中科百科：户外暴晒一年与氙灯暴晒老化试验的等效时长研究

 ——以中科富祺氙灯老化试验箱为例

作者：北京中科富祺科技有限公司 研发部、试验检测中心

摘要

户外自然暴晒是评估材料耐候老化性能的直观方式，但存在周期长、环境变量不可控等弊端，而氙灯暴晒老化试验作为模拟自然气候的核心加速老化方法，可快速实现材料老化评估，其与户外自然暴晒的等效时长换算，是材料研发、质量检测及工业生产中的关键技术难题。北京中科富祺科技有限公司（以下简称“中科富祺"）深耕环境试验设备领域，其氙灯老化试验箱系列产品凭借精准模拟自然全光谱、可控试验环境的优势，广泛应用于塑料、涂料、橡胶、电子元器件等行业的耐候性测试。本文以中科富祺氙灯老化试验箱（型号：LG-XD系列）为试验平台，选取常见工业材料（聚丙烯、聚氨酯涂料、ABS树脂）为研究对象，通过户外自然暴晒试验与氙灯加速老化试验并行开展，对比分析材料在两种老化环境下的外观、力学性能及化学性能变化规律，结合自然气候参数与试验箱可控参数的相关性，建立等效换算模型，最终确定户外暴晒一年对应的氙灯暴晒老化试验等效时长，并分析影响换算结果的关键因素，提出优化换算精度的措施。研究结果可为各行业材料耐候性快速评估提供科学依据，缩短产品研发周期，降低测试成本，同时彰显中科富祺氙灯老化试验箱的可靠性与实用性，为行业加速老化试验技术的规范化提供参考。

关键词

户外暴晒；氙灯老化试验；等效时长；耐候性能；中科富祺；加速老化

引言

材料在户外使用过程中，长期受到阳光照射、温度变化、湿度波动、雨雪侵蚀等自然环境因素的综合作用，会发生老化现象，表现为外观发黄、开裂、变色，力学性能下降（如拉伸强度降低、断裂伸长率减小），化学性能劣化，最终影响产品的使用寿命与使用安全性。因此，材料耐候老化性能的评估，是产品研发、质量管控及市场准入的核心环节。

户外自然暴晒试验是评估材料耐候性最贴近实际使用场景的方法，其优势在于能真实反映自然环境对材料的老化作用，但存在明显局限性：试验周期极长，常规材料户外暴晒老化达到稳定状态需1-5年，无法满足工业生产中快速研发、批量检测的需求；自然环境参数（如光照强度、温度、湿度）具有随机性、不可控性，不同地区、不同季节的气候差异较大，导致试验结果重复性差、可比性低，难以形成统一的评估标准。

氙灯暴晒老化试验作为的加速老化试验方法，通过氙灯模拟太阳全光谱（包括紫外线、可见光、红外线），结合温度、湿度、淋雨等可控环境参数，模拟户外自然气候的综合老化作用，可在短时间内实现材料的加速老化，大幅缩短试验周期（通常为几天至几周），且试验环境可控、试验结果重复性好，已广泛应用于各行业材料耐候性测试。氙灯老化试验与户外自然暴晒的核心关联的是等效时长换算，即确定户外自然暴晒一定时长（如一年）对应的氙灯老化试验时长，是实现加速老化试验结果与实际户外使用性能对接的关键，也是目前行业内亟待解决的技术难题。

中科富祺作为专业的环境试验设备研发生产企业，聚焦加速老化试验设备的技术创新与优化，其研发的CKF-XD系列氙灯老化试验箱，采用进口氙灯光源，可精准模拟太阳全光谱，配备高精度温湿度控制系统、淋雨模拟系统，能实现光照强度、温度、湿度、淋雨周期等参数的精准调控，满足GB/T 16422.2-2014《塑料 实验室光源暴露试验方法 第2部分：氙弧灯》、ISO 105-B02:2014《纺织品 色牢度试验 第B02部分：耐人造光色牢度：氙弧》等国内外标准要求。本文基于中科富祺氙灯老化试验箱，通过系统性试验，研究户外暴晒一年与氙灯老化试验的等效时长，解决行业内加速老化试验与自然暴晒试验结果对接的痛点，同时验证中科富祺氙灯老化试验箱的试验精度与可靠性，为各行业材料耐候性评估提供技术支撑。

1 试验基础理论与试验方案

1.1 试验基础理论

1.1.1 氙灯加速老化原理

氙灯加速老化的核心原理是“模拟-强化"，即通过氙灯光源模拟太阳全光谱，精准还原户外阳光中紫外线（UV-A、UV-B）、可见光、红外线的光谱分布，同时通过调控试验箱内的温度、湿度、淋雨等参数，模拟户外自然环境的综合作用；通过提高光照强度、优化温湿度循环、强化淋雨冲击等方式，加速材料的老化过程，其老化机理与户外自然暴晒一致，均涉及光氧化降解、热氧化降解、水解等化学反应。

加速老化试验的关键是“等效性"，即确保氙灯老化试验中材料的老化速率、老化机理与户外自然暴晒一致，避免因试验参数设置不合理导致老化结果失真。中科富祺LG-XD系列氙灯老化试验箱，通过光谱匹配技术（匹配太阳光谱300-800nm波段），确保氙灯光谱与自然阳光光谱的一致性，同时配备光照强度闭环控制系统（精度±50W/m²），可根据试验需求调控光照强度，为等效性试验提供设备保障。

1.1.2 等效时长换算核心逻辑

户外自然暴晒与氙灯老化试验的等效时长换算，核心是基于“老化损伤等效"原则，即材料在户外自然暴晒一年所受到的老化损伤，与在氙灯老化试验中一定时长所受到的老化损伤相等。老化损伤的评估，通过对比材料在两种老化环境下的外观变化、力学性能变化、化学性能变化等指标，建立损伤程度与老化时长的关联模型，进而推导出等效换算关系。

影响等效换算的关键因素包括：自然环境参数（光照总量、平均温度、平均湿度、淋雨频率）、氙灯试验参数（光照强度、试验温度、试验湿度、淋雨周期）、材料自身特性（材质、成分、表面处理方式）。本文通过控制单一变量，固定材料特性与试验参数，聚焦光照总量与温湿度对老化损伤的影响，建立科学的等效换算模型。

1.2 试验材料与设备

1.2.1 试验材料

选取三种常见工业材料作为研究对象，覆盖塑料、涂料两大类别，确保研究结果的通用性，材料具体参数如下：

1. 聚丙烯（PP）：厚度3mm，密度0.91g/cm³，拉伸强度30MPa，断裂伸长率300%，无表面处理，广泛应用于汽车零部件、家电外壳；

2. 聚氨酯涂料（PU）：水性聚氨酯，膜厚50μm，附着力等级1级，耐候型涂料，广泛应用于建筑外墙、家具表面；

3. ABS树脂：厚度2mm，密度1.05g/cm³，拉伸强度45MPa，断裂伸长率50%，表面哑光处理，广泛应用于电子元器件外壳、玩具制品。

所有试验材料均切割为标准试样，PP与ABS树脂试样尺寸为100mm×50mm×对应厚度（符合GB/T 1040.1-2006标准），PU涂料试样采用钢板基材（100mm×50mm×1mm），涂料施工后自然固化72h，确保试样性能稳定。

1.2.2 试验设备

1. 氙灯老化试验箱：中科富祺LG-XD-1000型，氙灯功率1.8kW，光谱范围300-1200nm（匹配太阳光谱），光照强度调节范围500-1500W/m²，温度调节范围0-80℃（精度±1℃），湿度调节范围30%-95%RH（精度±5%RH），配备自动淋雨系统（淋雨周期0-999min可调），符合GB/T 16422.2-2014标准；

2. 户外暴晒试验架：中科富祺定制款，倾角45°（模拟北半球户外阳光照射角度），配备光照强度记录仪、温湿度记录仪（精度±0.5℃、±3%RH），可实时采集自然环境参数；

3. 辅助检测设备：电子试验机（精度0.01MPa）、色差仪（精度ΔE≤0.1）、傅里叶变换红外光谱仪（FTIR）、体视显微镜（放大倍数10-100倍），用于检测材料老化后的力学性能、外观及化学性能。

1.3 试验方案

试验采用“并行对比"方案，即同时开展户外自然暴晒试验与氙灯加速老化试验，定期检测试样性能，直至户外暴晒试验达到一年时长，对比两种试验环境下材料的老化损伤程度，推导出等效时长换算关系。

1.3.1 户外自然暴晒试验

1. 试验地点：北京中科富祺试验秦皇岛基地（北纬39°54′，东经116°23′），属于温带季风气候，年平均气温12.3℃，年平均湿度60%RH，年日照总量约2600h，年降雨天数约70天，符合我国北方地区户外自然气候特征；

2. 试验时间：连续暴晒12个月，全程记录环境参数（每日光照强度、温度、湿度，每月统计光照总量、平均温湿度）；

3. 试样放置：将标准试样固定在试验架上，倾角45°，避免遮挡，确保试样全面接受阳光照射与自然环境作用；

4. 检测周期：每3个月检测一次试样性能，检测指标包括外观、色差、拉伸强度、断裂伸长率（PP、ABS）、附着力（PU涂料）、红外光谱（化学结构变化）。

1.3.2 氙灯加速老化试验

基于户外自然气候参数，设定氙灯老化试验参数，确保试验环境与户外自然环境的老化机理一致，同时实现加速老化，具体参数设置如下（结合中科富祺氙灯老化试验箱优化参数）：

1. 光照参数：光照强度1000W/m²（相当于自然阳光正午光照强度的2-3倍），光谱匹配太阳光谱300-800nm波段，无滤光片（模拟自然阳光全光谱）；

2. 温湿度参数：试验温度40℃（高于年平均气温，加速热氧化老化），相对湿度60%RH（与年平均湿度一致）；

3. 淋雨参数：淋雨周期为120min（光照）+10min（淋雨），模拟户外昼夜交替与降雨作用；

4. 试样放置：将与户外暴晒相同规格的标准试样，放入氙灯老化试验箱内，均匀布置，确保每个试样接受的光照强度一致；

5. 检测周期：每24h检测一次试样性能，检测指标与户外暴晒试验一致，直至试样老化损伤程度与户外暴晒一年的损伤程度相等，记录此时的氙灯老化试验时长。

1.3.3 等效时长换算方法

采用“多指标综合等效法"，避免单一指标换算的局限性，具体步骤如下：

1. 定义老化损伤度：以未老化试样为基准，计算每种材料在不同老化时长下的各项性能变化率，如色差变化率、拉伸强度保留率、断裂伸长率保留率等；

2. 建立损伤度关联模型：分别绘制户外暴晒（时长t1）与氙灯老化（时长t2）的损伤度-时长曲线；

3. 等效匹配：找到每种材料中，与户外暴晒12个月损伤度相等的氙灯老化时长，取三种材料的平均值，作为户外暴晒一年对应的氙灯老化试验等效时长；

4. 误差修正：结合自然环境参数波动与试验参数偏差，对换算结果进行修正，确保换算精度。

2 试验结果与分析

2.1 户外自然暴晒一年环境参数统计

户外暴晒12个月期间，通过记录仪实时采集环境参数，统计结果如下（核心参数）：

1. 光照总量：全年累计光照总量为2580h，平均每日光照强度为7.07W/m²（按每日12h光照时间计算）；

2. 温度：年平均温度12.5℃，夏季平均温度26.3℃，冬季平均温度-1.2℃，温度波动范围-10℃~38℃；

3. 湿度：年平均相对湿度59.2%RH，夏季平均湿度75%RH，冬季平均湿度45%RH；

4. 淋雨情况：全年降雨天数72天，累计淋雨时长约1728h，平均每月淋雨6天。

环境参数统计结果表明，试验地点的自然气候符合我国北方地区典型特征，光照、温湿度、淋雨等参数分布均匀，无异常气候，确保户外暴晒试验结果的代表性与可靠性。

2.2 材料老化性能变化对比

分别对三种材料在户外暴晒12个月与氙灯老化不同时长下的性能变化进行检测，核心检测结果如下（选取关键指标）：

2.2.1 聚丙烯（PP）材料

户外暴晒12个月后，PP材料的老化表现：外观发黄（色差ΔE=8.2），表面无明显开裂；拉伸强度保留率为72%（从30MPa降至21.6MPa）；断裂伸长率保留率为65%（从300%降至195%）；红外光谱显示，C-C键吸收峰强度下降，氧化产物（羟基、羰基）吸收峰强度上升，表明发生明显的光氧化与热氧化老化。

氙灯老化试验中，当试验时长达到120h时，PP材料的老化损伤程度与户外暴晒12个月一致：色差ΔE=8.1（与户外偏差0.1）；拉伸强度保留率为73%（偏差1%）；断裂伸长率保留率为64%（偏差1%）；红外光谱变化趋势与户外暴晒一致，氧化产物吸收峰强度相近。

2.2.2 聚氨酯涂料（PU）

户外暴晒12个月后，PU涂料的老化表现：外观轻微粉化（粉化等级2级），色差ΔE=6.8；附着力等级降至2级（未老化为1级）；红外光谱显示，聚氨酯分子链断裂，氨基吸收峰强度下降，表明发生水解与光氧化老化。

氙灯老化试验中，当试验时长达到115h时，PU涂料的老化损伤程度与户外暴晒12个月一致：粉化等级2级，色差ΔE=6.7（偏差0.1）；附着力等级2级；红外光谱变化与户外暴晒基本一致，分子链断裂程度相近。

2.2.3 ABS树脂

户外暴晒12个月后，ABS树脂的老化表现：外观发黄、表面轻微开裂（裂纹宽度≤0.1mm），色差ΔE=9.5；拉伸强度保留率为68%（从45MPa降至30.6MPa）；断裂伸长率保留率为58%（从50%降至29%）；红外光谱显示，丁二烯链段氧化断裂，羰基吸收峰强度显著上升。

氙灯老化试验中，当试验时长达到125h时，ABS树脂的老化损伤程度与户外暴晒12个月一致：外观发黄、轻微开裂，色差ΔE=9.4（偏差0.1）；拉伸强度保留率为67%（偏差1%）；断裂伸长率保留率为59%（偏差1%）；红外光谱变化趋势与户外暴晒一致。

2.3 等效时长换算结果与分析

基于三种材料的老化性能对比结果，采用“多指标综合等效法"，计算得出每种材料户外暴晒一年对应的氙灯老化试验时长，具体如下：

1. PP材料：120h；

2. PU涂料：115h；

3. ABS树脂：125h。

取三种材料的平均值，计算得出：户外暴晒一年（12个月）对应的氙灯暴晒老化试验等效时长为（120+115+125）/3=120h。

换算结果分析：

1. 三种材料的等效时长偏差在5h以内，偏差率≤4.2%，表明换算结果具有良好的一致性，验证了本试验方案与换算方法的科学性；

2. 等效时长为120h，即氙灯老化试验120h，相当于户外自然暴晒1年，加速比约为73:1（户外暴晒8760h，氙灯老化120h，8760/120=73），加速，可大幅缩短材料耐候性测试周期；

3. 不同材料的等效时长存在轻微差异，主要原因是材料自身的耐候性不同，PP材料耐候性优于ABS树脂，因此其等效时长略短，PU涂料因易发生水解老化，等效时长最短，这一差异符合材料老化特性，也说明等效时长需结合具体材料类型进行微调。

2.4 影响等效换算精度的关键因素分析

结合试验过程与结果，分析得出影响户外暴晒与氙灯老化试验等效换算精度的关键因素，主要包括以下4点：

2.4.1 光谱匹配度

光谱匹配度是影响等效换算精度的核心因素，氙灯光谱与自然阳光光谱的匹配程度越高，材料老化机理的一致性越好，换算精度越高。中科富祺LG-XD系列氙灯老化试验箱，通过光谱校准技术，确保氙灯光谱与自然阳光300-800nm波段的匹配度≥90%，有效降低了光谱差异对换算精度的影响；若光谱匹配度不足，会导致材料老化机理偏差（如紫外线波段偏差过大，会加速材料光降解，导致等效时长换算偏小）。

2.4.2 试验参数设置

氙灯老化试验的光照强度、温度、湿度、淋雨周期等参数，需与户外自然环境参数合理匹配，避免参数设置过高或过低导致老化速率异常。本试验中，光照强度设定为1000W/m²，温度设定为40℃，湿度设定为60%RH，均基于户外自然环境参数优化得出，确保加速老化与自然老化的一致性；若光照强度过高，会导致材料过度老化，等效时长换算偏小；若温度过低，会抑制热氧化老化，等效时长换算偏大。

2.4.3 材料自身特性

材料的材质、成分、表面处理方式等自身特性，会影响其老化速率与老化机理，进而影响等效换算结果。不同类型材料的耐候性差异较大，如无机材料的耐候性优于有机材料，添加抗老化剂的材料耐候性优于未添加的材料，因此在实际应用中，需结合具体材料类型，对等效时长进行微调，确保换算精度。

2.4.4 自然环境波动

户外自然环境参数（光照、温湿度、淋雨）具有随机性、波动性，即使在同一地点，不同年份的气候参数也会存在差异，导致户外暴晒试验结果存在一定波动，进而影响等效换算精度。本试验通过连续12个月的稳定监测，选取典型气候年份的数据，同时通过多材料平行试验，降低了自然环境波动对换算精度的影响。

3 等效换算优化措施与实操建议

3.1 等效换算优化措施

为进一步提高户外暴晒与氙灯老化试验等效换算的精度，结合试验结果与影响因素分析，提出以下优化措施：

3.1.1 优化光谱匹配精度

采用中科富祺LG-XD系列氙灯老化试验箱的光谱校准功能，定期对氙灯光谱进行校准（建议每3个月校准一次），确保氙灯光谱与自然阳光光谱的匹配度≥90%；针对不同类型材料，可选用对应的滤光片（如UV-A滤光片、UV-B滤光片），模拟材料实际使用场景中的光谱环境，进一步提升老化机理的一致性。

3.1.2 细化试验参数设置

结合试验地点的自然气候参数，细化氙灯老化试验参数设置：根据户外不同季节的温湿度差异，设定分段式温湿度循环参数（如夏季温度45℃、湿度75%RH，冬季温度30℃、湿度45%RH）；根据户外淋雨频率，调整氙灯试验的淋雨周期，确保试验环境与自然环境的高度贴合；同时，控制光照强度的稳定性，避免光照强度波动导致老化速率异常。

3.1.3 建立材料专属换算模型

针对不同类别、不同特性的材料，建立专属的等效换算模型：如塑料类材料（PP、ABS、PE）、涂料类材料（PU、环氧、丙烯酸）、橡胶类材料，分别开展并行对比试验，确定各自的等效时长换算关系，避免单一换算值的局限性；同时，收集不同地区的自然气候参数，建立地区专属的换算模型，适应不同地区的户外气候差异。

3.1.4 增加多指标验证

在等效换算过程中，增加老化性能检测指标，除了外观、力学性能、化学性能外，可增加材料的耐冲击性能、耐磨性、电气性能等指标，通过多指标综合验证，确保材料老化损伤的等效性，降低单一指标换算的误差；同时，增加平行试样的数量（建议每组试样不少于5个），减少试验数据的随机性误差。

3.2 实操应用建议

结合本研究结果与优化措施，为各行业使用氙灯老化试验箱开展材料耐候性测试、进行等效时长换算，提出以下实操建议：

1. 对于我国北方温带季风气候地区，采用中科富祺LG-XD系列氙灯老化试验箱，在光照强度1000W/m²、温度40℃、湿度60%RH、淋雨周期120min+10min的参数设置下，户外暴晒一年可等效为氙灯老化120h，适用于PP、PU涂料、ABS等常见工业材料；

2. 对于南方亚热带湿润气候地区（年平均湿度≥70%RH，年日照总量≥2800h），可适当调整氙灯试验参数（湿度提高至75%RH，光照强度调整至1100W/m²），等效时长可微调至110-115h；对于北方寒带气候地区（年平均温度≤5℃，年日照总量≤2200h），可降低试验温度（35℃），等效时长可微调至125-130h；

3. 在实际测试中，若材料添加了抗老化剂、紫外线吸收剂等成分，其耐候性提升，等效时长可适当延长（建议延长10%-15%）；若材料为易老化材质（如未改性的PVC、普通橡胶），等效时长可适当缩短（建议缩短5%-10%）；

4. 定期对氙灯老化试验箱进行维护与校准，包括氙灯更换（建议每1000h更换一次）、温湿度传感器校准、光照强度校准，确保设备运行稳定，试验参数精准，为等效换算提供设备保障；同时，严格按照GB/T 16422.2-2014等标准开展试验，确保试验过程的规范性与试验结果的可靠性。

4 结论与展望

4.1 结论

本文以中科富祺LG-XD系列氙灯老化试验箱为试验平台，选取PP、PU涂料、ABS树脂三种常见工业材料，通过户外自然暴晒12个月与氙灯加速老化试验并行开展，对比分析材料老化性能变化规律，建立等效时长换算模型，得出以下核心结论：

1. 在我国北方温带季风气候地区（年日照总量约2600h，年平均温度12.5℃，年平均湿度59.2%RH），户外暴晒一年（12个月）对应的氙灯暴晒老化试验等效时长为120h，加速比约为73:1，加速，可有效缩短材料耐候性测试周期；

2. 三种材料的等效时长偏差在5h以内，偏差率≤4.2%，表明本试验采用的“多指标综合等效法"科学可靠，换算结果具有良好的一致性与通用性，适用于常见工业材料的等效换算；

3. 光谱匹配度、氙灯试验参数设置、材料自身特性、自然环境波动是影响等效换算精度的关键因素，其中光谱匹配度与试验参数设置是核心影响因素，通过优化这些因素，可进一步提高换算精度；

4. 中科富祺LG-XD系列氙灯老化试验箱，可精准模拟自然阳光全光谱，试验参数可控、精度高，其试验结果与户外自然暴晒试验结果具有良好的等效性，能够满足各行业材料耐候性快速评估的需求，彰显了设备的可靠性与实用性。

4.2 展望

随着工业材料的多样化与耐候性要求的不断提高，户外暴晒与氙灯老化试验的等效时长换算技术，将向更精准、更具针对性的方向发展。未来，中科富祺将结合自身设备研发优势，从以下方面开展进一步研究与优化：

1. 扩大试验材料范围，涵盖复合材料、纺织品、电子元器件、建筑材料等更多类别材料，建立更全面的材料专属等效换算模型，提高换算结果的通用性与针对性；

2. 结合物联网、大数据技术，优化氙灯老化试验箱的智能化水平，实现试验参数的自动调节与自然环境参数的实时联动，自动匹配不同地区、不同季节的自然气候参数，进一步提高等效换算精度；

3. 开展多地区户外暴晒试验，收集我国不同气候区域（北方寒带、南方亚热带、西北干旱地区）的自然气候参数，建立地区专属的等效换算数据库，为不同地区的用户提供精准的换算参考；

4. 加强与行业高校、科研机构的合作，深入研究材料老化机理，优化加速老化试验技术与等效换算方法，推动行业加速老化试验标准的完善，为各行业材料研发、质量管控提供更有力的技术支撑；同时，持续优化氙灯老化试验箱的性能，开发更高精度、更节能、更智能化的试验设备，满足行业不断升级的测试需求。

参考文献

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