， 李朔南

(1.貴州民族大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，貴州 貴陽 550025；2.黑龍江省木材科學(xué)研究所，黑龍江 哈爾濱 150081；3.中國林業(yè)集團(tuán)有限公司，北京 100026)

作為一種新型的環(huán)保材料，木塑復(fù)合材料(WPC)被廣泛應(yīng)用于建筑、裝飾、園林景觀和包裝運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域，如在花園地面、欄桿或景區(qū)棧橋、棧道等的戶外景觀建筑物施工中作為基材使用，既具有美觀性又具有環(huán)保性。在戶外使用的WPC制品，因長期受到陽光照射及風(fēng)吹雨淋，會出現(xiàn)表面褪色、粉化、霉變、開裂、力學(xué)性能下降等問題，使用壽命大大降低[1]。盡管木塑行業(yè)近幾年高速發(fā)展，但WPC的使用壽命仍是當(dāng)前亟待解決的主要問題之一。通過對木塑復(fù)合材料老化性能的分析，不但可以評價耐候性的好壞，而且還可以通過采取適當(dāng)?shù)姆览匣胧┭娱L材料的使用壽命。WPC老化性能測試方法及影響因素在其耐候性研究中起著至關(guān)重要的作用。

WPC 材料的老化測試主要采用傳統(tǒng)的高分子材料老化測試方法，但由于WPC 復(fù)雜的組成和界面問題，使得老化實驗的諸多參數(shù)不能完全按照傳統(tǒng)高分子材料來設(shè)置。本文主要介紹木塑復(fù)合材料的自然大氣老化和人工加速老化測試方法，并對測試過程中的影響因素進(jìn)行探討。

1 木塑復(fù)合材料的自然大氣老化法

自然大氣老化法是指根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)把WPC直接暴露在日光和其他氣候條件下，經(jīng)過一定周期后，根據(jù)相應(yīng)性能的變化來評定耐候性。該法最能夠真實評價材料的耐候性好壞和材料整體的環(huán)境適應(yīng)性，是評價木塑材料使用壽命最直接、最可靠的方法，其缺點是耗時長，少則需要1-2年時間，而且環(huán)境條件無法控制，不利于分離各種環(huán)境因素對WPC老化的影響。

木塑的老化除了內(nèi)因外，外界的環(huán)境因素比如太陽輻射強(qiáng)度、溫度、降水多少以及濕度等對耐老化性能的影響也至關(guān)重要。因此，即使對同一種材料，老化測試的地點不同(如城市不同、室內(nèi)和室外)則溫度不同、紫外線輻射不同、濕度及降雨量等也不同，這些因素都將導(dǎo)致老化的結(jié)果不同。自然老化試驗應(yīng)盡可能選擇與使用條件接近的場地進(jìn)行，必要時應(yīng)在各種不同氣候環(huán)境地區(qū)的場地進(jìn)行。對少于1年的暴露試驗，結(jié)果取決于暴露季節(jié)，而較長的暴露試驗，結(jié)果取決于開始暴露的季節(jié)。此外，老化測試過程中試樣的尺寸、放置方向、角度及測試性能的選擇等都會影響老化測試的結(jié)果。

沈洋等[2]分別在昆明和西雙版納兩個地區(qū)對木塑地板進(jìn)行了自然老化試驗，研究表明，放置于西雙版納的試樣經(jīng)歷180天老化后，其彎曲強(qiáng)度的降低比昆明更大，表面褪色更明顯，主要原因可能是西雙版納1-6月的氣溫明顯高于昆明的同期氣溫。

王偉宏等[3]研究木塑復(fù)合材在不同朝向自然老化條件下顏色的變化，結(jié)果顯示復(fù)合材在戶外夏天暴曬1個月會發(fā)生明顯顏色變化，南面和東面更加顯著。

曹巖等[4]對木粉/HDPE復(fù)合材料在室內(nèi)和戶外自然老化12個月前后的材料顏色和力學(xué)性能進(jìn)行了比較，結(jié)果顯示，室內(nèi)老化和戶外老化對復(fù)合材料顏色的影響正好相反，前者使復(fù)合材料的顏色變暗，而后者使復(fù)合材料的顏色變亮，老化對力學(xué)性能中的拉伸性能影響較大，戶外環(huán)境相比室內(nèi)對復(fù)合材料的加速老化降解要更顯著。

2 木塑復(fù)合材料的人工加速老化方法

人工加速老化法試驗通過模擬自然環(huán)境條件，按照影響因素不同對聚合物老化規(guī)律進(jìn)行研究，周期大大縮短，一般只需要幾個月的時間。人工加速老化測試方法主要有熱氧老化、光老化、濕熱老化、人工氣候老化、鹽霧試驗和抗菌試驗等。利用人工加速老化法研究木塑復(fù)合材料的老化性能，需要根據(jù)材料使用環(huán)境的特點，選擇適當(dāng)?shù)睦匣椒?。本文僅介紹在木塑復(fù)合材料中應(yīng)用比較普遍的熱氧老化、光老化和濕熱老化方法及其影響因素。

2.1 熱氧老化

木塑復(fù)合材料在加工成型、儲存、運(yùn)輸和使用過程中受到熱與氧的作用，尤其物料的成型在熔融流動狀態(tài)時會發(fā)生熱氧老化，導(dǎo)致其性能降低。熱空氣老化試驗是將試樣置于給定條件的熱老化試驗箱中，使其經(jīng)受高溫和氧的作用加速老化，然后選擇合適的性能進(jìn)行表征，評定WPC的熱氧老化性能[5]。

在熱空氣老化過程中，試驗溫度的選擇及控制、風(fēng)速、換氣量和試樣放置都會影響老化結(jié)果的準(zhǔn)確程度。其中，試驗溫度要根據(jù)材料的使用要求和試驗?zāi)康拇_定，為了加快老化的速度，可在不造成嚴(yán)重變形、不改變老化反應(yīng)的前提下，盡可能提高試驗溫度，溫度變動對熱老化結(jié)果的影響最顯著，試驗箱內(nèi)溫度波動度應(yīng)不大于1%。風(fēng)速主要影響箱內(nèi)的熱交換率，提高風(fēng)速可升高熱交換率，加快老化速率，為了獲得準(zhǔn)確的老化結(jié)果應(yīng)選擇適當(dāng)?shù)娘L(fēng)速并保證風(fēng)速穩(wěn)定。換氣量主要影響箱內(nèi)的溫度分布和氧氣含量，通常應(yīng)根據(jù)試樣的特性和數(shù)量，在保證排除有害氣體、保持空氣成分一致、熱氧化反應(yīng)正常進(jìn)行的情況下，盡可能用小的換氣量。試樣放置不能過密，否則會影響空氣流動、揮發(fā)物排除、溫度分布等。

朱士強(qiáng)等[6]在100 ℃條件下對麥秸稈/橡膠/PE仿藤條加速熱氧老化60天，觀察分析了其力學(xué)性能和微觀結(jié)構(gòu)的變化規(guī)律。結(jié)果表明，老化過程中材料表面出現(xiàn)裂紋，0-15天為快速降解階段，材料斷裂伸長率降低較快，含有橡膠的仿藤條在15-60天的老化過程中保持較低的老化速率。

蔡培鑫等[7]采用烘箱熱氧老化法和氙燈老化法，對比了不同類型顏料對木塑復(fù)合材料抗老化的效果。烘箱老化結(jié)果顯示，添加鈦白粉和氧化鐵紅會加快WPC的老化；氙燈老化結(jié)果表明，添加顏料可減緩WPC的老化速率。

2.2 光老化

陽光照射是導(dǎo)致木塑復(fù)合材料外觀破壞及性能降低的主要原因之一，即使在室內(nèi)，太陽光通過玻璃窗透射進(jìn)來也會使材料性能發(fā)生變化。光老化測試是模擬可見光長期暴露作用的加速試驗，測試采用的光強(qiáng)度比太陽光要強(qiáng)得多，從而可以通過短時間的測試了解材料長期使用后的老化情況，是目前最常用的一種人工加速老化試驗方法。

陽光引起木塑材料破環(huán)的光波主要為波長比較短的紫外光及部分可見光，光老化測試中選擇合適的光源是關(guān)鍵。根據(jù)老化設(shè)備采用的光源不同，主要有碳弧燈老化、紫外線老化和氙弧燈老化等方法。

碳弧燈的模擬效果不如氙燈，加速效果又不如紫外燈，碳弧燈老化的結(jié)果與材料實際耐候性之間的相關(guān)性較差。因此，目前老化設(shè)備更多是采用紫外燈和氙弧燈。

紫外線老化測試主要模擬太陽光中紫外光的破壞作用，其波長范圍為300～400 nm，同時還可以通過冷凝或噴淋的方式模擬降雨的影響，該法的加速倍率高，通過選擇合適型號的燈管可實現(xiàn)對特定材料的快速篩選，其缺點是存在非自然破壞、模擬性較差。

氙燈老化測試不僅考慮紫外光的影響，還考慮了可見光的影響，其波長范圍為300～800 nm，在目前已知的人工光源中，其光譜能量分布與陽光中紫外線、可見光部分最相似，輻照度可獨立控制，有光/暗循環(huán)、降雨、冷凝與濕度多種水分作用方式，樣品溫度、環(huán)境溫度可獨立控制，通過不同濾鏡組合還可以達(dá)到不同的模擬效果，具有良好的重復(fù)性與重現(xiàn)性，已成為人工加速老化方式的主流。

目前，光老化常用設(shè)備主要為熒光紫外老化試驗箱和氙燈老化試驗箱，需要控制的影響因素主要有溫度、濕度和輻照量。為了更好地模擬戶外自然老化并保證結(jié)果的相關(guān)性，加速老化試驗條件的選擇要考慮材料實際應(yīng)用時的環(huán)境因素，設(shè)置溫度時主要參考實際使用環(huán)境中材料表面的最高溫度，為了加快老化也可稍微提高一些。濕度以材料服役時當(dāng)?shù)啬昶骄鄬穸葹橐罁?jù)，模擬降雨或凝露周期的選擇參考當(dāng)?shù)亟涤陻?shù)據(jù)。對戶外用的WPC產(chǎn)品通常采用中等偏高的輻照量配以噴淋條件，而戶內(nèi)用的產(chǎn)品采用偏低的輻照量配以光暗循環(huán)。

劉波等[8]通過對配方中加入不同光響應(yīng)添加劑WPC制品耐候性的研究，考察了制品氙燈加速老化、紫外線加速老化的性能差異，篩選出耐候性優(yōu)異的PVC基WPC配方，從而改善戶外PVC木塑制品的抗老化性能。

徐兵等[9]在殼層添加不同含量納米白炭黑制備出核-殼結(jié)構(gòu)木塑復(fù)合材料，將其放入紫外老化箱進(jìn)行人工加速老化試驗。結(jié)果顯示，加入納米白炭黑可降低光氧化降解程度，提高木塑復(fù)合材料的耐老化性能，適當(dāng)提高添加量抗老化效果更佳。

2.3 濕熱老化

木塑復(fù)合材料的主要成分木質(zhì)纖維具有親水性，且木質(zhì)纖維與樹脂基體之間相容性較差，容易在界面處產(chǎn)生裂隙。當(dāng)木塑復(fù)合材料暴露于潮濕的環(huán)境中時，水分會從表面擴(kuò)散到中心，導(dǎo)致性能變化。對于在潮濕環(huán)境中應(yīng)用的WPC，需要評定其是否適合在潮濕的環(huán)境下長期使用。

濕熱老化測試方法是將材料放在潮濕熱空氣環(huán)境中，根據(jù)老化前后性能表征的結(jié)果來評價材料耐濕熱性能的好壞，常用的設(shè)備是濕熱老化試驗箱。試驗條件的選擇需要參考材料實際應(yīng)用時的環(huán)境因素，穩(wěn)定的溫濕度控制是獲得準(zhǔn)確老化結(jié)果的重要保障，溫度升高有利于水分進(jìn)入內(nèi)部，可加快材料老化的速率，為了縮短試驗周期可適當(dāng)提高溫度，但一般不應(yīng)超過70 ℃。

謝雪甜等[10]將PVC基木塑復(fù)合材料放入氣候箱中進(jìn)行濕熱老化研究，經(jīng)紅外譜圖分析可知，經(jīng)過高低溫交變循化老化，木塑復(fù)合材料受到水和熱的作用產(chǎn)生熱降解，其中纖維素比半纖維素和木質(zhì)素降解的多，熱加速水分蒸發(fā)使光穩(wěn)定劑流失，導(dǎo)致木塑復(fù)合材料發(fā)生老化。

3 結(jié)束語

人工加速老化試驗?zāi)軌蚩焖俚氐玫嚼匣Y(jié)果，但影響木塑復(fù)合材料老化的因素較復(fù)雜，這些因素往往相互影響，為了確保加速老化測試的真實性，需要以自然老化的結(jié)果作為參考，建立自然老化和人工加速老化兩者之間的聯(lián)系，根據(jù)材料的使用條件，通過合理選擇材料并采取適宜的防護(hù)措施，實現(xiàn)延長材料使用壽命的目的。