氙燈老化箱和紫外(wai)老化箱的比較
氣候和陽光(guang)輻照(zhao)是(shi)損(sun)害涂料(liao)(liao)、塑料(liao)(liao)、油墨(mo)及其他高分(fen)子(zi)材料(liao)(liao)的主(zhu)要原因,這(zhe)種損(sun)害包括失(shi)光(guang)、褪(tun)色、黃變(bian)、開裂、脫皮、脆化、強度降(jiang)低及分(fen)層(ceng)。即(ji)使是(shi)室內的光(guang)及通過玻璃窗透射的太陽光(guang)也都會(hui)使一些材料(liao)(liao)老化,比(bi)如引起(qi)顏(yan)料(liao)(liao)、染料(liao)(liao)等褪(tun)色或變(bian)色。
對許多制造(zao)商而言,產品的耐老化(hua)和(he)耐光性是極其重(zhong)要的。加速檢(jian)測老化(hua)和(he)光穩定(ding)性的設備(bei)被廣泛用于研(yan)究開(kai)發、質(zhi)量(liang)、控制和(he)材料(liao)檢(jian)定(ding),這些檢(jian)測設備(bei)提供快速并且可重(zhong)復(fu)的測試結果。近年(nian)來(lai),低(di)價位且使用方(fang)便的實驗室(shi)檢(jian)測設備(bei)已經開(kai)發出來(lai),包括(kuo)UV紫外老化紫外(wai)老(lao)化設備符合ASTM G 154、氙燈儀氙燈老化箱符合ASTM G155。
測試抗老(lao)化和光穩定性的最佳方(fang)(fang)法經(jing)常引起(qi)爭論(lun)。幾年來(lai),各種各樣(yang)的方(fang)(fang)法都被應用過,現在大部分研究者使(shi)用自然(ran)曝露方(fang)(fang)法,氙(xian)(xian)燈儀氙(xian)(xian)弧燈或(huo)UV紫外老(lao)化紫外老(lao)化箱試(shi)驗設備。自(zi)然(ran)曝露測(ce)試(shi)方法有很多(duo)優點,實(shi)際、便宜、易于操作(zuo),然(ran)而大部分制造商不愿意等上幾年的時間來觀察一(yi)種新的改(gai)(gai)良的產(chan)品設計是否真的得到改(gai)(gai)進。
氙燈老化箱(xiang)和UV紫外老化箱是應用最廣泛的加速老化檢測設備,這兩種檢測設備的測試原理完全不同。氙燈老化箱(xiang)模擬(ni)太陽光(guang)的所有(you)光(guang)譜,包括(kuo)紫(zi)外線(UV)、可見光(guang)和(he)紅外線(IR),氙燈光(guang)譜在295 nm到(dao)800 nm范圍內(nei)基(ji)本上與太陽光(guang)的(de)(de)光(guang)譜相吻合。被用(yong)來(lai)測試許多產(chan)品(pin)(pin),這些產(chan)品(pin)(pin)對紫(zi)外線的(de)(de)長波段、可見光(guang)及紅外線較敏(min)感。
UV不能模擬全光(guang)譜太陽光(guang)。它(ta)的原理是,對(dui)于曝露在室外的經(jing)久(jiu)耐用(yong)的材料(liao),紫(zi)外線的短波(bo)段300~400 nm是引起老化(hua)損害的最主(zhu)要原因。從中可以看出,在紫(zi)外線的短波(bo)區(qu)域,即從365 nm到(dao)太陽光(guang)的最低(di)波(bo)段,QUV能很(hen)好地模擬太陽光(guang),然(ran)而,對(dui)于長一點的波(bo)長它(ta)將(jiang)無能為力。
測(ce)試的(de)(de)最(zui)佳方法(fa)依(yi)賴于測(ce)試需(xu)要,每種方法(fa)都可(ke)能非常(chang)有效。應(ying)該(gai)根據被測(ce)產品或材料、最(zui)終的(de)(de)應(ying)用(yong)條件、所考慮的(de)(de)降解模式和預算來選擇合適的(de)(de)檢(jian)測(ce)設備。
1老化的3要素
光照、高(gao)溫和潮濕,這3個(ge)因素(su)中的任何一(yi)(yi)個(ge)都會引起材料的老化(hua)損害,但(dan)它(ta)們往往同時(shi)發(fa)生作用(yong),所造成的危害將大(da)于其中任一(yi)(yi)因素(su)的單獨作用(yong)。
1.1光(guang)照
不同(tong)材料(liao)對光(guang)的(de)(de)敏感性不同(tong)。對于(yu)經久耐(nai)用(yong)的(de)(de)材料(liao),如大(da)多數涂料(liao)、塑料(liao),紫(zi)外線的(de)(de)短波段是引起(qi)大(da)部分聚合物老化(hua)的(de)(de)原因(yin)。然而,對于(yu)不是那么(me)經久耐(nai)用(yong)的(de)(de)材料(liao),比如一些顏料(liao)和染(ran)料(liao),紫(zi)外線的(de)(de)長波段甚至可見光(guang)也(ye)會使其產(chan)生嚴(yan)重的(de)(de)老化(hua)。
1.2高溫(wen)
當(dang)溫(wen)度(du)升高時(shi),光的破壞作用也將隨之(zhi)增大。盡管(guan)溫(wen)度(du)不影響主(zhu)要(yao)的光致反(fan)(fan)應,但(dan)卻(que)影響次(ci)要(yao)的化學反(fan)(fan)應。實驗室老化測(ce)試必須提供(gong)**的溫(wen)度(du)控制,通常還通過(guo)升溫(wen)的方(fang)法來加速老化過(guo)程。
1.3潮濕(shi)
露(lu)水(shui)、雨水(shui)及高濕度是引起(qi)潮濕危害的主要原(yuan)因。研究表(biao)明,放在室外的物品每天(tian)(tian)都將長時(shi)間(平均每天(tian)(tian)8-12 h處于潮(chao)濕狀態。研究發現,由(you)潮(chao)氣(qi)形成的(de)露(lu)(lu)水(shui)(shui)是室外潮(chao)濕的(de)主要因素,露(lu)(lu)水(shui)(shui)造成的(de)危害比雨(yu)水(shui)(shui)更大,因為它附(fu)著在材料上的(de)時間更長,引起更為嚴重的(de)潮(chao)濕吸收。當(dang)然(ran),雨(yu)水(shui)(shui)對材料的(de)危害也很大,雨(yu)水(shui)(shui)將引起熱沖擊。比如(ru)一輛在炎熱夏日里溫度升高的(de)汽車(che)突然(ran)因陣雨(yu)而急劇降溫,就會產生(sheng)(sheng)沖擊現象。雨(yu)水(shui)(shui)沖刷引起的(de)機械侵(qin)蝕也會加速材料發生(sheng)(sheng)老化,如(ru)木(mu)材涂層(ceng)因雨(yu)水(shui)(shui)沖洗去除了表面老化層(ceng),將未(wei)老化的(de)里層(ceng)暴露(lu)(lu)于太陽光下(xia),從(cong)而產生(sheng)(sheng)進一步老化。
對于室(shi)內材料,濕氣的(de)主(zhu)要作用(yong)往往是(shi)機(ji)械應(ying)力,它因材料試(shi)圖(tu)與(yu)周圍保持潮濕平衡而引(yin)起,材料所經受的(de)濕氣越大,需要克服(fu)的(de)應(ying)力也越大。濕氣環境(jing)還是(shi)室(shi)外(wai)材料發生(sheng)老化(hua)的(de)一個(ge)重要因素,在室(shi)外(wai),周圍相對濕度(RH)將(jiang)影響(xiang)一種潮濕材(cai)料的干燥(zao)速(su)度(du)。
UV紫外老(lao)化和氙燈儀以各自(zi)不同(tong)的方式來模擬光照(zhao)、高溫(wen)和潮濕。
2. UV紫外老化老化試驗設備
2.1陽光模擬
UV紫(zi)外(wai)(wai)老化利用熒光紫(zi)外(wai)(wai)線燈(deng)模(mo)擬太陽(yang)光來(lai)對(dui)一耐久性材料造(zao)成損害。紫(zi)外(wai)(wai)燈(deng)在電學原理上與普通照明(ming)用的燈(deng)很相似,但(dan)它主要發射紫(zi)外(wai)(wai)光而(er)非可見光或紅外(wai)(wai)線。
不(bu)同(tong)(tong)的(de)應(ying)用條件(jian)需要(yao)的(de)不(bu)同(tong)(tong)光(guang)譜,進而需要(yao)一不(bu)同(tong)(tong)類(lei)型(xing)的(de)燈(deng)管(guan)。UVA-340燈管對(dui)太(tai)陽光(guang)的紫(zi)外短波段模(mo)擬效果(guo)好,其光(guang)譜(pu)能量分布(bu)(SPD)在太(tai)陽光(guang)的截(jie)止點(dian)到大約360 nm范圍內與太(tai)陽光(guang)譜(pu)吻合得非常好。
UV-B型燈(deng)管在(zai)QUV中也(ye)被廣泛應(ying)用。它(ta)們比(bi)UV-A型燈(deng)管引起(qi)更(geng)快(kuai)的(de)材料(liao)老化,但(dan)它(ta)比(bi)太陽光截止點更(geng)短的(de)波(bo)長量可能會(hui)對許(xu)多材料(liao)產生不切實際的(de)結果。
UVA-340燈(deng)(deng)管(guan)在已有燈(deng)(deng)管(guan)中對(dui)太陽光紫(zi)外(wai)短(duan)波(bo)段的(de)(de)(de)模擬效果是(shi)最(zui)佳(jia)的(de)(de)(de)。UV-B類型的(de)(de)(de)燈(deng)(deng)管(guan)利(li)用(yong)紫(zi)外(wai)線的(de)(de)(de)短(duan)波(bo)段達(da)到最(zui)快 速老化的(de)(de)(de)目的(de)(de)(de),對(dui)特別(bie)經久耐用(yong)材料的(de)(de)(de)檢定或(huo)質(zhi)量(liang)控(kong)制非常(chang)有用(yong)。
2.2輻照度控制
為了獲得**且可重復的測試結果,控制輻(fu)照(zhao)度(光(guang)強)很有必要。大(da)多數型號的QUV都裝備有日(ri)光(guang)(guang)(guang)眼光(guang)(guang)(guang)強控(kong)(kong)制(zhi)器(qi),這(zhe)種(zhong)**的(de)光(guang)(guang)(guang)控(kong)(kong)系統(tong)為使用者選擇輻照度提供了方便。利(li)用日(ri)光(guang)(guang)(guang)眼的(de)反饋循環系統(tong),可以連續、自動地控(kong)(kong)制(zhi)且(qie)**地保持輻照度,日(ri)光(guang)(guang)(guang)眼靠(kao)調(diao)整燈的(de)功率(lv)來(lai)自動補償因燈管老化和(he)其他因素造(zao)成的(de)光(guang)(guang)(guang)強變(bian)化。在僅(jin)僅(jin)幾(ji)天或幾(ji)周內QUV能(neng)模擬(ni)在室(shi)外(wai)幾(ji)個(ge)月甚至幾(ji)年所造(zao)成的(de)害(hai)。
在QUV內部,因熒光(guang)(guang)(guang)紫外線燈固有的(de)(de)光(guang)(guang)(guang)譜穩定性,發光(guang)(guang)(guang)控制系(xi)統(tong)相對簡單。隨(sui)著燈管的(de)(de)老化,所(suo)有光(guang)(guang)(guang)源(yuan)的(de)(de)輸出都會發生衰減,然(ran)而,不像大多數其它(ta)類型的(de)(de)燈管,紫外燈的(de)(de)光(guang)(guang)(guang)譜不會隨(sui)時(shi)間變化,這也提高了(le)測試(shi)結果的(de)(de)重復(fu)性,也是使用QUV進行測試(shi)的(de)(de)一個(ge)主要的(de)(de)優點。
在(zai)QUV中使(shi)用(yong)(yong)(yong)過2h的(de)(de)燈管和使(shi)用(yong)(yong)(yong)過5 600 h的(de)(de)燈管輻照度(du)(du)控(kong)制(zhi)(zhi)之(zhi)間(jian)的(de)(de)比較(jiao),可以看出(chu),新燈管和長時間(jian)使(shi)用(yong)(yong)(yong)過的(de)(de)燈管光譜(pu)之(zhi)間(jian)的(de)(de)差(cha)別幾(ji)乎(hu)難以辨別。這是(shi)因為(wei)(wei),一方面日光眼(yan)照度(du)(du)控(kong)制(zhi)(zhi)器用(yong)(yong)(yong)來(lai)維持光強,另(ling)外,因為(wei)(wei)紫外燈固有的(de)(de)光譜(pu)穩定性,光譜(pu)能量分布幾(ji)乎(hu)保持不變(bian)。已取得專利的(de)(de)太(tai)陽眼(yan)控(kong)制(zhi)(zhi)系統易于校準,符合(he)ISO標準可追溯(su)的(de)(de)要求。
2.3潮(chao)濕模(mo)擬
測試室底部的(de)水(shui)槽被用來加熱(re)產(chan)生(sheng)蒸汽(qi),在較高(gao)的(de)溫度(du)下,熱(re)蒸汽(qi)使測試室內保持100%的(de)相(xiang)對(dui)濕(shi)度(du)(du)(du)(du)。在QUV中(zhong),測(ce)試(shi)樣(yang)(yang)品(pin)實際上形成測(ce)試(shi)室(shi)(shi)的(de)側(ce)壁(bi),樣(yang)(yang)品(pin)的(de)另(ling)一(yi)面暴露(lu)在室(shi)(shi)內(nei)周(zhou)圍的(de)空氣中(zhong)。室(shi)(shi)內(nei)相(xiang)對(dui)較冷(leng)的(de)空氣使得測(ce)試(shi)樣(yang)(yang)品(pin)的(de)表面比測(ce)試(shi)室(shi)(shi)內(nei)熱(re)蒸汽的(de)溫度(du)(du)(du)(du)低好幾度(du)(du)(du)(du),這(zhe)一(yi)溫度(du)(du)(du)(du)差產生(sheng)冷(leng)凝循環現象,在樣(yang)(yang)品(pin)表面液態形式的(de)水慢慢地凝結。所(suo)形成的(de)冷(leng)凝物是非常穩(wen)定、純度(du)(du)(du)(du)很(hen)高的(de)蒸餾水,這(zhe)種高純的(de)蒸餾水增加了測(ce)試(shi)結果的(de)可(ke)重(zhong)復性,也(ye)簡化(hua)了QUV的(de)安裝(zhuang)和(he)操作。
因為材料在室外經受潮濕侵蝕的時間很長(chang),所以QUV要達到相同的效果,它(ta)的冷(leng)(leng)凝循環(huan)過程至少(shao)需要4h。另外(wai),冷(leng)(leng)凝過程是在一(yi)(yi)較(jiao)高溫度(一(yi)(yi)般為50℃)下進(jin)行的,這大大加速了潮(chao)濕侵(qin)蝕。用QUV的長時間的熱(re)凝結循環(huan)過程來模(mo)擬(ni)戶外(wai)的潮(chao)濕侵(qin)蝕比其他(ta)一(yi)(yi)些方法,如濺水(shui)(shui)、浸水(shui)(shui)或高濕度都更(geng)有(you)效。除了標準的冷(leng)(leng)凝功能QUV還可(ke)用水(shui)(shui)噴淋來模(mo)擬(ni)雨水(shui)(shui)影響,比如熱(re)沖擊或機械侵(qin)蝕。使(shi)用者可(ke)操(cao)作QUV來產生(sheng)潮(chao)濕循環(huan)并伴隨(sui)紫外(wai)線,這一(yi)(yi)模(mo)擬(ni)與(yu)自然老化非常相似(si)。