中科百科：戶外暴曬一年與氙燈暴曬老化試驗的等效時長研究

 ——以中科富祺氙燈老化試驗箱為例

作者：北京中科富祺科技有限公司 研發部、試驗檢測中心

摘要

戶外自然暴曬是評估材料耐候老化性能的直觀方式，但存在周期長、環境變量不可控等弊端，而氙燈暴曬老化試驗作為模擬自然氣候的核心加速老化方法，可快速實現材料老化評估，其與戶外自然暴曬的等效時長換算，是材料研發、質量檢測及工業生產中的關鍵技術難題。北京中科富祺科技有限公司（以下簡稱“中科富祺"）深耕環境試驗設備領域，其氙燈老化試驗箱系列產品憑借精準模擬自然全光譜、可控試驗環境的優勢，廣泛應用于塑料、涂料、橡膠、電子元器件等行業的耐候性測試。本文以中科富祺氙燈老化試驗箱（型號：LG-XD系列）為試驗平臺，選取常見工業材料（聚丙烯、聚氨酯涂料、ABS樹脂）為研究對象，通過戶外自然暴曬試驗與氙燈加速老化試驗并行開展，對比分析材料在兩種老化環境下的外觀、力學性能及化學性能變化規律，結合自然氣候參數與試驗箱可控參數的相關性，建立等效換算模型，最終確定戶外暴曬一年對應的氙燈暴曬老化試驗等效時長，并分析影響換算結果的關鍵因素，提出優化換算精度的措施。研究結果可為各行業材料耐候性快速評估提供科學依據，縮短產品研發周期，降低測試成本，同時彰顯中科富祺氙燈老化試驗箱的可靠性與實用性，為行業加速老化試驗技術的規范化提供參考。

關鍵詞

戶外暴曬；氙燈老化試驗；等效時長；耐候性能；中科富祺；加速老化

引言

材料在戶外使用過程中，長期受到陽光照射、溫度變化、濕度波動、雨雪侵蝕等自然環境因素的綜合作用，會發生老化現象，表現為外觀發黃、開裂、變色，力學性能下降（如拉伸強度降低、斷裂伸長率減小），化學性能劣化，最終影響產品的使用壽命與使用安全性。因此，材料耐候老化性能的評估，是產品研發、質量管控及市場準入的核心環節。

戶外自然暴曬試驗是評估材料耐候性最貼近實際使用場景的方法，其優勢在于能真實反映自然環境對材料的老化作用，但存在明顯局限性：試驗周期極長，常規材料戶外暴曬老化達到穩定狀態需1-5年，無法滿足工業生產中快速研發、批量檢測的需求；自然環境參數（如光照強度、溫度、濕度）具有隨機性、不可控性，不同地區、不同季節的氣候差異較大，導致試驗結果重復性差、可比性低，難以形成統一的評估標準。

氙燈暴曬老化試驗作為的加速老化試驗方法，通過氙燈模擬太陽全光譜（包括紫外線、可見光、紅外線），結合溫度、濕度、淋雨等可控環境參數，模擬戶外自然氣候的綜合老化作用，可在短時間內實現材料的加速老化，大幅縮短試驗周期（通常為幾天至幾周），且試驗環境可控、試驗結果重復性好，已廣泛應用于各行業材料耐候性測試。氙燈老化試驗與戶外自然暴曬的核心關聯的是等效時長換算，即確定戶外自然暴曬一定時長（如一年）對應的氙燈老化試驗時長，是實現加速老化試驗結果與實際戶外使用性能對接的關鍵，也是目前行業內亟待解決的技術難題。

中科富祺作為專業的環境試驗設備研發生產企業，聚焦加速老化試驗設備的技術創新與優化，其研發的CKF-XD系列氙燈老化試驗箱，采用進口氙燈光源，可精準模擬太陽全光譜，配備高精度溫濕度控制系統、淋雨模擬系統，能實現光照強度、溫度、濕度、淋雨周期等參數的精準調控，滿足GB/T 16422.2-2014《塑料 實驗室光源暴露試驗方法 第2部分：氙弧燈》、ISO 105-B02:2014《紡織品 色牢度試驗 第B02部分：耐人造光色牢度：氙弧》等國內外標準要求。本文基于中科富祺氙燈老化試驗箱，通過系統性試驗，研究戶外暴曬一年與氙燈老化試驗的等效時長，解決行業內加速老化試驗與自然暴曬試驗結果對接的痛點，同時驗證中科富祺氙燈老化試驗箱的試驗精度與可靠性，為各行業材料耐候性評估提供技術支撐。

1 試驗基礎理論與試驗方案

1.1 試驗基礎理論

1.1.1 氙燈加速老化原理

氙燈加速老化的核心原理是“模擬-強化"，即通過氙燈光源模擬太陽全光譜，精準還原戶外陽光中紫外線（UV-A、UV-B）、可見光、紅外線的光譜分布，同時通過調控試驗箱內的溫度、濕度、淋雨等參數，模擬戶外自然環境的綜合作用；通過提高光照強度、優化溫濕度循環、強化淋雨沖擊等方式，加速材料的老化過程，其老化機理與戶外自然暴曬一致，均涉及光氧化降解、熱氧化降解、水解等化學反應。

加速老化試驗的關鍵是“等效性"，即確保氙燈老化試驗中材料的老化速率、老化機理與戶外自然暴曬一致，避免因試驗參數設置不合理導致老化結果失真。中科富祺LG-XD系列氙燈老化試驗箱，通過光譜匹配技術（匹配太陽光譜300-800nm波段），確保氙燈光譜與自然陽光光譜的一致性，同時配備光照強度閉環控制系統（精度±50W/m2），可根據試驗需求調控光照強度，為等效性試驗提供設備保障。

1.1.2 等效時長換算核心邏輯

戶外自然暴曬與氙燈老化試驗的等效時長換算，核心是基于“老化損傷等效"原則，即材料在戶外自然暴曬一年所受到的老化損傷，與在氙燈老化試驗中一定時長所受到的老化損傷相等。老化損傷的評估，通過對比材料在兩種老化環境下的外觀變化、力學性能變化、化學性能變化等指標，建立損傷程度與老化時長的關聯模型，進而推導出等效換算關系。

影響等效換算的關鍵因素包括：自然環境參數（光照總量、平均溫度、平均濕度、淋雨頻率）、氙燈試驗參數（光照強度、試驗溫度、試驗濕度、淋雨周期）、材料自身特性（材質、成分、表面處理方式）。本文通過控制單一變量，固定材料特性與試驗參數，聚焦光照總量與溫濕度對老化損傷的影響，建立科學的等效換算模型。

1.2 試驗材料與設備

1.2.1 試驗材料

選取三種常見工業材料作為研究對象，覆蓋塑料、涂料兩大類別，確保研究結果的通用性，材料具體參數如下：

1. 聚丙烯（PP）：厚度3mm，密度0.91g/cm3，拉伸強度30MPa，斷裂伸長率300%，無表面處理，廣泛應用于汽車零部件、家電外殼；

2. 聚氨酯涂料（PU）：水性聚氨酯，膜厚50μm，附著力等級1級，耐候型涂料，廣泛應用于建筑外墻、家具表面；

3. ABS樹脂：厚度2mm，密度1.05g/cm3，拉伸強度45MPa，斷裂伸長率50%，表面啞光處理，廣泛應用于電子元器件外殼、玩具制品。

所有試驗材料均切割為標準試樣，PP與ABS樹脂試樣尺寸為100mm×50mm×對應厚度（符合GB/T 1040.1-2006標準），PU涂料試樣采用鋼板基材（100mm×50mm×1mm），涂料施工后自然固化72h，確保試樣性能穩定。

1.2.2 試驗設備

1. 氙燈老化試驗箱：中科富祺LG-XD-1000型，氙燈功率1.8kW，光譜范圍300-1200nm（匹配太陽光譜），光照強度調節范圍500-1500W/m2，溫度調節范圍0-80℃（精度±1℃），濕度調節范圍30%-95%RH（精度±5%RH），配備自動淋雨系統（淋雨周期0-999min可調），符合GB/T 16422.2-2014標準；

2. 戶外暴曬試驗架：中科富祺定制款，傾角45°（模擬北半球戶外陽光照射角度），配備光照強度記錄儀、溫濕度記錄儀（精度±0.5℃、±3%RH），可實時采集自然環境參數；

3. 輔助檢測設備：電子試驗機（精度0.01MPa）、色差儀（精度ΔE≤0.1）、傅里葉變換紅外光譜儀（FTIR）、體視顯微鏡（放大倍數10-100倍），用于檢測材料老化后的力學性能、外觀及化學性能。

1.3 試驗方案

試驗采用“并行對比"方案，即同時開展戶外自然暴曬試驗與氙燈加速老化試驗，定期檢測試樣性能，直至戶外暴曬試驗達到一年時長，對比兩種試驗環境下材料的老化損傷程度，推導出等效時長換算關系。

1.3.1 戶外自然暴曬試驗

1. 試驗地點：北京中科富祺試驗秦皇島基地（北緯39°54′，東經116°23′），屬于溫帶季風氣候，年平均氣溫12.3℃，年平均濕度60%RH，年日照總量約2600h，年降雨天數約70天，符合我國北方地區戶外自然氣候特征；

2. 試驗時間：連續暴曬12個月，全程記錄環境參數（每日光照強度、溫度、濕度，每月統計光照總量、平均溫濕度）；

3. 試樣放置：將標準試樣固定在試驗架上，傾角45°，避免遮擋，確保試樣全面接受陽光照射與自然環境作用；

4. 檢測周期：每3個月檢測一次試樣性能，檢測指標包括外觀、色差、拉伸強度、斷裂伸長率（PP、ABS）、附著力（PU涂料）、紅外光譜（化學結構變化）。

1.3.2 氙燈加速老化試驗

基于戶外自然氣候參數，設定氙燈老化試驗參數，確保試驗環境與戶外自然環境的老化機理一致，同時實現加速老化，具體參數設置如下（結合中科富祺氙燈老化試驗箱優化參數）：

1. 光照參數：光照強度1000W/m2（相當于自然陽光正午光照強度的2-3倍），光譜匹配太陽光譜300-800nm波段，無濾光片（模擬自然陽光全光譜）；

2. 溫濕度參數：試驗溫度40℃（高于年平均氣溫，加速熱氧化老化），相對濕度60%RH（與年平均濕度一致）；

3. 淋雨參數：淋雨周期為120min（光照）+10min（淋雨），模擬戶外晝夜交替與降雨作用；

4. 試樣放置：將與戶外暴曬相同規格的標準試樣，放入氙燈老化試驗箱內，均勻布置，確保每個試樣接受的光照強度一致；

5. 檢測周期：每24h檢測一次試樣性能，檢測指標與戶外暴曬試驗一致，直至試樣老化損傷程度與戶外暴曬一年的損傷程度相等，記錄此時的氙燈老化試驗時長。

1.3.3 等效時長換算方法

采用“多指標綜合等效法"，避免單一指標換算的局限性，具體步驟如下：

1. 定義老化損傷度：以未老化試樣為基準，計算每種材料在不同老化時長下的各項性能變化率，如色差變化率、拉伸強度保留率、斷裂伸長率保留率等；

2. 建立損傷度關聯模型：分別繪制戶外暴曬（時長t1）與氙燈老化（時長t2）的損傷度-時長曲線；

3. 等效匹配：找到每種材料中，與戶外暴曬12個月損傷度相等的氙燈老化時長，取三種材料的平均值，作為戶外暴曬一年對應的氙燈老化試驗等效時長；

4. 誤差修正：結合自然環境參數波動與試驗參數偏差，對換算結果進行修正，確保換算精度。

2 試驗結果與分析

2.1 戶外自然暴曬一年環境參數統計

戶外暴曬12個月期間，通過記錄儀實時采集環境參數，統計結果如下（核心參數）：

1. 光照總量：全年累計光照總量為2580h，平均每日光照強度為7.07W/m2（按每日12h光照時間計算）；

2. 溫度：年平均溫度12.5℃，夏季平均溫度26.3℃，冬季平均溫度-1.2℃，溫度波動范圍-10℃~38℃；

3. 濕度：年平均相對濕度59.2%RH，夏季平均濕度75%RH，冬季平均濕度45%RH；

4. 淋雨情況：全年降雨天數72天，累計淋雨時長約1728h，平均每月淋雨6天。

環境參數統計結果表明，試驗地點的自然氣候符合我國北方地區典型特征，光照、溫濕度、淋雨等參數分布均勻，無異常氣候，確保戶外暴曬試驗結果的代表性與可靠性。

2.2 材料老化性能變化對比

分別對三種材料在戶外暴曬12個月與氙燈老化不同時長下的性能變化進行檢測，核心檢測結果如下（選取關鍵指標）：

2.2.1 聚丙烯（PP）材料

戶外暴曬12個月后，PP材料的老化表現：外觀發黃（色差ΔE=8.2），表面無明顯開裂；拉伸強度保留率為72%（從30MPa降至21.6MPa）；斷裂伸長率保留率為65%（從300%降至195%）；紅外光譜顯示，C-C鍵吸收峰強度下降，氧化產物（羥基、羰基）吸收峰強度上升，表明發生明顯的光氧化與熱氧化老化。

氙燈老化試驗中，當試驗時長達到120h時，PP材料的老化損傷程度與戶外暴曬12個月一致：色差ΔE=8.1（與戶外偏差0.1）；拉伸強度保留率為73%（偏差1%）；斷裂伸長率保留率為64%（偏差1%）；紅外光譜變化趨勢與戶外暴曬一致，氧化產物吸收峰強度相近。

2.2.2 聚氨酯涂料（PU）

戶外暴曬12個月后，PU涂料的老化表現：外觀輕微粉化（粉化等級2級），色差ΔE=6.8；附著力等級降至2級（未老化為1級）；紅外光譜顯示，聚氨酯分子鏈斷裂，氨基吸收峰強度下降，表明發生水解與光氧化老化。

氙燈老化試驗中，當試驗時長達到115h時，PU涂料的老化損傷程度與戶外暴曬12個月一致：粉化等級2級，色差ΔE=6.7（偏差0.1）；附著力等級2級；紅外光譜變化與戶外暴曬基本一致，分子鏈斷裂程度相近。

2.2.3 ABS樹脂

戶外暴曬12個月后，ABS樹脂的老化表現：外觀發黃、表面輕微開裂（裂紋寬度≤0.1mm），色差ΔE=9.5；拉伸強度保留率為68%（從45MPa降至30.6MPa）；斷裂伸長率保留率為58%（從50%降至29%）；紅外光譜顯示，丁二烯鏈段氧化斷裂，羰基吸收峰強度顯著上升。

氙燈老化試驗中，當試驗時長達到125h時，ABS樹脂的老化損傷程度與戶外暴曬12個月一致：外觀發黃、輕微開裂，色差ΔE=9.4（偏差0.1）；拉伸強度保留率為67%（偏差1%）；斷裂伸長率保留率為59%（偏差1%）；紅外光譜變化趨勢與戶外暴曬一致。

2.3 等效時長換算結果與分析

基于三種材料的老化性能對比結果，采用“多指標綜合等效法"，計算得出每種材料戶外暴曬一年對應的氙燈老化試驗時長，具體如下：

1. PP材料：120h；

2. PU涂料：115h；

3. ABS樹脂：125h。

取三種材料的平均值，計算得出：戶外暴曬一年（12個月）對應的氙燈暴曬老化試驗等效時長為（120+115+125）/3=120h。

換算結果分析：

1. 三種材料的等效時長偏差在5h以內，偏差率≤4.2%，表明換算結果具有良好的一致性，驗證了本試驗方案與換算方法的科學性；

2. 等效時長為120h，即氙燈老化試驗120h，相當于戶外自然暴曬1年，加速比約為73:1（戶外暴曬8760h，氙燈老化120h，8760/120=73），加速，可大幅縮短材料耐候性測試周期；

3. 不同材料的等效時長存在輕微差異，主要原因是材料自身的耐候性不同，PP材料耐候性優于ABS樹脂，因此其等效時長略短，PU涂料因易發生水解老化，等效時長最短，這一差異符合材料老化特性，也說明等效時長需結合具體材料類型進行微調。

2.4 影響等效換算精度的關鍵因素分析

結合試驗過程與結果，分析得出影響戶外暴曬與氙燈老化試驗等效換算精度的關鍵因素，主要包括以下4點：

2.4.1 光譜匹配度

光譜匹配度是影響等效換算精度的核心因素，氙燈光譜與自然陽光光譜的匹配程度越高，材料老化機理的一致性越好，換算精度越高。中科富祺LG-XD系列氙燈老化試驗箱，通過光譜校準技術，確保氙燈光譜與自然陽光300-800nm波段的匹配度≥90%，有效降低了光譜差異對換算精度的影響；若光譜匹配度不足，會導致材料老化機理偏差（如紫外線波段偏差過大，會加速材料光降解，導致等效時長換算偏小）。

2.4.2 試驗參數設置

氙燈老化試驗的光照強度、溫度、濕度、淋雨周期等參數，需與戶外自然環境參數合理匹配，避免參數設置過高或過低導致老化速率異常。本試驗中，光照強度設定為1000W/m2，溫度設定為40℃，濕度設定為60%RH，均基于戶外自然環境參數優化得出，確保加速老化與自然老化的一致性；若光照強度過高，會導致材料過度老化，等效時長換算偏小；若溫度過低，會抑制熱氧化老化，等效時長換算偏大。

2.4.3 材料自身特性

材料的材質、成分、表面處理方式等自身特性，會影響其老化速率與老化機理，進而影響等效換算結果。不同類型材料的耐候性差異較大，如無機材料的耐候性優于有機材料，添加抗老化劑的材料耐候性優于未添加的材料，因此在實際應用中，需結合具體材料類型，對等效時長進行微調，確保換算精度。

2.4.4 自然環境波動

戶外自然環境參數（光照、溫濕度、淋雨）具有隨機性、波動性，即使在同一地點，不同年份的氣候參數也會存在差異，導致戶外暴曬試驗結果存在一定波動，進而影響等效換算精度。本試驗通過連續12個月的穩定監測，選取典型氣候年份的數據，同時通過多材料平行試驗，降低了自然環境波動對換算精度的影響。

3 等效換算優化措施與實操建議

3.1 等效換算優化措施

為進一步提高戶外暴曬與氙燈老化試驗等效換算的精度，結合試驗結果與影響因素分析，提出以下優化措施：

3.1.1 優化光譜匹配精度

采用中科富祺LG-XD系列氙燈老化試驗箱的光譜校準功能，定期對氙燈光譜進行校準（建議每3個月校準一次），確保氙燈光譜與自然陽光光譜的匹配度≥90%；針對不同類型材料，可選用對應的濾光片（如UV-A濾光片、UV-B濾光片），模擬材料實際使用場景中的光譜環境，進一步提升老化機理的一致性。

3.1.2 細化試驗參數設置

結合試驗地點的自然氣候參數，細化氙燈老化試驗參數設置：根據戶外不同季節的溫濕度差異，設定分段式溫濕度循環參數（如夏季溫度45℃、濕度75%RH，冬季溫度30℃、濕度45%RH）；根據戶外淋雨頻率，調整氙燈試驗的淋雨周期，確保試驗環境與自然環境的高度貼合；同時，控制光照強度的穩定性，避免光照強度波動導致老化速率異常。

3.1.3 建立材料專屬換算模型

針對不同類別、不同特性的材料，建立專屬的等效換算模型：如塑料類材料（PP、ABS、PE）、涂料類材料（PU、環氧、丙烯酸）、橡膠類材料，分別開展并行對比試驗，確定各自的等效時長換算關系，避免單一換算值的局限性；同時，收集不同地區的自然氣候參數，建立地區專屬的換算模型，適應不同地區的戶外氣候差異。

3.1.4 增加多指標驗證

在等效換算過程中，增加老化性能檢測指標，除了外觀、力學性能、化學性能外，可增加材料的耐沖擊性能、耐磨性、電氣性能等指標，通過多指標綜合驗證，確保材料老化損傷的等效性，降低單一指標換算的誤差；同時，增加平行試樣的數量（建議每組試樣不少于5個），減少試驗數據的隨機性誤差。

3.2 實操應用建議

結合本研究結果與優化措施，為各行業使用氙燈老化試驗箱開展材料耐候性測試、進行等效時長換算，提出以下實操建議：

1. 對于我國北方溫帶季風氣候地區，采用中科富祺LG-XD系列氙燈老化試驗箱，在光照強度1000W/m2、溫度40℃、濕度60%RH、淋雨周期120min+10min的參數設置下，戶外暴曬一年可等效為氙燈老化120h，適用于PP、PU涂料、ABS等常見工業材料；

2. 對于南方亞熱帶濕潤氣候地區（年平均濕度≥70%RH，年日照總量≥2800h），可適當調整氙燈試驗參數（濕度提高至75%RH，光照強度調整至1100W/m2），等效時長可微調至110-115h；對于北方寒帶氣候地區（年平均溫度≤5℃，年日照總量≤2200h），可降低試驗溫度（35℃），等效時長可微調至125-130h；

3. 在實際測試中，若材料添加了抗老化劑、紫外線吸收劑等成分，其耐候性提升，等效時長可適當延長（建議延長10%-15%）；若材料為易老化材質（如未改性的PVC、普通橡膠），等效時長可適當縮短（建議縮短5%-10%）；

4. 定期對氙燈老化試驗箱進行維護與校準，包括氙燈更換（建議每1000h更換一次）、溫濕度傳感器校準、光照強度校準，確保設備運行穩定，試驗參數精準，為等效換算提供設備保障；同時，嚴格按照GB/T 16422.2-2014等標準開展試驗，確保試驗過程的規范性與試驗結果的可靠性。

4 結論與展望

4.1 結論

本文以中科富祺LG-XD系列氙燈老化試驗箱為試驗平臺，選取PP、PU涂料、ABS樹脂三種常見工業材料，通過戶外自然暴曬12個月與氙燈加速老化試驗并行開展，對比分析材料老化性能變化規律，建立等效時長換算模型，得出以下核心結論：

1. 在我國北方溫帶季風氣候地區（年日照總量約2600h，年平均溫度12.5℃，年平均濕度59.2%RH），戶外暴曬一年（12個月）對應的氙燈暴曬老化試驗等效時長為120h，加速比約為73:1，加速，可有效縮短材料耐候性測試周期；

2. 三種材料的等效時長偏差在5h以內，偏差率≤4.2%，表明本試驗采用的“多指標綜合等效法"科學可靠，換算結果具有良好的一致性與通用性，適用于常見工業材料的等效換算；

3. 光譜匹配度、氙燈試驗參數設置、材料自身特性、自然環境波動是影響等效換算精度的關鍵因素，其中光譜匹配度與試驗參數設置是核心影響因素，通過優化這些因素，可進一步提高換算精度；

4. 中科富祺LG-XD系列氙燈老化試驗箱，可精準模擬自然陽光全光譜，試驗參數可控、精度高，其試驗結果與戶外自然暴曬試驗結果具有良好的等效性，能夠滿足各行業材料耐候性快速評估的需求，彰顯了設備的可靠性與實用性。

4.2 展望

隨著工業材料的多樣化與耐候性要求的不斷提高，戶外暴曬與氙燈老化試驗的等效時長換算技術，將向更精準、更具針對性的方向發展。未來，中科富祺將結合自身設備研發優勢，從以下方面開展進一步研究與優化：

1. 擴大試驗材料范圍，涵蓋復合材料、紡織品、電子元器件、建筑材料等更多類別材料，建立更全面的材料專屬等效換算模型，提高換算結果的通用性與針對性；

2. 結合物聯網、大數據技術，優化氙燈老化試驗箱的智能化水平，實現試驗參數的自動調節與自然環境參數的實時聯動，自動匹配不同地區、不同季節的自然氣候參數，進一步提高等效換算精度；

3. 開展多地區戶外暴曬試驗，收集我國不同氣候區域（北方寒帶、南方亞熱帶、西北干旱地區）的自然氣候參數，建立地區專屬的等效換算數據庫，為不同地區的用戶提供精準的換算參考；

4. 加強與行業高校、科研機構的合作，深入研究材料老化機理，優化加速老化試驗技術與等效換算方法，推動行業加速老化試驗標準的*，為各行業材料研發、質量管控提供更有力的技術支撐；同時，持續優化氙燈老化試驗箱的性能，開發更高精度、更節能、更智能化的試驗設備，滿足行業不斷升級的測試需求。

參考文獻

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