塑料自然气候暴露试验方法按ISD/DIS 877国际标准［71］可分为：直接大气老化方法（方法A）、用玻璃过滤日光后的间接大气老化方法（方法B），以及强化日光老化方法（方法C）。方法A和方法B采用的是固定装置，方法C采用的是一个具有10块平面镜的Fresnel反射会聚装置，可以跟踪太阳。这种装置可用于大多数塑料的户外加速暴露试验。
这里仅介绍常用的直接大气老化方法，即方法A。
（一）自然气候环境
塑料在自然气候环境中，受到各种大气因素如光、热、氧、雨水、灰尘等的综合作用以及工业大气污染物的作用，而会发生老化破坏，最终失去使用价值。然而，自然气候环境千变万化，同时还受地理位置的限制。因此，选择自然气候环境暴露场显得十分重要。在暴露场测试的数据，不仅可以研究和评价各种塑料在大气因素综合作用下的老化和防老化的规律，而且还可以与不同地理位置的暴露场测试数据的比较，以及利用当地气象资料进行粗略的推测。国际上普遍采用的标准是美国佛罗里达暴露场，广州田心岗暴露场是中国最大的暴露试验场。
1.广州田心岗暴露场［71］
广州田心岗暴露场是目前中国最大的暴露试验场，居世界第四位。占地面积为4.4万m2，位于广州沙河镇东北约5km处。暴露场气候环境因素年平均值见表3－4－1。该暴露场1988年2月从广州天河（1962年建立）迁至新址。有直接暴露试验装置，玻璃板下暴露试验装置和跟踪太阳试验装置。其中直接暴露装置，暴露架分为固定式和可移动式两类。角度为0°、15°、23°（广州纬度角）、固定角度和0°～90°可调式4种。
表3－4－1 广州田心岗暴露试验场气候环境因素年平均值（1989年）
续表
注：①根据1983年至1989年7年年平均辐射量，最大值是23°为4686.67MJ/（m2·a），比0°角大2.08%。
23°固定式暴露架，固定在水泥基础上。0～90°固定式可调角度暴露架，通常调整在45 °角。
暴露架总暴露面积为1028m2，暴露架上最低点离地面高度：固定式23°和45°的为1m。全部暴露架朝南。
2.全国七个暴露试验站［72］
中国地域辽阔，气候环境多样，为了系统积累常用合成材料在各种大气环境条件下的老化数据和探索材料在大气环境中的老化规律，也为国民经济各部门设计选材，合理用材，节能节材，制订大气环境老化防护标准等提供科学依据，常用合成材料大气老化试验于1983年开始，1989年结束。这次试验的气候区域不仅类型全而且覆盖面大。全国7个暴露试验站的主要大气环境因素年平均值见表3－4－2。
这些数据十分难得，关于塑料8类29个牌号在全国暴露试验站同时暴露试验结果，将在后面详细介绍。
表3－4－2 全国7个暴露试验站的主要大气环境因素年平均值（1883—1989年）
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（二）塑料自然气候暴露试验方法及评价
塑料自然气候暴露试验（又称户外耐候试验），就是将塑料试样置于自然气候环境下暴露，使其经受日光、温度、氧等气候因素的综合作用，通过测定其性能的变化来评价塑料的耐候性。
塑料自然气候暴露试验方法是采用暴露架，并按照《GB/T 3681－2011塑料自然日光气候老化、玻璃过滤后日光气候老化和菲涅耳镜加速日光气候老化的暴露试验方法》标准进行。标准中有以下规定。
①暴露场应选择在能代表某一气候类型最严酷的地区或近似于实际应用的地区建立。
②场地应平坦空旷。用朝南45 °角暴露时，暴露面的东、南、西方向应没有仰角大于20 °、北方向没有仰角大于45 °的障碍物。
③暴露架是用于暴露试样的，其架面具有一定倾角的支架。
④架面的方位朝正南。
⑤架面与水平面的倾角（即暴露角）一般采用45 °。为使试样获得最大的年辐射量，暴露角应等于场地的地理纬度，对特定场地或特殊用途，可采用其他角度。
⑥试验开始时间最好在春末夏初。
⑦当主要性能指标已降至实际使用的最低允许值或某一保留率以下时，试验便可结束。
⑧测试指标应根据塑料的品种、用途和特性来选择。一般选择外观和物理力学性能指标。
⑨在暴露场内或其邻近设立气象观测站。位于国家气象台站邻近的暴露场，则可直接利用国家气象台站的观测资料。
标准中还规定：塑料的耐候性，以其试样在该试验场气候条件下被测指标的变化达到规定值（实际使用的最低允许值或某一保留率）时的暴露时间表示。
实例：常用塑料
种类和牌号：见表3－4－3。
表3－4－3 常用塑料种类和牌号［73］
试验装置：各试验站统一采用朝南45°暴露角，各品种试件预先固定在50cm×50cm的木框上，再将木框投放在户外暴露架上。
试验标准及条件：按《GB/T 3681－2011塑料 自然日光气候老化、玻璃过滤后日光气候老化和菲涅耳镜加速日光气候老化的暴露试验方法》进行。试验环境条件见表3－4－2。
测试结果：见表3－4－4，表3－4－5，表3－4－6。
表3－4－4 四种牌号聚丙烯试样不同地区暴露后拉伸强度保持率［74］ 单位：%(www.xing528.com)
注：①含UVA－3。
②含UVA－1。
③含UVA－3。
表3－4－5 两种牌号聚碳酸酯试样在万宁暴露后冲击强度（缺口）保持率［75］ 单位：%
表3－4－6 塑料在6个地区户外暴露试验的老化时间对比系数［73］
续表
注：①根据各类塑料试样在全国6 个气候区的户外暴露试验所取得的力学性能数据进行回归分析和数据的数理统计结果，发现塑料在各地区大气老化的时间t与其性能保持率y之间存在着相关性，这种关系基本可分为两种典型，即y＝e－bt和y＝e－（a +bt），a和b为实验常数。根据关系式，求得塑料在各地区相对广州地区的大气老化某力学性能保持率相同时间即老化时间对比系数。
②1985—1989年测得的年均太阳紫外能量约占总辐射量的7%。
评价：常用塑料大气老化试验历经6年（1983—1989年）和6个地区，是中国有史以来时间最长、规模最大的一次试验，是国家重大基础性研究项目，试验成果难得，具有十分重要的价值。
从表3－4－4可以看出，如果以拉伸强度保持达50%的老化时间为终止指标评价4种聚丙烯在6个地区的户外暴露寿命，1300试样没有添加光稳定剂，性能最差，户外寿命为近1年（海南万宁）到2年（哈尔滨）；1330试样添加光稳定剂，户外寿命为3年到6年以上；3402M试样添加光稳定剂，户外寿命为3年到6年以上；3402N试样添加光稳定剂，户外寿命为4年到6年以上。这样可以说明光稳定剂起到了一定的防护作用。同时，还可以看出聚丙烯试样户外暴露后6个地区的老化速率为：万宁＞广州＞吐鲁番＞北京＞江津＞哈尔滨，老化速率与气候环境有紧密关系。
从表3－4－5可以看出，前9个月PCZ与PC的冲击强度（缺口）保持率开始时下降迅速，以后下降很少，其保持率PCZ优于PC。
从表3－4－6可以看出，塑料的力学性能在万宁站的大气老化速率最快，其次是广州，最慢是哈尔滨。
聚烯烃塑料在北热带湿润区万宁和南亚热带湿润区广州，与在中温带亚湿润区哈尔滨的老化速率差异较大；在南亚热带湿润区江津与在中温带亚湿润区北京的老化速率的差别并不大；在地处中温带内陆沙漠干热区吐鲁番的老化速率仅次于广州或者相当。而其他塑料在万宁、广州地区与哈尔滨的老化速率差距并不太大，看来这类塑料对各种气候区域的适应性较聚烯烃类塑料强。
另外，还可以看出硬聚氯乙烯5701断裂伸长率在江津地区的老化时间对比系数0.76，老化速率大于万宁和广州，从江津的大气腐蚀性成分分析，江津雨水的pH是4.2，酸度较大，而且大气中SO2的含量高达0.6892mg/（100cm2·d），是这几个地区之冠，所以虽然从一般观念认为硬聚氯乙烯是一种耐酸腐蚀的塑料，可是试验说明不能忽略在光和氧诱发下的酸性腐蚀介质对它的腐蚀作用；通用聚苯乙烯PS－1，PS－2（添加了少量的抗氧剂）在吐鲁番地区的拉伸强度和缺口冲击强度所显示的老化速率较快，这现象可能是因为这种半线型结构，无定型的非晶体，质坚韧、硬而脆的塑料对日温差变化大的沙漠干热气候环境较敏感所致；尼龙塑料的力学性能，除受紫外辐照外还受温度和湿度的影响较大，试验结果表明，尼龙1010在只有北热带湿润区海洋气候的万宁的缺口冲击强度下降最快。
（三）塑料制品使用寿命估算
塑料制品户外使用寿命估算，虽然目前还没有公认的方法及标准，但是一般还是采用加速倍率方法及测试结果推测塑料制品的使用寿命。当然，这种估算结果的精确性和可靠性现在还不够理想，只要按照一定的推测塑料使用寿命的程序（可参照本章第三节塑料使用寿命估算程序）就可以获得比较可靠的结果。
所谓加速倍率［64］，是塑料在选定暴露场地的老化速度比在其他地区快多少。如果知道了加速倍率，就可以根据在选定场地的试验结果合理地估算塑料在其他地区的使用寿命。但要注意如果老化是由于其他一些因素造成的，而这些因素各地又不相同，那么这种估算就会出现错误。
实例：常用塑料：塑料的种类和牌号、试验装置、试验标准及条件同上述实例。
测试结果：
①根据各类塑料试样在全国6个气候区的户外暴露试验所取得的力学性能数据进行回归分析和数据的数理统计结果，提出了塑料老化动力学规律的数学模式［73］。
a. 适应于老化机理以降解或交联为主的聚烯烃塑料：
式中 y——性能保持率，%
t——各地区大气老化的时间，a
b——实验常数
b. 适应于老化机理较复杂的其他塑料：
式中 y——性能保持率，%
t——各地区大气老化的时间，a
a、b——实验常数
上述指数函数关系式中，a和b实验常数随试验地区、试样种类及力学指标而异。图3－4－1表示了3种塑料的不同力学性能，在万宁地区的回归分析与试验数据的对照结果，基本上是吻合的。
图3－4－1 万宁地区力学性能回归分析与实测结果比较
1—0－PVC，5320－2（ε—断裂伸长率，%）2— X－PP，1330（σ—拉伸强度，MPa）3—Δ－PS－2（αk—缺口冲击强度，kJ/m2）
根据式（3－2）、式（3－3）关系式，可以求得塑料在各地区相对于广州地区的大气老化某力学性能保持率（50%）相同时的老化时间对比系数，即加速倍率。其结果见表3－4－6，从表中可以推测，如果聚丙烯1300在广州使用寿命为1年，那么在哈尔滨使用寿命可达2.31年。
②根据塑料老化动力学规律的数学模式，通过短期户外暴露试验，可以推测某力学性能下降至某保持率（50%）时的长期使用寿命。表3－4－7是根据式（3－2）、式（3－3）关系式和通过6年的户外暴露试验，推测出塑料在典型气候区域力学性能下降至50%的时间。从表3－4－4和表3－4－7对比可以推测出，聚丙烯3402N在广州户外暴露试验72个月，拉伸强度保持率为89%。而拉伸强度保持率降至50%时的使用寿命可达343.27个月。
表3－4－7 塑料在典型气候区域力学性能下降至50%时间［73］单位：月
评价：虽然上述测试结果是建立在全国6个气候区和6年试验基础上，对选材、用材和预测材料的大气老化寿命有一定的指导意义，但是各类塑料老化历程各不相同，环境因素影响也错综复杂，因此，应用时要认真分析，特别是推测长期使用寿命要更加注意，不能直接套用。
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