悬臂梁缺口冲击强度是考察塑料耐候性的主要指标之一，本文通过对3种塑料经过氙灯暴露、荧光紫外灯暴露后的悬臂梁缺口冲击强度值的对比分析，清晰表明了在塑料缺口冲击强度试样的耐候性试验中，其暴露方向和安装方式直接影响试验后的缺口冲击强度值，因此，对于塑料光源暴露试验后的缺口冲击强度，无论在设计光源暴露试验方案还是在应用测试结果时，都宜指明试样的暴露方向和安装方式。

简介：张志勇，高级工程师。主要从事工业产品的环境适应性研究工作，有多年的汽车材料及零部件耐候性检测经验。

引言

塑料耐候性主要考察指标包括塑料气候老化试验前后的颜色、光泽、粉化、裂纹、变形等外观变化，以及力学或其他性能的变化。测定方法可参考国家标准GB/T 15596-2021《塑料在玻璃过滤后太阳辐射、自然气候或实验室辐射源暴露后颜色和性能变化的测定》，大部分考查项目如颜色、光泽、粉化、裂纹等，气候老化前后毋容置疑检测的都是试验样品的同一表面，也即试验样品的暴露面（气候老化试验中受光源照射的表面），但有些项目如该标准第5章末尾的注2中提到的塑料弯曲性能项目，试验结果依赖于试样的暴露面，在弯曲试验中，受压面是试样的暴露面还是非暴露面会得到不同的结果，这是在弯曲试验过程中需要明确的问题。还有一个主要的力学性能项目——悬臂梁缺口冲击强度，其耐候性结果也与暴露面（暴露方向）有关，但这一问题在GB/T 15596-2021中没有提及，现行有效的塑料实验室光源暴露试验方法标准GB/T 16422.1—2019、GB/T 16422.2—2022、GB/T 16422.3—2022等也未规定，在GB/T 16422.1—1996（等同采用ISO4892-1: 1994）6.1.3中曾明确规定：“……，尤其是缺口冲击强度试样，其缺口必须在曝露前切制，并且缺口面应向光源曝露……”，但在该标准的后续版本中取消了这一要求，目前，仅在个别企业标准中还有这一要求。针对这个问题，本文通过组织3种塑料的缺口冲击强度试样，分别采用照射图1中试样的A面和B面的方式进行氙灯暴露试验和荧光紫外灯暴露试验，并分析比较不同暴露方向及安装方式下试验结果的差异，给从事有关耐候性试验工作的同行提供借鉴。

试验部分

01、试验样品

3种塑料：PP（聚丙烯）、HIPS（耐冲击性聚苯乙烯）、LLDPE（线性低密度聚乙烯），按GB/T 1843/A制样，每种塑料样条数量为84条，分为7组，每组12条，其中2条用于悬臂梁冲击强度测试的试机或补测数据用。1个组用于初始测试，3个组用于氙灯暴露试验后的测试，3个组用于荧光紫外灯暴露试验后的测试，在进行氙灯或荧光紫外灯暴露试验时，3个组分别采用3种不同的安装方式：无间隔平放、无间隔立放、有间隔立放，见图1。

图1 试样的暴露面、光照方向和安装方式示意图

02、试验设备

氙灯老化试验箱，Ci4000，美国Atlas公司；荧光紫外灯试验箱，UV2000， 美国Atlas公司；摆锤冲击试验机，HIT 5.5P ，德国Zwick公司。

03、氙灯暴露试验

按照GB/T 16422.2—2022，循环1的条件，主要参数：102min干燥/18min 喷淋，辐照度0.51W/(m2 ▪nm)@340nm，黑标温度65℃（干燥段，喷淋段不控制），试验箱温度38℃（干燥段，喷淋段不控制），相对湿度50%（干燥段，喷淋段不控制）。试验持续时间720h。

04、荧光紫外灯暴露试验

按照GB/T 16422.3—2022，循环1的条件， UVA-340（1A型），8h干燥/4h凝露，其中干燥段参数：辐照度0.76W/(m2 ▪nm)@340nm，黑板温度60℃；凝露段参数：关闭紫外灯，黑板温度50℃。试验持续时间480h。

05、试验样品

按照GB/T 1843—2008进行试验。

结果与讨论

01.结果分析的考量因素

1.1 试样暴露方向和安装方式对试验环境因素及老化效果的影响

1）对光照及光老化影响的定性分析

对应图1的不同的暴露方向和安装方式，下面简单分析试样的光老化效果，试样老化从暴露面逐渐向内部扩展，经过一段试验时间后，形成具有一定厚度的老化层，试样断面老化区域示意见图2阴影部分所示：

图2 缺口处横截面老化示意图

a）对无间隔平放的方式，试样正对光源的暴露面大，从试样断面分析，在一定时间内，其老化面积占断面的比例最大；

b）对无间隔立放的方式，试样正对光源的暴露面小，其老化面积占断面的比例最小；

c）对无间隔立放的方式，试样正对光源的暴露面小，但两垂直侧面也会受到试验光源散射光或反射光的照射，只是辐射强度较弱，因此，其总的老化面积占断面的比例居中。

2）对温度及湿度影响的定性分析

对于三种安装方式，可以认为试样在氙灯暴露试验或荧光紫外灯暴露试验的每一个试验段都会达到温度稳定，热老化效果差异应较小，只是无间隔立放试样，由于试样垂直的侧面紧密相贴，周围空气流通不畅，达到温度稳定的时间会稍长；同样的原因，无间隔立放试样在氙灯暴露试验喷水试验段或荧光紫外灯凝露试验段，水分的渗透进程会较慢，而在这些试验段结束后，水分的蒸发也会相应变慢，所以总的说来，无间隔立放试样的含湿量会相对较高。

1.2 塑料悬臂梁冲击强度测试中摆锤的能量损失

塑料悬臂梁冲击强度测试中，摆锤在塑料试样破断过程中损失的能量包括：

1）引起试样初始开裂所需的能量；

2）将裂缝扩展到试样整个断面所需的能量；

3）抛掷试样断开后自由端所需的能量（抛掷修正值）；

4）试样弯曲所需的能量；

5）引起摆锤臂振动所需的能量；

6）引起冲击仪器框架或基座振动或水平移动所需的能量；

7）克服摆锤轴承、示值机构摩擦以及摆锤空气阻力所需的能量；

8）试样冲击线处压陷或塑性变形所需的能量；

9）克服摆锤冲击头在弯曲的试样面上摩擦所需的能量。

设计良好的冲击仪器，具有足够的刚性和质量，第6）、7）项能量损失应该很小。对于相对脆性的材料，裂缝扩展所需的能量小于引起初始开裂所需能量，仪器显示的被吸收的冲击能量实际上是第1）项和第3）项之和。当测试密度大的脆性材料时，第3）项抛掷修正值可能占总吸收能量的很大比例。对于强韧、延展性好、纤维填充的或层压材料，第2）项裂缝扩展所需的能量可能大于第1）项引起初始开裂所需能量，当测试这些材料时，第2）、第5）第9）项会相当大，即使试样经过很好的制作和安装，机器处于良好的状况并具有足够的功能。当测试软质材料时，弯曲（第4项）和压陷（第8项）损失可能会是可观的。

02.缺口冲击强度试验结果及讨论

3种材料PP、HIPS、LLDPE的试验结果分别见表1~表3，其中，光源暴露方式的代号说明如下：Xe-P表示氙灯暴露，样品无间隔平放；Xe-LWJ表示氙灯暴露，样品无间隔立放；Xe-LYJ表示氙灯暴露，样品有间隔立放；UV-P表示荧光紫外灯暴露，样品无间隔平放；UV-LWJ表示荧光紫外灯暴露，样品无间隔立放；UV-LYJ表示荧光紫外灯暴露，样品有间隔立放。

表1 PP的试验结果

表2 HIPS的试验结果

表3 LLDPE的试验结果

1）PP（聚丙烯），韧性好、耐候性差。从试验结果表1看，氙灯暴露试验后，冲击强度下降了54.0%~59.5%，荧光紫外灯暴露试验后，冲击强度下降了62.0%~67.5%，3种试样安装方式的结果有差异，但不显著，其中以立放无间隔的方式暴露的结果下降幅度最大，由于立放无间隔的方式样品受光照面积最小，另外，冲击时裂缝扩展所需的能量是损失能量的主要部分，从结果推测，在试验过程中，PP受光、热综合作用而老化，其中热效应对老化的影响很大，此外，立放无间隔安装的试样暴露时含湿量相对较大，也可能会导致其缺口冲击强度相对较低。

2） HIPS（高抗冲聚苯乙烯），质硬，耐候性较差，是通过在聚苯乙烯（PS）中添加聚丁基橡胶颗粒的方法生产的一种的聚苯乙烯产品，其抗冲击性相对于聚苯乙烯有一定的提高。从试验结果表2看，氙灯暴露试验后，冲击强度下降了48.8%~56.9%，荧光紫外灯暴露试验后，冲击强度下降了28.0%~52.8%，3种试样安装方式的结果有较大差异，尤其是荧光紫外灯暴露试验的结果有显著的差异，其中以立放无间隔的方式暴露的结果下降幅度最小，平放无间隔的方式次之，立放有间隔的方式最大，考虑2.1.1中1）三种安装方式对光老化影响的分析，从结果推测，HIPS受光作用的老化效应显著，而且，冲击时引起试样初始开裂所需的能量和裂缝扩展所需的能量在总的损失能量中都占有较大的比例。

3）LLDPE（线性低密度聚乙烯），强度高、韧性好、刚性强。从试验结果表3看，初始冲击未破坏，这里也计算了冲击强度，43.10 kJ/m2，供参考。其氙灯暴露试验结果表明，试样的三种安装方式导致的结果差异不明显，最大差异仅为5.3%，但其荧光紫外灯暴露后的试验结果差异较大，平放无间隔方式和立放有间隔方式的冲击强度下降显著，而立放无间隔的方式的冲击强度下降不明显，与立放有间隔的方式的冲击值，相差16.5%。从结果推测，LLDPE受短波紫外线照射的老化效应显著，冲击时裂缝扩展所需的能量占总的损失能量的主要部分。

结论

基于前面的分析，对于塑料悬臂梁冲击强度试样的光源暴露试验，必须详细说明试验时试样的暴露方向和安装方式，暴露方向和安装方式不同的试验结果必然存在差异。目前大部分相关技术文件如技术标准或试验大纲都忽略了这一方面的规定，这是这些文件今后需要改进和完善之处，也是设计有关光源暴露试验方案和应用有关试验结果必须考虑的因素。