自20世紀(jì)40年代以來(lái)，加速老化測(cè)試作為一種工具，以更快的速度解釋了老化的本質(zhì)，這方面的歷史已有記載。加速老化試驗(yàn)有多種方法，即循環(huán)煮沸干燥試驗(yàn)、自動(dòng)煮沸試驗(yàn)和QUV人工加速老化測(cè)試。QUV紫外光加速老化試驗(yàn)箱給出了材料如何在合理的時(shí)間范圍內(nèi)在長(zhǎng)期暴露環(huán)境中降解的信息。此外，QUV老化箱采用真實(shí)太陽(yáng)輻射模擬波長(zhǎng)。因此，加速老化測(cè)試在木材工業(yè)中的應(yīng)用確實(shí)為制造商提供了快速響應(yīng)，以改進(jìn)其木材產(chǎn)品的長(zhǎng)期使用。本文使用QUV模擬自然老化的加速老化試驗(yàn)用于確定馬來(lái)西亞熱帶木材在長(zhǎng)期環(huán)境暴露中的長(zhǎng)期適用性。
在過去的幾十年里，木材在結(jié)構(gòu)上的應(yīng)用越來(lái)越多，這極大地促進(jìn)了木材工業(yè)研究數(shù)量的快速增長(zhǎng)。由于木材制造業(yè)的目標(biāo)是生產(chǎn)長(zhǎng)期使用的結(jié)構(gòu)產(chǎn)品，因此有必要對(duì)木材老化進(jìn)行研究，以加強(qiáng)木材的正確選擇，促進(jìn)木材保護(hù)，并提供有價(jià)值的木材最終產(chǎn)品。老化是由于暴露的木材在化學(xué)、機(jī)械和光能的復(fù)雜組合下緩慢降解而發(fā)生的。人們對(duì)木材老化的影響因素進(jìn)行了大量的研究。一般來(lái)說(shuō)，光照、高溫和潮濕對(duì)木材老化造成一定的影響。當(dāng)暴露在室外環(huán)境或空調(diào)室內(nèi)以及高濕度條件下時(shí)，用作結(jié)構(gòu)部件的木材需要具有良好的承受環(huán)境影響的能力。當(dāng)木材暴露在室外環(huán)境中時(shí)，這將有助于其表面在自然老化過程中發(fā)生光氧化或光化學(xué)降解。除了表面退化，老化還會(huì)導(dǎo)致機(jī)械應(yīng)力和物理變化。Williams報(bào)道了太陽(yáng)光譜的紫外線(UV)部分對(duì)木材性質(zhì)的影響，例如霉菌生長(zhǎng)、龜裂、開裂和翹曲如圖1所示。
自20世紀(jì)40年代以來(lái)，已經(jīng)進(jìn)行了一個(gè)世紀(jì)的木材老化分析已經(jīng)從自然老化測(cè)試迅速發(fā)展到接受人工老化測(cè)試，或更好地稱為加速老化測(cè)試。盡管自然老化測(cè)試提供了真實(shí)的暴露，并最終以低廉的成本提供了木材老化的真實(shí)結(jié)果，但是將自然老化測(cè)試的分析發(fā)展為加速老化測(cè)試是因?yàn)樽匀焕匣瘻y(cè)試可能是耗時(shí)的。
盡管自然老化測(cè)試提供了真實(shí)的暴露，并最終以低廉的成本提供了木材老化的真實(shí)結(jié)果，但是將自然老化測(cè)試的分析發(fā)展為加速老化測(cè)試是因?yàn)樽匀焕匣瘻y(cè)試可能是耗時(shí)的。為了確定馬來(lái)西亞熱帶木材產(chǎn)品的使用壽命，木材需要暴露在長(zhǎng)期環(huán)境中。標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定了許多用于評(píng)估人造板物理和機(jī)械性能的加速老化測(cè)試方法，如ASTM D 1037-93中的循環(huán)煮沸-干燥(CBD)，ASTM D 3434-2006 中的自動(dòng)煮沸測(cè)試，以及操作熒光紫外(UV)燈裝置或更好符合ASTM G154測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)要求的QUV耐候老化試驗(yàn)箱。
耐久性是指材料在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)承受環(huán)境壓力的能力。建筑物、組件、部件、產(chǎn)品、元件或結(jié)構(gòu)的耐久性可視為該物體在設(shè)計(jì)的操作條件下，在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)提供和維持可接受性能的能力。加速老化試驗(yàn)最大限度地提高了老化因素(如熱量和濕度)對(duì)收縮和膨脹應(yīng)力的影響，這些因素會(huì)影響產(chǎn)品的物理和機(jī)械變化。
進(jìn)行加速老化測(cè)試有三個(gè)主要目的，首先，在方便的短時(shí)間內(nèi)建立材料在物理和機(jī)械耐久性方面的相對(duì)等級(jí)；其次，評(píng)估材料系統(tǒng)在預(yù)期使用條件下的潛在長(zhǎng)期適用性；第三，加速老化測(cè)試能夠加速實(shí)驗(yàn)室中的退化過程。Lee、Pourdeyhimi和Martin研究了標(biāo)準(zhǔn)老化試驗(yàn)方法，結(jié)果表明，準(zhǔn)確了解暴露材料的形態(tài)變化至關(guān)重要。這種評(píng)估對(duì)于防止對(duì)老化效應(yīng)和材料耐久性的誤解非常重要。
Sanberg和Soderstrom回顧了大量的研究工作，這些工作集中在老化效應(yīng)的六個(gè)方面。老化作用有顏色變化、木材侵蝕、自由基的影響、潤(rùn)濕性、解剖變化和強(qiáng)度表現(xiàn)。此外，羅威爾揭示了他的紫外線輻射和耐候性實(shí)驗(yàn)工作的老化效應(yīng)。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，乙?；讞罱?jīng)過700小時(shí)加速老化后，會(huì)出現(xiàn)重量損失、侵蝕速率和滲透深度的老化效應(yīng)。
此外，影響材料耐久性的三個(gè)因素是精確監(jiān)控、外觀和表面缺陷分析。表1總結(jié)了從馬來(lái)西亞熱帶木材中選擇的木材種類，由于其規(guī)格不是天然耐用的，需要處理，因此可用于人工老化試驗(yàn)的進(jìn)一步研究。Williams的一項(xiàng)研究顯示了木材密度參數(shù)的重要性，該參數(shù)導(dǎo)致紫外線輻射穿透密度較高的木材的深度較低。
2.1 QUV儀器模擬自然老化
Russo、Acierno、Marinucci、Greco和Frigione在他們的研究中提出，在一種或多種類似天氣的條件下模擬自然老化的加速老化比自然老化達(dá)到更高的水平。 因此，由Q-LAB供應(yīng)商制造的QUV紫外熒光加速老化測(cè)試箱列出了11個(gè)影響測(cè)試儀暴露和室外暴露之間關(guān)系的因素作為比較數(shù)據(jù)，即地理緯度、海拔高度、當(dāng)?shù)氐乩硖卣?、不同年份的天氣變化、季?jié)天氣變化、樣品放置、比未絕緣樣品降解快50%的絕緣樣品的不同降解程度、操作循環(huán)的標(biāo)準(zhǔn)化程序、操作中應(yīng)用的溫度的標(biāo)準(zhǔn)化程序、樣品的變化和紫外線燈的光譜功率分布(SPD)程度。
表2詳細(xì)解釋了在加速老化試驗(yàn)中選擇紫外線暴露程序時(shí)的推薦暴露條件。此外，根據(jù)每個(gè)儀器中使用的uv燈類型，即UVA-340和UVB-313，確定曝光周期。這些類型的紫外線燈是根據(jù)模擬太陽(yáng)波長(zhǎng)的短波長(zhǎng)來(lái)分類的。用短波長(zhǎng)構(gòu)建的UVA型接近模擬太陽(yáng)截止，同時(shí)UVB型短波長(zhǎng)低于太陽(yáng)截止，這導(dǎo)致不現(xiàn)實(shí)的結(jié)果。
典型輻照度的變化由其熒光紫外燈固有的光譜穩(wěn)定性控制?？傮w而言，暴露周期基于12小時(shí)的暴露條件周期。它們分為紫外線燈照射和冷凝照射，紫外線燈照射時(shí)間從8小時(shí)到20小時(shí)不等，冷凝照射時(shí)間主要為4小時(shí)。
2.2 儀器的應(yīng)用
Patel、Tikhtman、Lee和Scott對(duì)加速老化測(cè)試進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。在Patel等人的研究中，儀器的重復(fù)性和再現(xiàn)性是重要的測(cè)量指標(biāo)。將一個(gè)測(cè)試的結(jié)果復(fù)制到另一個(gè)測(cè)試的能力被稱為重復(fù)性測(cè)量，而再現(xiàn)性可以被描述為相同型號(hào)的儀器復(fù)制測(cè)試結(jié)果的能力。
QUV儀器在加速老化測(cè)試中的應(yīng)用始于20世紀(jì)70年代早期，當(dāng)時(shí)使用的是紫外線熒光燈。 此外，許多研究人員已經(jīng)在短時(shí)間內(nèi)開發(fā)了老化分析，以向制造商提供改進(jìn)的結(jié)果。因此，加速老化試驗(yàn)成為當(dāng)今木材老化分析中常用的方法。
QUV氣候測(cè)試儀在通過復(fù)制短波紫外光譜區(qū)來(lái)模擬自然老化中的應(yīng)用導(dǎo)致了大部分老化損傷。之前使用人工加速老化進(jìn)行的研究列出了QUV紫外光加速老化試驗(yàn)箱遵循ASTM名稱的七個(gè)階段。在詳細(xì)分析中，0、1、2、4、8、16和32個(gè)循環(huán)的每個(gè)循環(huán)由60°C下的4小時(shí)熒光紫外線(UVB，313/280nm)和40°C下的4小時(shí)冷凝組成，以加速由紫外線和水引起的劣化。美國(guó)測(cè)試材料標(biāo)準(zhǔn)總結(jié)了根據(jù)特定紫外線暴露循環(huán)條件進(jìn)行的非金屬材料測(cè)試，例如:
（1）涂料和塑料的第1次循環(huán)；
（2）涂層的第2次循環(huán)；
（3）外部汽車材料的第3和第4次循環(huán)；
（5）屋面材料的第5個(gè)周期；
（6）涂層和塑料的高輻照度暴露的第6次循環(huán)；
（7）木材涂層的熱沖擊和侵蝕試驗(yàn)的第7次循環(huán)。
Mitra、Athire和Malik使用了專門為涂層材料侵蝕試驗(yàn)設(shè)計(jì)的第2輪暴露條件。同時(shí)，方法上的一些修改需要 使用不同類型的QUV紫外光加速老化試驗(yàn)箱時(shí)要考慮。例如，Rajkovic、Bogner和Radovan在QUV紫外光加速老化試驗(yàn)箱使用UVA燈管進(jìn)行循環(huán)6老化測(cè)。該循環(huán)是為涂料和塑料的高輻照度暴露而設(shè)計(jì)的。實(shí)驗(yàn)以24小時(shí)循環(huán)進(jìn)行。
Mitra、Athire和Malik 使用了專門為涂層材料侵蝕試驗(yàn)設(shè)計(jì)的第2輪暴露條件。同時(shí)，在使用不同類型的QUV紫外加速老化試驗(yàn)機(jī)時(shí)，需要考慮方法上的一些修改。例如，Rajkovic、Bogner和Radovan 在QUV中使用UVA燈管進(jìn)行循環(huán)6測(cè)試。該循環(huán)是為涂料和塑料的高輻照度暴露而設(shè)計(jì)的。實(shí)驗(yàn)以24小時(shí)循環(huán)進(jìn)行，包括在60℃下用UVA340燈進(jìn)行8小時(shí)的紫外線輻射，然后在50℃下冷凝4小時(shí)。重復(fù)這些循環(huán)，在1、4、8、12和16周后取出樣品。 在木材樣品的加速老化試驗(yàn)中，QUV紫外老化箱需要改進(jìn)，以允許最大的紫外燈暴露條件。通常情況下，建議在QUV紫外線老化試驗(yàn)箱附帶的門上做一些修改，如圖2所示。
2.3 顏色變化
也有研究調(diào)查了顏色的變化。在進(jìn)行加速老化測(cè)試后，Baur、Easteal、Edmonds、Waddingham、Jones和Devendra根據(jù)顏色值對(duì)暴露的木材樣品進(jìn)行了評(píng)估。Williams進(jìn)行的另一項(xiàng)加速老化試驗(yàn)研究也支持基于顏色變化的評(píng)估參數(shù)。羅威爾、蘇索特、德格魯特和沙菲扎德進(jìn)行了木材粘合阻燃劑的實(shí)驗(yàn)研究。羅威爾等人得出結(jié)論認(rèn)為，降解主要發(fā)生在木質(zhì)素成分中，這有助于顏色的變化。 木質(zhì)素作為細(xì)胞壁中的粘合成分，在將纖維素纖維結(jié)合在一起方面發(fā)揮作用，這將導(dǎo)致纖維素在木質(zhì)素快速降解后變得不太敏感。因此，加速老化試驗(yàn)為暴露的木材表面變得粗糙并導(dǎo)致顏色變化的過程提供了證據(jù)。 因此，在進(jìn)行加速老化試驗(yàn)時(shí)，需要對(duì)馬來(lái)西亞熱帶木材的顏色變化進(jìn)行研究。圖3總結(jié)了一些馬來(lái)西亞熱帶木材的表面顏色。
2.4 強(qiáng)度性能
伊爾迪茲、托馬爾、伊爾迪茲和烏斯陶默對(duì)人工老化測(cè)試對(duì)木材強(qiáng)度性能的影響進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。收集的數(shù)據(jù)顯示，暴露于人工氣候試驗(yàn)1600小時(shí)的樣品達(dá)到最大強(qiáng)度損失。此外，伊爾迪茲等人所做的實(shí)驗(yàn)工作得出結(jié)論，硬木樹種的機(jī)械性能在暴露于人工老化測(cè)試后優(yōu)于軟木樹種。 因此，在允許用于結(jié)構(gòu)構(gòu)件之前，木材的分級(jí)很重要。根據(jù)基于馬來(lái)西亞標(biāo)準(zhǔn)MS1714 的硬木結(jié)構(gòu)等級(jí)目測(cè)強(qiáng)度分級(jí)規(guī)則(HSG ),對(duì)木材進(jìn)行分級(jí)，以選擇制作膠合木梁的優(yōu)質(zhì)木材。分級(jí)員將接受檢查，并根據(jù)既定規(guī)則對(duì)木材進(jìn)行分級(jí)(圖3a)。
木材中可能存在的缺陷有坡度、彎曲、孔洞、蛀蟲、節(jié)疤(圖5)、腐朽木材(圖5、6)、健全邊材、腐朽(圖6)、端裂、扭曲、心脆、開抖、表面裂紋和端裂。由于測(cè)試木材的強(qiáng)度性能降低，腐爛的木材需要丟棄。在恒定速率的載荷下，在四點(diǎn)彎曲中統(tǒng)計(jì)地確定強(qiáng)度性能，直到試樣失效。被評(píng)估的測(cè)試樣品有兩個(gè)主要性質(zhì)，即彈性模量(MOE)和斷裂模量(MOR)。 MOE定義為應(yīng)力應(yīng)變達(dá)到比例極限的比率，而MOR是基于測(cè)試構(gòu)件最大承載能力的極限強(qiáng)度的量度。 通常四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)是按照ASTM D198 設(shè)計(jì)的，跨深比為18。如圖7所示，該測(cè)試在配備有2500千牛稱重傳感器的萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)(UTM)上進(jìn)行。在0.05毫米/分鐘的加載速率下，測(cè)試在5到10分鐘之間失敗。
用于加速老化試驗(yàn)的QUV紫外加速老化試驗(yàn)機(jī)已經(jīng)成為廣泛用于質(zhì)量控制評(píng)估和所用材料認(rèn)證的技術(shù)之一。理論上認(rèn)為QUV采用了模擬真實(shí)太陽(yáng)輻射的波長(zhǎng)。此外，QUV紫外老化光試驗(yàn)箱提供了關(guān)于材料如何在合理的時(shí)間框架內(nèi)由于環(huán)境暴露而降解的信息，并被接受為定性指標(biāo)。因此，這篇概念性綜述論文得出結(jié)論，使用QUV紫外老化光試驗(yàn)箱進(jìn)行木材老化將產(chǎn)生顯著的可重復(fù)數(shù)據(jù)結(jié)果，有利于需要快速篩選改進(jìn)木材產(chǎn)品的制造商。
概念綜述論文介紹了20世紀(jì)40年代以來(lái)加速老化在木材產(chǎn)品中長(zhǎng)期使用中的應(yīng)用，特別是使用QUV儀器進(jìn)行加速老化試驗(yàn)。未來(lái)的研究需要開發(fā)和修改使用QUV老化箱的條件，以實(shí)現(xiàn)木材老化的真實(shí)環(huán)境。木材加速老化試驗(yàn)后的評(píng)估需要精確進(jìn)行，主要是形態(tài)學(xué)變化，因?yàn)槟静氖怯蓮?fù)雜的成分構(gòu)成的。
與本文關(guān)聯(lián)的產(chǎn)品:
