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氙燈老化箱和紫外老化箱的比較

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使一些材料老化，比如引起顏料、染料等褪色或變色。

    對許多制造商而言，產(chǎn)品的耐老化和耐光性是極其重要的。加速檢測老化和光穩(wěn)定性的設備被廣泛用于研究開發(fā)、質(zhì)量、控制和材料檢定，這些檢測設備提供快速并且可重復的測試結(jié)果。近年來，低價位且使用方便的實驗室檢測設備已經(jīng)開發(fā)出來，包括QUV紫外加速老化設備符合ASTM G 154）Q-Sun氙燈試驗箱符合ASTM G155。

    測試抗老化和光穩(wěn)定性的*方法經(jīng)常引起爭論。幾年來，各種各樣的方法都被應用過，現(xiàn)在大部分研究者使用自然曝露方法,Q-Sun氙弧燈或QUV加速老化試驗設備。自然曝露測試方法有很多優(yōu)點，實際、便宜、易于操作，然而大部分制造商不愿意等上幾年的時間來觀察一種新的改良的產(chǎn)品設計是否真的得到改進。

    Q-Sun氙弧燈試驗箱和QUV紫外加速老化試驗箱是應用zui廣泛的加速老化檢測設備，這兩種檢測設備的測試原理*不同。Q-Sun氙燈試驗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295 nm到800 nm范圍內(nèi)基本上與太陽光的光譜相吻合（如圖1所示）。Q-Sun被用來測試許多產(chǎn)品，這些產(chǎn)品對紫外線的長波段、可見光及紅外線較敏感。

    QUV不能模擬全光譜太陽光。它的原理是，對于曝露在室外的經(jīng)久耐用的材料，紫外線的短波段300~400 nm是引起老化損害的zui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365 nm到太陽光的zui低波段，QUV能很好地模擬太陽光，然而，對于長一點的波長它將無能為力。

    測試的*方法依賴于測試需要，每種方法都可能非常有效。應該根據(jù)被測產(chǎn)品或材料、zui終的應用條件、所考慮的降解模式和預算來選擇合適的檢測設備。

    1 老化的3要素

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

    1.1光照

    不同材料對光的敏感性不同。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使其產(chǎn)生嚴重的老化。

    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，但卻影響次要的化學反應。實驗室老化測試必須提供的溫度控制，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間（平均每天8-12 h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，因為它附著在材料上的時間更長，引起更為嚴重的潮濕吸收。當然，雨水對材料的危害也很大，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，就會產(chǎn)生沖擊現(xiàn)象。雨水沖刷引起的機械侵蝕也會加速材料發(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)生進一步老化。

    對于室內(nèi)材料，濕氣的主要作用往往是機械應力，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，需要克服的應力也越大。濕氣環(huán)境還是室外材料發(fā)生老化的一個重要因素，在室外，周圍相對濕度（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老化試驗設備

    2.1陽光模擬

    QUV利用熒光紫外線燈模擬太陽光來對一耐久性材料造成損害。紫外燈在電學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。

    不同的應用條件需要的不同光譜，進而需要一不同類型的燈管。UVA-340燈管對太陽光的紫外短波段模擬效果好，其光譜能量分布（SPD）在太陽光的截止點到大約360 nm范圍內(nèi)與太陽光譜吻合得非常好（如圖2所示）。

    UV-B型燈管（如圖3所示）在QUV中也被廣泛應用。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更短的波長量可能會對許多材料產(chǎn)生不切實際的結(jié)果。

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

    2.2輻照度控制

    為了獲得且可重復的測試結(jié)果，控制輻照度（光強）很有必要。大多數(shù)型號的QUV都裝備有日光眼光強控制器，這種的光控系統(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)、自動地控制且地保持輻照度，日光眼靠調(diào)整燈的功率來自動補償因燈管老化和其他因素造成的光強變化。在僅僅幾天或幾周內(nèi)QUV能模擬在室外幾個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)相對簡單。隨著燈管的老化，所有光源的輸出都會發(fā)生衰減，然而，不像大多數(shù)其它類型的燈管，紫外燈的光譜不會隨時間變化，這也提高了測試結(jié)果的重復性，也是使用QUV進行測試的一個主要的優(yōu)點。

    圖4所示為在QUV中使用過2h的燈管和使用過5 600 h的燈管輻照度控制之間的比較，可以看出，新燈管和長時間使用過的燈管光譜之間的差別幾乎難以辨別。這是因為，一方面日光眼照度控制器用來維持光強，另外，因為紫外燈固有的光譜穩(wěn)定性，光譜能量分布幾乎保持不變。已取得的太陽眼控制系統(tǒng)易于校準，符合ISO標準可追溯的要求。

    2.3潮濕模擬

    測試室底部的水槽被用來加熱產(chǎn)生蒸汽，在較高的溫度下，熱蒸汽使測試室內(nèi)保持的相對濕度。在QUV中，測試樣品實際上形成測試室的側(cè)壁，樣品的另一面暴露在室內(nèi)周圍的空氣中。室內(nèi)相對較冷的空氣使得測試樣品的表面比測試室內(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試結(jié)果的可重復性，也簡化了QUV的安裝和操作。

    因為材料在室外經(jīng)受潮濕侵蝕的時間很長，所以QUV要達到相同的效果，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℃）下進行的，這大大加速了潮濕侵蝕。用QUV的長時間的熱凝結(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。除了標準的冷凝功能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 ft燈試驗箱

    3.1太陽光模擬

    氛弧燈試驗箱可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材料和材料的zui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3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，同時也展示了295-400 nm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。被設計用來測試室內(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。

    某些測試標準要求一種光譜包含短波紫外線，比太陽短波截止點（295 nm）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際的紫外線短波段，但它們往往提供更快的測試結(jié)果。

    3.2輻照度控制

    氙弧燈試驗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。

    在氙弧燈測試系統(tǒng)內(nèi)，輻照度控制非常重要，因為氙弧燈本身的光譜穩(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1000 h的燈光譜之間的差異。很顯然，除控制點光強不變，在長波段，光譜隨時間發(fā)生嚴重的變化。

    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，控制340 nm或420 nm處的照度，那么在一個特定區(qū)域，光譜的變化量將減到zui小。盡管因燈管老化會引起光譜漂移，氙弧燈在抗老化和光穩(wěn)定性測試中已被證明是一種切合實際的光源。

    3.3潮濕模擬

    大多數(shù)氛弧光燈檢測設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，當溫度較低的水噴淋到溫度較高的被測樣品上，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械侵蝕。在測試系統(tǒng)中，為了防止水對樣品的污染，使用高純度的水是非常必要的。

    因為濕度會影響某些室內(nèi)使用物品（比如紡織品或油墨）發(fā)生老化的類型和速度，在許多測試標準中都建議控制相對濕度。Q-Sun氙燈試驗箱可選配相對濕度控制。

    4 實際需要考慮的事項

    當然，一種測試裝置不管如何有效，如果購買價格和運行成本太高的話，那它也沒有實際應用價值。這就是為什么購買價格、運行成本、維護費用是一些不容忽視的重要因素的原因，在考慮一種檢測設備的優(yōu)點時也應考慮到這些因素的影響。

    4.1購買價格

    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。

    由圖10可見，使用1000 h后，氙弧光燈的光譜輸出發(fā)生變化，但是控制器在控制點維持光譜穩(wěn)定性方面做得非常好。

    4.2測試室大小

    當評估一個試驗箱的價格時，應該考慮到它的容積。一個QUV/se和一個Q-Sun Xe-1在購買時價格相當，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%。

    4.3三維測試樣品

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

    4．4易于使用和維護

    QUV和Q-Sun的使用和維護都很方便，這兩種試驗設備可以全自動一天24 h連續(xù)工作，一周7d連續(xù)工作，定時器可使測試在任何特定的時間停止。利用已獲得的自動校正系統(tǒng)和輻照度校正儀來進行校準也很簡單，當儀器光強穩(wěn)定時按卞按鈕，校準即完成，在此過程中，測試樣品和光源均處于待工作狀態(tài)。

    Q-Sun氙燈試驗箱和QUV加速老化試驗箱設計得非常人性化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維護費用

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

    5 技術(shù)總結(jié)

    到底選擇哪種測試老化及光穩(wěn)定性的設備（尤其是初次選擇時），下面給出一些選擇建議，見表1。