太阳光辐射实验之老化原理和自然模拟

01、 老化原理

物质的分子或原子首先吸收太阳光，使其分子或原子在吸收光能后处于高能状态；而当一个分子或原子吸收的能量大于其键能，就会使该物质发生降解，也即老化。 老化是完全的解聚反应， 使高分子的末端，从原子间化学键弱的部分断裂。

02、 热效应

主要是是太阳辐射能中红外光谱部分产生的。引起产品短时高温和局部过热，造成一些对温度敏感的元器件失效，结构材料的机械破坏和绝缘材料的过热损坏等。或在高温下受到雨淋导致开裂等不良现象

03、 光化学效应

主要是由太阳辐射中紫外光谱部分产生的。紫外光谱提供的光能量足以激发有机材料分子使其健断裂、降解或交互，从而使材料老化变质。当太阳辐射与温度、适度等气候因素综合作用时，它的破坏更为明显。最易发生的损坏时变形、变色、失去光泽、粉化、开裂等表面损坏，同时，起内在的机械性能和电气性能也会随之降低，从而使材料的使用价值降低，甚至报废。

（5）高分子材料的老化现象

老化由物理老化和化学老化两种类型。高分子材料在加工、贮存和使用过程中，由于受到各种外界环境因素的影响，其性能逐渐由好变坏，以致最后丧失使用价值，这种现象就属于高分子材料的老化。不仅造成资源浪费，甚至会因其功能失效酿成更大的事故，而且其老化引起的材料分解也可能会对环境产生污染。

由于聚合物品种不同，使用条件各异，因而有不同的老化现象和特征。归纳起来高分子材料的老化可有以下几种情况：

外观的变化

出现污渍、斑点、银纹、裂缝、喷霜、粉化、发粘、翘曲、鱼眼、起皱、收缩、焦烧、光学畸变以及光学颜色的变化

物理性能的变化

包括溶解性、溶胀性、流变性能以及耐寒、耐热、透水、透气等性能的变化。

力学性能的变化

拉伸强度、弯曲强度、剪切强度、冲击强度、相对伸长率、应力松驰等性能的变化。

电性能的变化

如表面电阻、体积电阻、介电常数、电击穿强度等的变化。

（6）影响高分子材料老化的因素

宏观影响因素

因为高分子聚合物在加工、使用过程中，会受到氧、臭氧、热、水、光、微生物、化学介质等环境因素的综合作用, 其化学组成和结构会发生一系列变化，物理性能也会相应变坏，如变色和褪色、聚合物发黄、变糊、开裂、龟裂、剥离和分层、翘曲、脆化、拉伸强度损失、粉化、起泡、失光等，这些变化和现象就称为老化

微观影响因素

高分子聚合物在热或光的作用下会形成激发态的分子，当能量足够高，分子链就会断裂形成自由基，自由基可以在聚合物内部形成链式反应，继续引发降解，也可能引起交联。

如果环境中存在氧气或臭氧，还会诱发一系列氧化反应，形成氢过氧化物，并进一步分解成为羰基。

如果聚合物中存在残余的催化剂金属离子，或在加工、使用中带入金属离子如铜、铁、锰、钴等，会加速聚合物的氧化降解反应

（7）高分子材料老化机理

以聚丙烯PP为例，研究老化机理:

链引发

聚丙烯结构中的叔碳原子在光、热和氧的作用下极易生成自由基：

链传递

自由基自动催化生成过氧化自由基和大分子过氧化物，过氧化物分解又产生自由基

自由基又可和聚合物反应，使自由基不断传递，反应延续:

链终止

自由基相互结合生成稳定的产物，终止链反应:

（8）高分子材料老化的防护措施

高分子材料的防护措施可以从两方面考虑，分别为物理防护法和化学防护法。

Part.1

物理防护法

原理:尽量避免高分子材料与外界老化因素接触。

Part.2

化学防护法

原理:通过化学反应抑制老化反应进行。

02

太阳光谱介绍

根据太阳光的全光谱图，我们可以把太阳光分为三部分：

01

不可见光

-紫外线（人眼感觉不到的光），波长范围是 250-400nm。

紫外线又分为三类：

长波紫外线，UV-A：315-400纳米。

中波紫外线，UV-B：280-315纳米。

短波紫外线，UV-C：250-280纳米。UV-C到达地面极少，可以忽略不计。

02

可见光

（人眼能看到的光），波长范围是400-750nm，主要成分是红光、绿光、蓝光。

03

不可见光-近红外线

（人眼感觉不到的光），波长范围是750-2500nm。

近红外线是红外线的一种，波长在 2500nm以上的红外线称为中红外线和远红外线

☆ 5% 紫外线  300-400nm

☆ 43% 可见光  400-700nm

☆ 52%  近红外 700-2500nm

（1）太阳光谱介绍

在分子光谱中，根据电磁波的波长（λ）划分为几个不同的区域，如下图所示：

☆ 紫外光谱（UV）的基本原理

☆ 紫外光谱的产生（电子跃迁）

光子的能量与波长成反比，即波长越短，能量越高，波长越长，能量越低。

阳光中紫外线是造成产品光降解和光老化的主要原因，这是因为波长越短，能量越高，穿透能力也越强。而在太阳光谱中，紫外线恰好是属于波长较短的波。