基于高分子参考材料透光率变化的环境应力测试装置及方法研究

陈心欣，时宇，彭煌，张晓东，祁黎，陶友季

（1.中国电器科学研究院股份有限公司，广州 510663；2.工业产品环境适应性全国重点实验室，广州 510663；3.广东省高分子材料环境适应性评价与检测技术重点实验室，广州 510663）

引言

环境应力反映了环境因素对产品的作用。不同地区的太阳辐照、气温和湿度等环境因素对产品的综合作用影响，即为综合环境应力。对于材料老化领域，综合环境应力的精准量化测量，是开展环境试验以及进行材料及产品性能设计的前提和基础[1]。现有的方法一般是通过定期阶段性测试高分子材料的黄色指数、色差、雾度等的变化[2-5]，评价其在不同气候环境的老化行为[6-8]。但此类现有的评价方法测试时间长，而且测试得到的数据不连续，无法实现对试验时间精准控制的目标。

因此，本文设计了一种基于高分子参考材料透光率变化的环境应力测试装置，可以连续测量高分子材料透光率变化，以此量化评定环境应力。

1 装置原理

本文设计的基于高分子参考材料透光率变化的环境应力测试装置，其结构原理图如图1 所示。

图1 装置结构示意图

装置的主要关键部件为透明高分子参考材料样板和高透玻璃材料样板，两者厚度相同并且位于同一平面，其下方方式相同的光照传感器。其中透明高分子参考材料样板正下方放置传感器a，高透玻璃材料样板正下方放置传感器b，两者用于检测光照度，且经过计量标定，两个传感器的测量误差在2 %以内。

装置还配备的测量存储电路，用于记录和存储传感器的测试结果，实现实时测量记录计算等功能。

2 试验过程

本文选用聚苯乙烯，简称PS，作为透明高分子参考材料样板制得测试装置，在试验开始前，按标准GB/T 2410-2008 方法B （C 光源）对分别对装置上的PS 样板及高透玻璃材料样板进行透光率测试[9]。测得PS 样板的透光率T10=89.5，高透玻璃材料样板的透光率T20=93.2。

将装置启动至于我国广州地区室外露天向南19 °角（纬度角）固定安装，实时监测传感器数据并记录。

经过一年期试验后，同样对装置上的PS 样板及高透玻璃材料样板进行透光率测试，得到一年期结束后PS样板的透光率T1f=74.36 ，高透玻璃材料样板的透光率T2f=93.4。

3 试验数据的处理方法

本文设计的基于高分子参考材料透光率变化的环境应力测试装置，其数据处理方法有瞬时法和日值积累法两种。

3.1 瞬时法

首先通过下式计算原始的透光率比值为D0=0.960 3。

PS 样板的透光率通过如下方式计算：

假设初始状态下，某一时刻照射到测试平面的自然光的辐照度或光照度为S0，PS 样板与高透玻璃材料样板的透光率分别为T10与T20，第一传感器与第二传感器测得的辐照度或光照度分别为S10和S20，二者的比值为D0，则有：

同理，在测量进行一定时间后，某一时刻照射到测试平面的自然光的光照度为St，此刻所述PS 样板的透光率下降到T1t，所述高透玻璃材料样板的透光率变化至T2t，传感器a 与传感器b 测得该时刻的辐照度或光照度分别为S1t和S2t，二者的比值为Dt，则有：

由于高透玻璃材料样板的耐老化性能良好，其透光率变化可以忽略，令T2t≈T20，则有：

因此，通过测量传感器a 和b 之间的透光率比，即可计算出PS 样板的透光率T1t，算式如下：

图2 为PS 样板与高透玻璃材料样板在我国广州地区的某一典型日的光照度以及两者透光率比变化曲线。

图2 装置传感器测得的一天内透光率变化曲线及透光率比

3.2 日值积累法

原始的透光率比值的计算方法与瞬时法相同，算得D0=0.960 3。

在测量进行一定时间后，PS 样板1 的透光率下降到T1t，高透玻璃材料样板2 的透光率变化至T2t，在当天某一时刻照射到测试平面的自然光的光照度为St，传感器a 与传感器b 的测得该时刻的光照度分别为S1t和S2t，则有S1t=St×T1t，对于第一传感器测得的光照度按日积分得到当日光照总量R1D，有：

由于透光率T1t在短期内不会有较大变化，因此当天T1t为常数计算，则有：

同理，对于传感器b 测得的光照度按日积分得到当日的光照总量R2D，有：

再对两者取比值作为当日的Dt值，则有：

将测得的数据进行计算整理，以为横轴作PS 样板的透光率变化曲线，PS 样板在我国广州地区的一年期的透光率变化曲线如图3 所示。

图3 高分子参考材料样板PS 在我国广州地区的一年期的透光率变化曲线

3.3 阶段性性能测试对比

为了与现有的以高分子参考材料黄色指数、色差等性能指标为高分子老化程度[1,2,5]的方法进行对比，本文每2 个月对装置PS 样板开展了各项性能的阶段性测试的对比，数据如下表所示。

将一上数据作图如图4 所示。并进行直线拟合，各种指标的R 值分别如表2 所示。

表1 高分子参考材料PS 样板在广州的各项性能

表2 高分子参考材料PS 样板阶段性性能测试结果线性拟合度

图4 高分子参考材料样板PS 在我国广州地区的各项性能变化曲线

从图4 和表2 的结果可知，对于阶段性定期测量的PS 材料各项性能数据，除了光泽数据波动比较大以外，色差、黄色指数变化、透光率、雾度的直线拟合度均在0.95 以上，其中透光率测试结果直接拟合度R2达0.991，为各种指标中最优。因此，可以用透光率作为评定高分子参考材料的老化程度，从而作为衡量环境应力变化的指标。

4 试验结果与讨论

从上述的试验数据可以得知，通过瞬时法，可以连续监测传感器测得的透光率变化，但是由于不同太阳角度、不同光照度下，高分子参考材料样板与高透玻璃材料样板的反射、吸收性能会存在一定波动，传感器a、b的比值也会呈现波动，因此更推荐使用日值积累法的方式进行计算。

通过日值积累法算得广州地区一年期的高分子参考材料的透光率从89.5 下降至73.0，这与通过标准GB/T 2410-2008 方法测得的一年期透光率74.36 已非常近似（相对误差仅1.83%），因此本文设计的装置和方法可以通过高分子参考材料的透光率连续监测，从而实现对综合环境应力的长期连续的量化评估。

5 结论

本文设计了一种基于高分子参考材料透光率变化的环境应力测试装置，可以连续测量高分子材料透光率变化从而量化评定环境应力。通过试验结果的分析对比，得到了以下结论：

1）装置高分子参考材料在某环境下的老化性能衰减后产生的透光率变化特性，通过测量该透明高分子参考材料与高透玻璃材料之间的接受的自然光照的对比，实时计算该透明高分子参考材料的透光率变化，可以此量化评定环境应力。与目前通过光照强度、温度、湿度等环境因素计算的环境应力模型相比，源于高分子参考材料的性能变化，而并非通过材料性能变化而推算环境应力模型的参数，其结果更为直接。

2）本文的日值积累法测得的透明高分子参考材料的透光率变化，其精度达95 %以上，因此可高精度实现连续地量化测量，作为老化试验控制的基准，从而实现对试验的精准控制。