高分子材料老化试验包含哪些主要检测项目指标

高分子材料广泛应用于航空航天、汽车、电子、建筑等领域，但在光、热、氧、湿度、机械应力等环境因素作用下，会发生老化降解，导致性能下降甚至失效。老化试验通过模拟或加速环境条件，评估材料的耐老化性能，其中检测项目指标是判断老化程度的核心依据。本文将详细梳理高分子材料老化试验中主要的检测项目与指标，为材料研发、质量控制提供参考。

外观性能检测：直观反映老化初期变化

外观是高分子材料老化最直观的表现，也是快速筛查老化程度的第一步。常见指标包括变色、失光、裂纹、起泡、粉化等，这些变化通常由表面分子链降解或添加剂迁移引起。例如，聚丙烯（PP）材料在紫外光照射下，表面羟基和羰基基团增加，会出现明显的黄变；橡胶制品在热氧老化过程中，内部硫化剂迁移或交联密度不均，易产生表面起泡。

变色指标通常用色差仪测量，以ΔE（总色差）表示，ΔE越大说明变色越严重。例如，白色ABS塑料在氙灯老化500小时后，ΔE从0.5升至8.0，即从几乎无变色到明显发黄。失光性通过光泽度仪检测，常用60°或85°入射角的光泽度变化率，如汽车涂料老化后，60°光泽度从90降至40，说明表面失光严重，影响外观质感。

裂纹是老化的重要失效形式，需检测裂纹的长度、宽度、密度及分布，常用显微镜或游标卡尺测量。例如，聚乙烯（PE）管材在长期户外使用中，会出现沿轴向的细裂纹，长度超过10mm或宽度超过0.5mm时，会影响管材的耐压性能。粉化则通过胶带法（用胶带粘取表面粉末）或落砂法评估，分为0-5级，0级无粉化，5级严重粉化，如户外用聚丙烯薄膜老化后，粉化等级达到3级时，会失去防护功能。

力学性能检测：核心评估结构完整性

力学性能是高分子材料承载能力的核心指标，老化后力学性能下降直接影响材料的使用安全性。主要检测项目包括拉伸强度、断裂伸长率、冲击强度、弯曲强度、硬度等，通常以老化后的性能保持率（如拉伸强度保持率=老化后强度/初始强度×100%）作为评价依据。

拉伸强度反映材料抵抗拉伸破坏的能力，是结构件的关键指标。例如，汽车保险杠用PP/EPDM合金材料，初始拉伸强度为25MPa，老化1000小时后降至15MPa，保持率60%，此时材料的抗冲击能力已无法满足保险杠的安全要求。断裂伸长率则衡量材料的柔韧性，对于橡胶、弹性体等柔性材料尤为重要，如丁苯橡胶（SBR）的断裂伸长率从500%降至100%，说明材料从高弹性变为脆性，无法用于轮胎胎面。

冲击强度分为悬臂梁冲击（Izod）和简支梁冲击（Charpy），用于评估材料的抗冲击能力。例如，PC（聚碳酸酯）板材初始简支梁冲击强度为80kJ/m²，老化后降至20kJ/m²，说明材料脆化，无法用于建筑采光板。弯曲强度适用于承受弯曲载荷的结构件（如塑料型材），初始弯曲强度为40MPa的PVC型材，老化后降至25MPa，会导致型材变形或断裂。

硬度检测常用邵氏硬度（A或D型）或洛氏硬度，反映材料的抵抗压痕能力。例如，热塑性弹性体（TPE）的邵氏A硬度从80降至60，说明材料变软，无法用于手持设备的防滑外壳；而酚醛树脂等热固性材料，老化后硬度从洛氏M90升至M100，说明材料变脆，易开裂。

热性能检测：揭示热老化的内在降解

热老化是高分子材料常见的老化类型，热性能检测通过分析材料的热稳定性和相变行为，揭示分子链的降解或交联。主要指标包括热失重（TGA）、玻璃化转变温度（DSC）、热变形温度（HDT）等。

热失重分析（TGA）通过测量材料在升温过程中的质量损失，评估热稳定性，常用5%或10%失重温度（T5%、T10%）表示，温度越高说明热稳定性越好。例如，聚酰胺（PA6）的T5%从320℃降至280℃，说明老化后分子链断裂，热分解温度降低，无法用于高温环境的齿轮零件。

玻璃化转变温度（Tg）是无定形高分子材料从玻璃态转变为高弹态的温度，通过差示扫描量热仪（DSC）测量。老化后，若材料发生分子链断裂，Tg会降低（如PVC老化后Tg从80℃降至70℃）；若发生交联反应，Tg会升高（如天然橡胶热氧老化后Tg从-70℃升至-50℃）。Tg的变化直接影响材料的使用温度范围，例如，Tg升高的橡胶制品，低温弹性会下降，无法在寒冷地区使用。

热变形温度（HDT）是材料在规定负荷下发生一定变形的温度，通过热变形温度仪检测，反映材料的高温抗变形能力。例如，PP材料的HDT从100℃降至80℃，说明老化后高温下易变形，无法用于汽车发动机周边的塑料部件。

化学性能检测：分析分子结构降解

化学性能检测直接针对分子结构的变化，是评估老化机理的关键。主要指标包括分子量及分布（GPC）、羰基指数（FTIR）、交联密度等。

分子量及分布通过凝胶渗透色谱（GPC）测量，数均分子量（Mn）、重均分子量（Mw）及分散度（Mw/Mn）的变化反映分子链的断裂或交联。例如，PE材料光老化后，Mw从50万降至20万，Mn从20万降至8万，说明分子链发生严重断裂，材料的力学性能会大幅下降。

羰基指数（CI）是红外光谱（FTIR）中羰基吸收峰（约1710cm-1）与参考峰（如C-H键的2920cm-1）的强度比，用于评估氧化程度。CI越大说明氧化越严重，例如，PP材料在紫外老化1000小时后，CI从0.1升至0.8，说明表面氧化降解严重，产生大量羰基基团。

交联密度是橡胶材料的重要指标，通过溶胀法（测量橡胶在溶剂中的溶胀度）或动态力学分析（DMA）的储能模量（E’）评估。交联密度增加会导致橡胶变硬、弹性下降，例如，丁腈橡胶（NBR）老化后，溶胀度从200%降至100%，说明交联密度翻倍，无法用于密封件的弹性要求。

电学性能检测：针对绝缘材料的关键指标

许多高分子材料用作电气绝缘材料（如电缆绝缘层、电子元件外壳），老化后电学性能下降会引发漏电、短路等安全问题。主要指标包括体积电阻率、表面电阻率、介电常数、介电损耗角正切、击穿电压等。

体积电阻率（ρv）和表面电阻率（ρs）反映材料的绝缘能力，通过高阻计测量，单位为Ω·m（体积）或Ω（表面）。老化后，材料内部产生导电杂质（如氧化产物），ρv会大幅降低，例如，交联聚乙烯（XLPE）电缆绝缘层的ρv从10¹⁶Ω·m降至10¹²Ω·m，会导致泄漏电流增大，电缆发热严重。

介电常数（ε）和介电损耗角正切（tanδ）反映材料在电场中的极化和能量损耗，通过介电谱仪测量。ε增大或tanδ升高说明材料的介电性能下降，例如，聚四氟乙烯（PTFE）老化后，tanδ从0.0002升至0.001，会导致高频电路中的信号衰减增加。

击穿电压是材料在电场中发生击穿的临界电压，通过击穿电压仪测量，单位为kV/mm。老化后，材料内部缺陷（如裂纹、气泡）增加，击穿电压会下降，例如，环氧树脂绝缘板的击穿电压从30kV/mm降至15kV/mm，无法用于高压电器的绝缘隔板。

光学性能检测：适用于透明或耐候材料

透明或浅色高分子材料（如PET瓶、PC板材、汽车灯罩）的光学性能直接影响其使用价值，老化后光学性能下降会降低产品的功能性或美观性。主要指标包括透光率、雾度、黄变指数（YI）等。

透光率和雾度通过雾度仪测量，透光率是光线透过材料的比例，雾度是透过材料后散射光的比例。例如，PET饮料瓶的初始透光率为90%，雾度为2%，老化后透光率降至75%，雾度升至15%，会导致瓶内饮料看起来浑浊，影响消费者购买意愿。

黄变指数（YI）用于评估白色或浅色材料的发黄程度，通过色差仪测量，YI越大说明黄变越严重。例如，白色PP注塑件的初始YI为5，老化后升至25，外观从白色变为浅黄色，无法用于家电外壳的美观要求。

对于光学器件用材料（如光学级PMMA），还需检测折射率变化，折射率的微小变化（如从1.49升至1.50）会影响光学元件的成像质量，因此需严格控制老化后的折射率变化在0.001以内。

耐候性相关检测：模拟自然环境的综合评估

耐候性是材料抵抗自然环境（光、热、雨、风、盐雾）的能力，通过加速老化试验（如氙灯老化、紫外老化、盐雾老化）模拟，评估材料的综合性能保持率。

氙灯老化试验模拟全光谱阳光照射，同时加入温度、湿度循环，常用检测指标包括拉伸强度保持率、色差ΔE、光泽度变化率。例如，建筑用PVDF涂层在氙灯老化1000小时后，拉伸强度保持率≥85%，ΔE≤5，光泽度保持率≥80%，即为合格。

紫外老化试验模拟阳光中的紫外部分（UV-A或UV-B），重点评估材料的光降解，常用指标包括裂纹产生时间、断裂伸长率保持率。例如，户外用PE薄膜在UV-B老化800小时后，未出现裂纹，断裂伸长率保持率≥60%，说明耐紫外性能良好。

盐雾老化试验模拟沿海或潮湿环境的盐雾腐蚀，针对含金属镀层或填充剂的高分子材料（如镀锌钢塑复合管），检测指标包括表面腐蚀面积、镀层附着力。例如，钢塑复合管在中性盐雾老化500小时后，表面腐蚀面积≤5%，镀层附着力≥5MPa，说明耐盐雾性能合格。