高分子材料老化试验常用检测方法步骤详解

高分子材料因轻质、耐腐蚀、易加工等特性，广泛应用于航空航天、汽车制造、建筑装饰等领域，但长期暴露在光、热、氧、湿度等环境因子下，会发生分子链断裂、交联等老化反应，导致力学性能下降、外观劣化甚至功能失效。老化试验是提前评估材料耐用性的核心手段，而掌握常用检测方法的具体操作步骤，能为材料配方优化、产品使用寿命预测提供精准数据支撑。本文针对热、光、湿热、臭氧等典型老化类型，详细解析其检测流程及关键注意事项。

热老化试验检测步骤

热老化试验模拟材料在高温环境下的老化过程，核心是控制温度和时间变量。第一步是样品制备，需按照材料对应的国家标准（如塑料用GB/T 7141-2008、橡胶用GB/T 3512-2014）制作标准样条，比如塑料选A型拉伸样条，橡胶选哑铃型样条，每组至少准备5个老化样和5个未老化对照样，确保样品表面无划痕、气泡或杂质——这些缺陷会加速热老化进程，影响结果准确性。

接下来是试验设备的校准。热老化试验箱的温度均匀性直接影响结果，需用热电偶在箱内不同位置（如中心、四角、靠近加热管处）测试，确保温度偏差不超过±2℃。校准周期通常为6个月，若试验箱长期未用，使用前需重新校准。

试验条件的设定需结合材料实际应用场景。比如汽车内饰用PP材料，常见试验温度为100℃，时间1000小时；而耐高温尼龙可能需设定150℃，2000小时。温度选择需避免材料发生熔融——若试验温度超过材料熔点，会导致样品变形，无法反映真实老化情况。

样品放置时，需保持至少10mm的间距，避免样品重叠或接触箱壁、加热元件。比如在容积为100L的试验箱中，最多放置20个标准样条，确保箱内空气循环顺畅，每个样品承受均匀的热辐射。

试验过程中，需每24小时记录一次箱内温度，若发现温度波动超过±3℃，需立即停机检查——温度骤变会导致材料内部应力集中，影响老化速率。若试验时间超过1000小时，建议每两周开启箱门一次（时间不超过5分钟），释放箱内积聚的挥发性物质，避免其对样品产生二次影响。

试验结束后，需将样品取出，在标准环境（温度23℃±2℃，相对湿度50%±5%）下放置24小时，消除样品内部的热应力。之后测试其力学性能，比如拉伸强度、断裂伸长率，计算性能保留率（老化后性能/未老化性能×100%）——通常要求塑料拉伸强度保留率不低于80%，橡胶断裂伸长率保留率不低于50%。

需注意的是，热老化试验的时间与温度存在“Arrhenius关系”，即温度每升高10℃，老化速率约加快2-3倍，可通过短时间高温试验推算长期低温下的老化寿命，但需确保试验温度未超出材料的“线性老化区间”。

紫外光老化试验检测步骤

紫外光老化试验模拟材料在阳光下的老化过程，重点考察紫外线对分子链的破坏作用，常见于户外使用的材料（如塑料大棚膜、汽车涂料）。样品制备与热老化一致，需确保表面平整，无脱模剂残留——脱模剂会吸收紫外线，导致样品局部老化不均。

试验设备通常选用紫外光老化箱（如QUV系列），光源需根据材料敏感波长选择：UVA-340模拟太阳光中的短波紫外线（波长315-400nm），适合大多数户外材料；UVB-313波长更短（280-315nm），能量更高，用于加速老化试验。使用前需校准辐照强度，比如用辐射计测试UVA-340的辐照强度是否达到0.89W/m²@340nm，偏差不超过±5%。

试验条件设定需参考材料实际使用环境。比如南方地区户外材料，可设定“8小时辐照+4小时冷凝”的循环周期：辐照阶段黑板温度60℃（模拟白天高温），冷凝阶段温度50℃（模拟夜间露水）。湿度控制在50%左右，避免样品过度吸水。

样品放置时，需将其正面朝向光源，间距至少5mm，避免相邻样品产生阴影。若样品是薄膜或涂层，需固定在支架上，防止卷曲——卷曲会导致样品不同部位接受的紫外线剂量不均。

试验过程中，需定期检查样品外观：每24小时用肉眼观察是否有开裂、变色、失光等现象，并用相机记录（统一光源和角度）。对于涂料样品，可每100小时测试一次光泽度（用光泽度仪，60°角），若光泽度下降超过50%，需提前终止试验。

试验结束后，除了力学性能测试，还需重点评估外观变化：用色差仪测试样品的ΔE（总色差），ΔE>3通常视为明显变色；用显微镜（10-50倍）观察表面裂纹深度和密度。比如PVC户外型材经1000小时UVA老化后，ΔE应不超过5，表面无明显裂纹。

需注意的是，紫外光老化试验的加速倍数约为自然老化的5-10倍，但不同材料的加速倍数差异较大——比如聚丙烯的加速倍数约8倍，而聚碳酸酯仅约3倍，需通过自然老化数据验证加速试验的准确性。

湿热老化试验检测步骤

湿热老化试验模拟材料在高温高湿环境下的老化，常见于电子设备外壳、电线电缆绝缘层等需要耐湿热的产品。样品制备需注意：若材料是绝缘层，需保留原始厚度，避免切割导致的表面损伤——表面损伤会加速水分渗透。

试验设备为湿热试验箱，需同时校准温度和湿度：温度用热电偶测试，偏差±2℃；湿度用电容式湿度传感器测试，偏差±3%RH。校准后需运行24小时，确保温湿度稳定。

试验条件设定依据材料的使用场景：比如电子设备用ABS材料，常见条件为85℃/85%RH，时间1000小时；而电线电缆绝缘层用PE材料，可能设定60℃/90%RH，时间2000小时。湿度需控制在80%以上，否则无法模拟高湿环境的老化效应。

样品放置时，需将其垂直悬挂或水平放置在支架上，避免样品与样品、样品与箱壁接触——接触会导致局部湿度积聚，加速老化。若样品是零件（如手机外壳），需保持其原始形状，避免拆解。

试验过程中，需每12小时记录一次温湿度，若湿度低于设定值5%以上，需检查水箱水位和喷雾系统——湿热箱通常通过喷雾维持湿度，水箱缺水会导致湿度下降。

试验结束后，样品需在标准环境下放置48小时（比热老化更长），以完全释放内部水分。性能测试重点是电学性能：比如电线电缆绝缘层的绝缘电阻（用高阻计测试，电压500V），若绝缘电阻下降超过一个数量级（如从10¹²Ω降至10¹¹Ω），说明材料已发生明显老化。

对于塑料材料，湿热老化还会导致其结晶度变化——比如PET材料在85℃/85%RH下老化后，结晶度会从30%升至40%，导致刚性增加、韧性下降。可通过差示扫描量热仪（DSC）测试结晶度变化，辅助评估老化程度。

臭氧老化试验检测步骤

臭氧老化试验主要针对橡胶材料（如轮胎、密封件），臭氧会与橡胶中的双键反应，导致表面裂纹。样品制备需选用橡胶哑铃型样条（GB/T 528-2009），每组至少5个，表面无毛刺——毛刺会成为臭氧攻击的起点。

试验设备是臭氧老化试验箱，核心是臭氧浓度控制。使用前需用紫外吸收法校准臭氧浓度：将臭氧气体通入吸收池，测量254nm波长的吸光度，计算浓度是否符合设定值（如0.05ppm），偏差不超过±10%。

试验条件设定需参考材料使用环境：比如汽车轮胎在城市道路行驶，臭氧浓度约0.02ppm，可设定温度23℃（室温），湿度50%RH，静态拉伸20%（模拟轮胎使用时的拉伸状态）。若测试动态臭氧老化，需将样品固定在循环拉伸装置上，拉伸率0-30%，频率0.5Hz。

样品放置时，需将拉伸后的样条固定在支架上，避免与箱壁接触，且处于臭氧气流的中心区域——臭氧箱内的气流速度需保持0.5-2m/s，确保臭氧均匀分布。

试验过程中，需每24小时用显微镜（20倍）观察样品表面：记录裂纹出现的时间（“临界裂纹时间”）和裂纹长度。比如天然橡胶样条在0.05ppm臭氧下，通常24小时内会出现0.5mm长的裂纹，72小时后裂纹扩展至2mm。

试验结束后，需测试样品的拉伸强度保留率：将老化后的样条在拉力机上测试，对比未老化样条的拉伸强度。橡胶材料的臭氧老化通常是表面裂纹，内部性能变化较小——若拉伸强度保留率低于70%，说明裂纹已扩展至内部。

需注意的是，橡胶中的防老剂会影响臭氧老化结果：比如添加了对苯二胺类防老剂的橡胶，临界裂纹时间会延长至72小时以上。因此试验前需确认样品的配方，避免因防老剂含量不同导致结果偏差。

盐雾老化试验检测步骤

盐雾老化试验模拟材料在海洋或盐碱地区的腐蚀环境，主要用于涂层、镀层或高分子复合材料（如玻璃钢）。样品制备需保持表面清洁：用乙醇擦拭去除油污，避免油污影响盐雾的附着。

试验设备是盐雾试验箱，需提前配制盐溶液：用分析纯NaCl和去离子水配制5%（质量分数）的溶液，pH值调至6.5-7.2（用盐酸或氢氧化钠）。使用前需校准喷雾量：将80cm²的收集器放在箱内不同位置，收集1小时的喷雾量，应在1-2mL之间。

试验条件分为中性盐雾（NSS，35℃）、酸性盐雾（ASS，50℃）和铜加速盐雾（CASS，50℃），其中NSS最常用。比如汽车涂层通常做NSS试验，时间500小时；海洋用玻璃钢做ASS试验，时间1000小时。

样品放置时，需将其倾斜15-30度（模拟实际使用中的倾斜表面），面向喷雾方向，避免盐雾直接冲击样品表面——直接冲击会导致盐溶液快速流失，无法形成腐蚀环境。

试验过程中，需每48小时检查一次盐溶液浓度：若浓度低于4%，需补充NaCl；若pH值超出范围，需重新配制溶液。同时观察样品表面：涂层样品记录起泡时间、脱落面积；复合材料记录分层情况。

试验结束后，用去离子水冲洗样品表面的盐渍，干燥24小时后测试性能：涂层样品用划格法测试附着力（ISO 2409），若附着力从0级（无脱落）降至2级（脱落面积<15%），说明涂层已老化；复合材料测试弯曲强度（GB/T 1449-2005），若强度下降超过20%，需评估其使用安全性。

需注意的是，盐雾老化的腐蚀产物（如铁锈、盐晶）会覆盖样品表面，影响后续测试——冲洗时需用软毛刷轻轻刷去腐蚀产物，避免损伤样品表面。

老化后性能评估的基础检测步骤

无论哪种老化试验，最终都需通过性能测试评估老化程度，基础检测步骤涵盖外观、力学、物理、化学四大类。外观检测是最直观的方法：用肉眼或放大镜观察样品是否有裂纹、变色、变形、起泡等，记录缺陷的位置和尺寸——比如塑料样品表面出现0.1mm以上的裂纹，说明已发生明显老化。

力学性能测试是核心：拉伸强度（GB/T 1040-2018）反映材料的抗拉伸能力，断裂伸长率反映韧性，弯曲强度（GB/T 9341-2008）反映刚性。测试时需注意：老化后的样品可能变脆，需降低拉力机的测试速度（如从50mm/min降至20mm/min），避免样品断裂时飞散。

物理性能测试辅助评估内部变化：密度测试（排水法，GB/T 1033.1-2008）可反映材料的结晶度或孔隙率变化——比如老化后密度增加，说明结晶度提高；硬度测试（邵氏硬度，GB/T 2411-2008）反映材料的刚性变化——橡胶老化后硬度通常会增加10-20邵氏A。

化学性能测试揭示老化的本质：红外光谱（FTIR）可检测分子链的变化——比如聚乙烯老化后，羰基（C=O）峰（1715cm⁻¹）的强度会增加，峰面积越大，老化越严重；凝胶渗透色谱（GPC）可测试分子量分布——分子量下降说明分子链断裂，分子量增加说明交联。

电学性能测试针对功能材料：比如绝缘材料的绝缘电阻、介电常数（GB/T 1409-2006），导电塑料的电阻率（GB/T 15662-1995）。若绝缘材料的介电常数从2.5升至3.0，说明材料内部引入了极性基团（如羟基），绝缘性能下降。

需注意的是，性能评估需结合多项指标：比如某塑料样品热老化后，拉伸强度保留率85%（符合要求），但羰基峰面积增加了50%（分子链断裂严重），说明其长期使用仍有风险——单一指标无法全面反映老化程度。