系留氣球囊體材料光老化試驗研究

李云仲 熊 偉

（中國特種飛行器研究所， 湖北 荊門 448035）

氣候和陽光輻照是損害高分子材料的主要原因。這種損害包括失光、褪色、黃變、開裂、剝落、脆化，強度降低及分層等。

系留氣球囊體材料是一種高分子復合材料涂層織物。通過對囊體材料本體、熱合連接件開展光加速條件下的老化試驗，對比材料試驗前后力學性能的變化，確定其本體材料和熱合連接件的抗老化性能，為系留氣球的環(huán)境適應性和安全設計與分析提供背景支持。

1 光老化的影響因素

影響光老化的主要因素包括：光照、高溫和潮濕。這3個因素中的任一單獨因素均會引起材料的老化，但它們往往相互協(xié)同作用，促使產(chǎn)品或材料的快速老化。

1.1 光照

光對產(chǎn)品的影響主要是由加熱效應和光化學效應產(chǎn)生的。不同的材料對光的敏感性也不同。對于經(jīng)久耐用的材料，如大多數(shù)涂料、塑料，紫外線的短波段是引起大部分聚合物老化的原因。然而，對于不是那么經(jīng)久耐用的材料，比如一些顏料和染料，紫外線的長波段甚至可見光也會對其造成嚴重的老化。

1.2 高溫

當溫度升高時，光的破壞作用也將隨之增大。盡管溫度不影響主要的光致反應，它卻影響次要的化學反應。實驗室老化測試必須提供精確的溫度控制，通常還通過升溫的方法來加速老化過程。

1.3 潮濕

雨水、露水及高的濕度是引起潮濕危害的主要原因。雨水可能導致材料產(chǎn)生熱沖擊，同時雨水沖刷引起的機械侵蝕也會加速材料發(fā)生老化。放在室外的物品每天都將長時間處于潮濕狀態(tài)，平均每天8 h～12 h。由潮氣形成的露水是室外潮濕的主要因素。露水造成的危害比雨水更大，因為它附著在材料上的時間更長，引起更為嚴重的潮濕吸收。

2 光老化試驗

2.1 試驗件的制備

囊體材料為高分子復合材料涂層織物。

囊體材料光老化試驗，不僅要對材料本體進行光老化試驗，對氣囊主要連接工藝也要進行光老化試驗。鑒于加工過程的中主要采用熱合連接工藝，所以共制備兩種類型的試驗件，老化試驗件尺寸根據(jù)氙燈老化試驗箱的尺寸來確定。1 mm的毛邊用抽絲的方式去除。

本體試驗件：330 mm×430 mm（圖1左側）；

熱合連接件：330 mm×430 mm，熱合部分尺寸為30 mm×330 mm（圖1右側）。

光老化試驗完成后，將光老化試驗件分割，制備成拉伸試驗件，各制備5件。要求如下：

圖1 囊體材料光老化試驗件

本體拉伸試驗件：50 mm×500 mm，其中試驗區(qū)域50 mm×200 mm，見圖2；

熱合拉伸試驗件：50 mm×500 mm，其中試驗段為30 mm×50 mm，見圖3。

圖2 囊體材料本體拉伸試驗件

圖3 囊體材料熱合拉伸試驗件

另外，采用同一批次的材料制備未經(jīng)老化的本體和熱合拉伸試驗件，各5件。方法和尺寸同光老化試驗后的完全相同。

2.2 試驗設備

氙燈老化試驗箱

Xe-3-HSC型（美國Q-SUN 公司生產(chǎn)），光輻照度為0.25～0.68W/m2，樣品架尺寸為451 mm×718 mm。

電子拉伸試驗機

AG-X250KN型（日本島津公司生產(chǎn)），試驗速度0.0005～500 mm/min，試驗空間為595 mm。

試驗方法

根據(jù)AATTC169-2003《紡織品的耐氣候性：氙燈曝曬試驗測試方法》，結合系留氣球的使用環(huán)境，采用試驗條件見表1。

表1 光老化試驗條件（340 nm）

進行試驗之前，要清潔試驗件表面確保無污染物。要對試驗件進行狀態(tài)檢查，確保無變色、粉化、剝落、長霉、斑點和/或裂紋等損壞。

將試驗件放置到試驗箱中，使其試驗面對著光照燈，試驗樣品不能有遮擋。

試驗過程中每天檢查一次試驗件的外觀狀態(tài)。肉眼觀察被照射過的囊體材料表面，不得出現(xiàn)明顯的變色、粉化、剝落、長霉、斑點和/或裂紋等變化。一旦外觀發(fā)生明顯變化，要終止試驗。

參照ASTM G155-05a和系留氣球的使用環(huán)境時間定為56天，總共672個循環(huán)。完成后取出試件，放在正常大氣條件下24 h。隨后，按GB/T 3923.1《紡織品織物拉伸性能第1部分 斷裂強度和斷裂伸長率的測定條樣法》，測定老化后試件的拉伸斷裂強度。

3 試驗結果

光老化56天后，從試驗箱中取出在自然條件干燥24 h，觀察試驗件外觀狀態(tài)，圖4為本體試驗件，圖5為熱合試驗件。

圖4 本體試驗件光老化后狀態(tài)

圖5 熱合試驗件光老化后狀態(tài)

按GB/T 3923.1《紡織品織物拉伸性能第1部分斷裂強度和斷裂伸長率的測定條樣法》，測定試件老化前后的拉伸斷裂強度。求取5個試驗件的平均斷裂強度值。拉伸強度損失率按下列方法進行計算：

其中：F損—拉伸強度損失率

F前—老化前拉伸斷裂強度

F后—老化后拉伸斷裂強度

試驗結果見表2。

表2 拉伸試驗結果

4 結論

光老化試驗56天后，試驗件表面沒有出現(xiàn)明顯的變色、粉化、剝落、長霉、斑點和裂紋等外觀變化。

本體試驗件的斷裂強度損失率為15.5%，熱合試驗件的斷裂強度損失率為23.8%。經(jīng)過熱合加工后，試件的斷裂強度損失率增大了8.3%。囊體材料經(jīng)過熱合加工件，抗老化性能有所下降。

5 建議

開展囊體材料光老化實驗室與外場暴露對比試驗研究，以確定實驗室與外場暴露試驗結果的相關性和建立實驗室加速老化模型。

具體囊體材料光老化試驗參數(shù)可以通過研究進行規(guī)范，建立相應的行業(yè)標準，此方面要投入大量的人力和物力進行研究。

[1] 張恒. QUV和Q-Sun兩種有效耐候性和光穩(wěn)定性測試方法的比較.分析與測試[J].2002，35 (6) :126-128.

[2] AATCC 169-2003 紡織品的耐氣候性 氙燈曝曬[S].

[3] ASTM G155-05a 非金屬材料的氙燈老化測試[S].

[4] GB/T 3923.1.紡織品織物拉伸性能第1部分 斷裂強度和斷裂伸長率的測定 條樣法[S].