氙燈老化和紫外老化試驗(yàn)的比較

氣候和陽光輻照是損害涂料、塑料、油墨及其他高分子材料的主要原因，這種損害包括失光、褪色、黃變、開裂、脫皮、脆化、強(qiáng)度降低及分層。即使是室內(nèi)的光及通過玻璃窗透射的太陽光也都會(huì)使一些材料老化，比如引起顏料、染料等褪色或變色。對(duì)許多制造商而言，產(chǎn)品的耐老化和耐光性是極其重要的。加速檢測(cè)老化和光穩(wěn)定性的設(shè)備被廣泛用于研究開發(fā)、質(zhì)量控制和材料檢定，這些檢測(cè)設(shè)備提供快速并且可重復(fù)的測(cè)試結(jié)果。近年來，低價(jià)位且使用方便的實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)設(shè)備已經(jīng)開發(fā)出來，包括QUV紫外加速老化設(shè)備（符合ASTM G154）和Q-Sun氙燈試驗(yàn)箱（符合ASTM G155）。

測(cè)試抗老化和光穩(wěn)定性的最佳方法經(jīng)常引起爭(zhēng)論。幾年來，各種各樣的方法都被應(yīng)用過，現(xiàn)在大部分研究者使用自然曝露方法、Q-Sun氙弧燈或QUV加速老化試驗(yàn)設(shè)備。自然曝露測(cè)試方法有很多優(yōu)點(diǎn)，實(shí)際、便宜、易于操作，然而大部分制造商不愿意等上幾年的時(shí)間來觀察一種新的改良的產(chǎn)品設(shè)計(jì)是否真的得到改進(jìn)。

Q-Sun氙弧燈試驗(yàn)箱和QUV紫外加速老化試驗(yàn)箱是應(yīng)用*泛的加速老化檢測(cè)設(shè)備，這兩種檢測(cè)設(shè)備的測(cè)試原理*不同。Q-Sun氙燈試驗(yàn)箱模擬太陽光的所有光譜，包括紫外線UV、可見光和紅外線IR，氙燈光譜在295nm到800nm范圍內(nèi)基本上與太陽光的光譜相吻合（如圖1所示）。Q-Sun被用來測(cè)試許多產(chǎn)品，這些產(chǎn)品對(duì)紫外線的長波段、可見光及紅外線較敏感。

圖1 太陽光光譜與QUV和Q-Sun光譜之間的比較

QUV不能模擬全光譜太陽光。它的原理是，對(duì)于曝露在室外的經(jīng)久耐用的材料，紫外線的短波段300-400nm是引起老化損害的最主要原因（如圖1所示）。從中可以看出，在紫外線的短波區(qū)域，即從365nm到太陽光的起始波段，QUV 能很好地模擬太陽光，然而，對(duì)于長一點(diǎn)的波長它將無能為力。

測(cè)試的最佳方法依賴于測(cè)試需要，每種方法都可能非常有效。應(yīng)該根據(jù)被測(cè)產(chǎn)品或材料、最終的應(yīng)用條件、所考慮的降解模式和預(yù)算來選擇合適的檢測(cè)設(shè)備。

1.老化的三要素

光照、高溫和潮濕，這3個(gè)因素中的任何一個(gè)都會(huì)引起材料的老化損害，但它們往往同時(shí)發(fā)生作用，所造成的危害將大于其中任一因素的單獨(dú)作用。

1.1光照

不同材料對(duì)光的敏感性不同。對(duì)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(duì)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(huì)使其產(chǎn)生嚴(yán)重的老化。

1.2 高溫

當(dāng)溫度升高時(shí)，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(yīng)，但卻影響次要的化學(xué)反應(yīng)。實(shí)驗(yàn)室老化測(cè)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

露水、雨水及高濕度是引起潮濕危害的主要原因。研究表明，放在室外的物品每天都將長時(shí)間（平均每天8-12h）處于潮濕狀態(tài)。研究發(fā)現(xiàn)，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?yàn)樗街诓牧仙系臅r(shí)間更長，引起更為嚴(yán)重的潮濕吸收。當(dāng)然，雨水對(duì)材料的危害也很大，雨水將引起熱沖擊。比如一輛在炎熱夏日里溫度升高的汽車突然因陣雨而急劇降溫，就會(huì)產(chǎn)生沖擊現(xiàn)象。雨水沖刷引起的機(jī)械侵蝕也會(huì)加速材料發(fā)生老化，如木材涂層因雨水沖洗去除了表面老化層，將未老化的里層暴露于太陽光下，從而產(chǎn)生進(jìn)一步老化。對(duì)于室內(nèi)材料，濕氣的主要作用往往是機(jī)械應(yīng)力，它因材料試圖與周圍保持潮濕平衡而引起，材料所經(jīng)受的濕氣越大，需要克服的應(yīng)力也越大。濕氣環(huán)境還是室外材料發(fā)生老化的一個(gè)重要因素，在室外，周圍相對(duì)濕度RH將影響一種潮濕材料的干燥速度。QUV和Q-Sun以各自不同的方式來模擬光照、高溫和潮濕。

2 QUV老化試驗(yàn)設(shè)備

2.1 陽光模擬

QUV利用熒光紫外線燈模擬太陽光來對(duì)耐久性材料造成損害。紫外燈在電學(xué)原理上與普通照明用的燈很相似，但它主要發(fā)射紫外光而非可見光或紅外線。不同的應(yīng)用條件需要的不同光譜，進(jìn)而需要不同類型的燈管。UV-340燈管對(duì)太陽光的紫外短波段模擬效果好，其光譜能量分布SPD在太陽光的截止點(diǎn)到大約360nm范圍內(nèi)與太陽光譜吻合得非常好（如圖2所示）。

圖2 UV-340光譜與夏天正午太陽光譜比較

UV-B型燈管（如圖3所示）在QUV中也被廣泛應(yīng)用。它們比UV-A型燈管引起更快的材料老化，但它比太陽光截止點(diǎn)更短的波長量可能會(huì)對(duì)許多材料產(chǎn)生不切實(shí)際的結(jié)果。

圖2 所示的UVA-340燈管在已有燈管中對(duì)太陽光紫外短波段的模擬效果是最佳的。圖3 UV-B類型的燈管利用紫外線的短波段達(dá)到最快加速老化的目的，對(duì)特別經(jīng)久耐用材料的檢定或質(zhì)量控制非常有用。

圖3 UVB-313及FS-40光譜與太陽光譜比較

2.2 輻照度控制

為了獲得精確且可重復(fù)的測(cè)試結(jié)果，控制輻照度（光強(qiáng)）很有必要。大多數(shù)型號(hào)的QUV都裝備有日光眼光強(qiáng)控制器，這種精確的光控系統(tǒng)為使用者選擇輻照度提供了方便。利用日光眼的反饋循環(huán)系統(tǒng)，可以連續(xù)、自動(dòng)地控制且精確地保持輻照度，日光眼靠調(diào)整燈的功率來自動(dòng)補(bǔ)償因燈管老化和其他因素造成的光強(qiáng)變化。在僅僅幾天或幾周內(nèi)，QUV能模擬在室外幾個(gè)月甚至幾年所造成的損害。

在QUV內(nèi)部，因熒光紫外線燈固有的光譜穩(wěn)定性，發(fā)光控制系統(tǒng)相對(duì)簡單。隨著燈管的老化，所有光源的輸出都會(huì)發(fā)生衰減，然而，不像大多數(shù)其它類型的燈管，紫外燈的光譜不會(huì)隨時(shí)間變化，這也提高了測(cè)試結(jié)果的重復(fù)性，也是使用QUV進(jìn)行測(cè)試的一個(gè)主要的優(yōu)點(diǎn)。

圖4所示為在QUV中使用過2h的燈管和使用過5600h的燈管輻照度控制之間的比較，可以看出，新燈管和長時(shí)間使用過的燈管光譜之間的差別幾乎難以辨別。這是因?yàn)椋环矫嫒展廨椪斩瓤刂破饔脕砭S持光強(qiáng)，另外，因?yàn)樽贤鉄艄逃械墓庾V穩(wěn)定性，光譜能量分布幾乎保持不變。已取得專li的太陽眼控制系統(tǒng)易于校準(zhǔn)，符合ISO標(biāo)準(zhǔn)可追溯的要求。

圖4 QUV的日光眼控制系統(tǒng)利用改變燈的輸出功率保持光譜穩(wěn)定

2.3 潮濕模擬

測(cè)試室底部的水槽被用來加熱產(chǎn)生蒸汽，在較高的溫度下，熱蒸汽使測(cè)試室內(nèi)保持100%的相對(duì)濕度。在QUV中，測(cè)試樣品實(shí)際上形成測(cè)試室的側(cè)壁，樣品的另一面暴露在室內(nèi)周圍的空氣中。室內(nèi)相對(duì)較冷的空氣使得測(cè)試樣品的表面比測(cè)試室內(nèi)熱蒸汽的溫度低好幾度，這一溫度差產(chǎn)生冷凝循環(huán)現(xiàn)象，在樣品表面液態(tài)形式的水慢慢地凝結(jié)（如圖5所示）。所形成的冷凝物是非常穩(wěn)定、純度很高的蒸餾水，這種高純的蒸餾水增加了測(cè)試結(jié)果的可重復(fù)性，也簡化了QUV的安裝和操作。

圖5 QUV通過一個(gè)逼真的冷凝系統(tǒng)來模擬室外的潮濕侵蝕

因?yàn)椴牧显谑彝饨?jīng)受潮濕侵蝕的時(shí)間很長，所以QUV要達(dá)到相同的效果，它的冷凝循環(huán)過程至少需要4h。另外，冷凝過程是在一較高溫度（一般為50℃)下進(jìn)行的，這大大加速了潮濕侵蝕。用QUV的長時(shí)間的熱凝結(jié)循環(huán)過程來模擬戶外的潮濕侵蝕比其他一些方法，如濺水、浸水或高濕度都更有效。除了標(biāo)準(zhǔn)的冷凝功能，QUV還可用水噴淋來模擬雨水影響，比如熱沖擊或機(jī)械侵蝕。使用者可操作QUV來產(chǎn)生潮濕循環(huán)并伴隨紫外線，這一模擬與自然老化非常相似。

3 Q-Sun氙燈試驗(yàn)箱

3.1 太陽光模擬

氙弧燈試驗(yàn)箱可最好地模擬太陽光的所有光譜，可產(chǎn)生紫外線、可見光和紅外線。氙弧光燈光譜有兩個(gè)影響因素：濾光系統(tǒng)和光源穩(wěn)定性。

氙弧光燈產(chǎn)生的光譜必須經(jīng)過過濾來減少不需要的光譜成分，使用不同類型的玻璃濾光器可得到不同的光譜。濾光器的使用取決于被測(cè)材料和材料的最終使用條件，不同過濾器過濾的光譜中紫外線短波段的量不同，這將在很大程度上影響老化的速度和類型。經(jīng)常使用的濾光器有) 種類型：日光、窗玻璃、紫外延伸過濾器。圖6-圖8展示了這些濾光器產(chǎn)生的光譜，同時(shí)也展示了295nm-400nm之間紫外線短波段的一些光譜的放大圖。

日光過濾器通常被用來模擬戶外暴露。被設(shè)計(jì)用來測(cè)室內(nèi)光穩(wěn)定性，這種過濾器產(chǎn)生的一種光譜與透過玻璃的太陽光光譜非常相似。

圖6 配備有日光過濾器的Q-Sun光譜和太陽光譜之間的比較

圖7 配備有窗玻璃過濾器的Q-Sun光譜和透過玻璃的太陽光譜之間的比較

圖8 配備有Q/B擴(kuò)展紫外線過濾器的Q-Sun光譜和太陽光譜之間的比較

某些測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)要求一種光譜包含短波紫外線，比太陽短波截止點(diǎn)295nm還短的波長，Q/B過濾器提供這種光譜。盡管這種過濾器提供不切實(shí)際的紫外線短波段，但它們往往提供更快的測(cè)試結(jié)果。

3.2 輻照度控制

氙弧燈試驗(yàn)箱一般裝備有輻照度控制系統(tǒng)，Q-Sun使用的日光眼系統(tǒng)如圖9 所示。

在氙弧燈測(cè)試系統(tǒng)內(nèi)，輻照度控制非常重要，因?yàn)殡舯旧淼墓庾V穩(wěn)定性不如熒光紫外燈的好。圖10展示了一只新燈和一只已使用過1000h的燈光譜之間的差異。很顯然，除控制點(diǎn)光強(qiáng)不變，在長波段，光譜隨時(shí)間發(fā)生嚴(yán)重的變化。

因燈管老化而產(chǎn)生光譜漂移是氙弧燈固有的特性，然而，有些方法可用來補(bǔ)償這一變化。例如，為了減小燈老化的影響，可以定期更換燈管。同時(shí)，控制340nm或420nm處的照度，那么在一個(gè)特定區(qū)域，光譜的變化量將減到最小。盡管因燈管老化會(huì)引起光譜漂移，氙弧燈在抗老化和光穩(wěn)定性測(cè)試中已被證明是一種切合實(shí)際的光源。

圖9 Q-Sun 的日光眼照度控制器自動(dòng)地控制和維持被選擇的光強(qiáng)

3.3 潮濕模擬

大多數(shù)氙弧光燈檢測(cè)設(shè)備通過水噴淋或濕度控制系統(tǒng)來模擬潮濕的影響。水噴淋的局限性是，當(dāng)溫度較低的水噴淋到溫度較高的被測(cè)樣品上，樣品的溫度也將隨之降低，這就可能減慢了老化的速度，然而，水噴淋可以很好地模擬熱沖擊和機(jī)械侵蝕。在測(cè)試系統(tǒng)中，為了防止水對(duì)樣品的污染，使用高純度的水是非常必要的。

因?yàn)闈穸葧?huì)影響某些室內(nèi)使用物品（比如紡織品或油墨）發(fā)生老化的類型和速度，在許多測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)中都建議控制相對(duì)濕度。Q-Sun氙燈試驗(yàn)箱可選配相對(duì)濕度控制。

4 實(shí)際需要考慮的事項(xiàng)

當(dāng)然，一種測(cè)試裝置不管如何有效，如果購買價(jià)格和運(yùn)行成本太高的話，那它也沒有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。這就是為什么購買價(jià)格、運(yùn)行成本、維護(hù)費(fèi)用是一些不容忽視的重要因素的原因，在考慮一種檢測(cè)設(shè)備的優(yōu)點(diǎn)時(shí)也應(yīng)考慮到這些因素的影響。

4.1 購買價(jià)格

一般地，QUV比Q-Sun便宜，具體情況取決于您所購買的產(chǎn)品類型和型號(hào)。由圖10可見，使用1000h后，氙弧光燈的光譜輸出發(fā)生變化，但是控制器在控制點(diǎn)維持光譜穩(wěn)定性方面做得非常好。

圖10 使用1000h后氙弧光燈的光譜輸出

4.2 測(cè)試室大小

當(dāng)評(píng)估一個(gè)試驗(yàn)箱的價(jià)格時(shí)，應(yīng)該考慮到它的容積。一個(gè)QUV/SE和一個(gè)Q-Sun Xe-1在購買時(shí)價(jià)格相當(dāng)，但它們的容積相差很大，QUV大約是Q-Sun Xe-1容積的5倍。QUV的容積比Q-Sun Xe-3的也大，Q-Sun Xe-3僅提供QUV容積的72%。

4.3 三維測(cè)試樣品

Q-Sun 可測(cè)試樣品的類型比較靈活，除了可測(cè)試平面試樣外，還可測(cè)試三維部件、試管及玻璃皿。QUV可安裝相對(duì)較薄的平板或樣品。

4.4 易于使用和維護(hù)

QUV和Q-Sun的使用和維護(hù)都很方便，這兩種試驗(yàn)設(shè)備可以全自動(dòng)一天24h連續(xù)工作，一周7d連續(xù)工作，定時(shí)器可使測(cè)試在任何特定的時(shí)間停止。利用已獲得專li的自動(dòng)校正系統(tǒng)和輻照度校正儀來進(jìn)行校準(zhǔn)也很簡單，當(dāng)儀器光強(qiáng)穩(wěn)定時(shí)按下按鈕，校準(zhǔn)即完成，在此過程中，測(cè)試樣品和光源均處于待工作狀態(tài)。

Q-Sun氙燈試驗(yàn)箱和QUV加速老化試驗(yàn)箱設(shè)計(jì)得非常人性化，Q-Sun的前門、QUV兩邊的翻蓋門，使得燈管和樣品安裝都很容易。

4.5 維護(hù)費(fèi)用

QUV和Q-Sun的維護(hù)費(fèi)用都較低。Q-Sun每年更換燈管的費(fèi)用比QUV/se和QUV/spray高得多，Q-Sun的電能消耗也較多。另外，QUV/se和QUV可用一般的自來水，而Q-Sun要求去離子水?？傊?，QUV每年的使用費(fèi)用比Q-Sun少得多。