；2.工業產品環境適應性全國重點實驗室，廣州 510663；3.廣東省高分子材料環境適應性評價與檢測技術重點實驗室，廣州 510663）

引言

環境應力反映了環境因素對產品的作用。不同地區的太陽輻照、氣溫和濕度等環境因素對產品的綜合作用影響，即為綜合環境應力。對于材料老化領域，綜合環境應力的精準量化測量，是開展環境試驗以及進行材料及產品性能設計的前提和基礎[1]?，F有的方法一般是通過定期階段性測試高分子材料的黃色指數、色差、霧度等的變化[2-5]，評價其在不同氣候環境的老化行為[6-8]。但此類現有的評價方法測試時間長，而且測試得到的數據不連續，無法實現對試驗時間精準控制的目標。

因此，本文設計了一種基于高分子參考材料透光率變化的環境應力測試裝置，可以連續測量高分子材料透光率變化，以此量化評定環境應力。

1 裝置原理

本文設計的基于高分子參考材料透光率變化的環境應力測試裝置，其結構原理圖如圖1 所示。

圖1 裝置結構示意圖

裝置的主要關鍵部件為透明高分子參考材料樣板和高透玻璃材料樣板，兩者厚度相同并且位于同一平面，其下方方式相同的光照傳感器。其中透明高分子參考材料樣板正下方放置傳感器a，高透玻璃材料樣板正下方放置傳感器b，兩者用于檢測光照度，且經過計量標定，兩個傳感器的測量誤差在2 %以內。

裝置還配備的測量存儲電路，用于記錄和存儲傳感器的測試結果，實現實時測量記錄計算等功能。

2 試驗過程

本文選用聚苯乙烯，簡稱PS，作為透明高分子參考材料樣板制得測試裝置，在試驗開始前，按標準GB/T 2410-2008 方法B （C 光源）對分別對裝置上的PS 樣板及高透玻璃材料樣板進行透光率測試[9]。測得PS 樣板的透光率T10=89.5，高透玻璃材料樣板的透光率T20=93.2。

將裝置啟動至于我國廣州地區室外露天向南19 °角（緯度角）固定安裝，實時監測傳感器數據并記錄。

經過一年期試驗后，同樣對裝置上的PS 樣板及高透玻璃材料樣板進行透光率測試，得到一年期結束后PS樣板的透光率T1f=74.36 ，高透玻璃材料樣板的透光率T2f=93.4。

3 試驗數據的處理方法

本文設計的基于高分子參考材料透光率變化的環境應力測試裝置，其數據處理方法有瞬時法和日值積累法兩種。

3.1 瞬時法

首先通過下式計算原始的透光率比值為D0=0.960 3。

PS 樣板的透光率通過如下方式計算：

假設初始狀態下，某一時刻照射到測試平面的自然光的輻照度或光照度為S0，PS 樣板與高透玻璃材料樣板的透光率分別為T10與T20，第一傳感器與第二傳感器測得的輻照度或光照度分別為S10和S20，二者的比值為D0，則有：

同理，在測量進行一定時間后，某一時刻照射到測試平面的自然光的光照度為St，此刻所述PS 樣板的透光率下降到T1t，所述高透玻璃材料樣板的透光率變化至T2t，傳感器a 與傳感器b 測得該時刻的輻照度或光照度分別為S1t和S2t，二者的比值為Dt，則有：

由于高透玻璃材料樣板的耐老化性能良好，其透光率變化可以忽略，令T2t≈T20，則有：

因此，通過測量傳感器a 和b 之間的透光率比，即可計算出PS 樣板的透光率T1t，算式如下：

圖2 為PS 樣板與高透玻璃材料樣板在我國廣州地區的某一典型日的光照度以及兩者透光率比變化曲線。

圖2 裝置傳感器測得的一天內透光率變化曲線及透光率比

3.2 日值積累法

原始的透光率比值的計算方法與瞬時法相同，算得D0=0.960 3。

在測量進行一定時間后，PS 樣板1 的透光率下降到T1t，高透玻璃材料樣板2 的透光率變化至T2t，在當天某一時刻照射到測試平面的自然光的光照度為St，傳感器a 與傳感器b 的測得該時刻的光照度分別為S1t和S2t，則有S1t=St×T1t，對于第一傳感器測得的光照度按日積分得到當日光照總量R1D，有：

由于透光率T1t在短期內不會有較大變化，因此當天T1t為常數計算，則有：

同理，對于傳感器b 測得的光照度按日積分得到當日的光照總量R2D，有：

再對兩者取比值作為當日的Dt值，則有：

將測得的數據進行計算整理，以為橫軸作PS 樣板的透光率變化曲線，PS 樣板在我國廣州地區的一年期的透光率變化曲線如圖3 所示。

圖3 高分子參考材料樣板PS 在我國廣州地區的一年期的透光率變化曲線

3.3 階段性性能測試對比

為了與現有的以高分子參考材料黃色指數、色差等性能指標為高分子老化程度[1,2,5]的方法進行對比，本文每2 個月對裝置PS 樣板開展了各項性能的階段性測試的對比，數據如下表所示。

將一上數據作圖如圖4 所示。并進行直線擬合，各種指標的R 值分別如表2 所示。

表1 高分子參考材料PS 樣板在廣州的各項性能

表2 高分子參考材料PS 樣板階段性性能測試結果線性擬合度

圖4 高分子參考材料樣板PS 在我國廣州地區的各項性能變化曲線

從圖4 和表2 的結果可知，對于階段性定期測量的PS 材料各項性能數據，除了光澤數據波動比較大以外，色差、黃色指數變化、透光率、霧度的直線擬合度均在0.95 以上，其中透光率測試結果直接擬合度R2達0.991，為各種指標中最優。因此，可以用透光率作為評定高分子參考材料的老化程度，從而作為衡量環境應力變化的指標。

4 試驗結果與討論

從上述的試驗數據可以得知，通過瞬時法，可以連續監測傳感器測得的透光率變化，但是由于不同太陽角度、不同光照度下，高分子參考材料樣板與高透玻璃材料樣板的反射、吸收性能會存在一定波動，傳感器a、b的比值也會呈現波動，因此更推薦使用日值積累法的方式進行計算。

通過日值積累法算得廣州地區一年期的高分子參考材料的透光率從89.5 下降至73.0，這與通過標準GB/T 2410-2008 方法測得的一年期透光率74.36 已非常近似（相對誤差僅1.83%），因此本文設計的裝置和方法可以通過高分子參考材料的透光率連續監測，從而實現對綜合環境應力的長期連續的量化評估。

5 結論

本文設計了一種基于高分子參考材料透光率變化的環境應力測試裝置，可以連續測量高分子材料透光率變化從而量化評定環境應力。通過試驗結果的分析對比，得到了以下結論：

1）裝置高分子參考材料在某環境下的老化性能衰減后產生的透光率變化特性，通過測量該透明高分子參考材料與高透玻璃材料之間的接受的自然光照的對比，實時計算該透明高分子參考材料的透光率變化，可以此量化評定環境應力。與目前通過光照強度、溫度、濕度等環境因素計算的環境應力模型相比，源于高分子參考材料的性能變化，而并非通過材料性能變化而推算環境應力模型的參數，其結果更為直接。

2）本文的日值積累法測得的透明高分子參考材料的透光率變化，其精度達95 %以上，因此可高精度實現連續地量化測量，作為老化試驗控制的基準，從而實現對試驗的精準控制。