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    Atlas旋轉鼓式氙燈試驗箱和Q-lab平板式氙燈試驗箱的比較

    來源:ag8亚游集团有限公司
    發布時間:2018/8/31 15:20:07
    本文主要研究兩種不同類型的氙燈試驗箱一一旋轉鼓式氙燈試驗箱和更先進的平板式氙燈試驗箱是如何達到均勻的測試條件的。

    測試是通過對某些材料的相同樣品進行多次、重複的老化測試來獲得數據的。試驗采用了4種不同的材料:聚苯乙烯、藍羊毛L2.藍羊毛L4以及汽車麵漆塗料,這些材料都是在一些標準中規定用於校驗氙燈試驗箱的標準參考材料。曝曬條件按照SAE J2527. SAE J2412以及 AATCC 16等標準規定的測試條件,一共有6家獨立實驗室參與了這一試驗。

    測試結果表明,各種不同材料的樣品在同一試驗箱(旋轉鼓式氙燈試驗箱或平板式氙燈試驗箱)內的測試誤差範圍為±3%~±13%之間。

    1試驗背景

    曆史上,早期氙燈耐候和耐光試驗設備多被設計成在試驗箱的中心安放一支氙燈燈管、四周是圍繞光源旋轉的樣品架(參見圖1).此類樣品安裝架經常被稱作“旋轉鼓”。近些年推出了平板式的氙燈試驗箱(參見圖2)。

    旋轉鼓式氙燈試驗箱和Q-lab平板式氙燈試驗箱

    所有氙燈試驗箱的一個設計目的都是希望在試驗箱內形成一個光強、溫度以及濕度絕對一致的環境。然而,實際上並不可能獲得絕對的均勻性。為了提高均勻性,通常需要在測試過程中輪換樣品的曝曬位置。

    旋轉鼓式氙燈試驗箱確實可以自動地在燈管的水平方向輪換樣品的曝曬位置,然而,卻不能在垂直方向上對光強、溫度和濕度的不均勻性進行補償。平板式氙燈試驗箱則需要定期手工輪換樣品位置,利用本文介紹的輪換方法每天隻需要 1 min的時間。

    2試驗目的

    先前的研究證明,旋轉鼓式氙燈試驗箱和平板式氙燈試驗箱對不同材料(如塑料、塗料、紡織品、印刷油墨等)的老化模式和等級是基本一致的。但在同一設備中,不同位置的測試條件的均勻性如何?

    本文主要通過將不同材料的樣品分別放在兩類測試箱內進行均勻性測試來研究這個問題。

    3測試方法

    老化均勻性測試是將多個相同樣品放在同一試驗箱內進行測試,並對每個樣品的老化程度進行測量。根據測試室大小的不同,重複樣品的數量多達9-108個。

    下麵將分別就材料、試驗箱類型、樣品安裝、曝曬條件、老化評估以及參與研究的實驗室進行具體闡述。

    3.1樣品材料

    采用了3種不同類型的材料:聚苯乙烯塑料、藍羊毛(兩種規格)和汽車麵漆。為了保證研究的代表性和廣泛性,試驗中選擇的材料都是標準的參考材料,同時這幾種材料的材質差異較大,涵蓋了塑料、紡織和塗料。

    (1)聚苯乙烯

    聚苯乙烯是汽車行業標準SAE J1960和SAE J1885中規定的用於測試透明塑料光穩定性的標準材料,其老化模式為黃變。該材料對溫度和光強的變化敏感。樣品尺寸為50 mmx75 mm.厚度為3 mm。樣品生產商為Test Fabrics公司,測試所用樣品來自批號6。

    (2)藍羊毛L2

    藍羊毛L2是AATCC TM16中要求的日曬色牢度的標準參考材料之一。老化模式為褪色,該材料對溫度、相對濕度和光強的變化敏感。樣品尺寸為50 mmxl00 mm。生產商為AATCC.測試所用樣品來自批號8。

    (3)藍羊毛L4

    藍羊毛L2是AATCC TM16中要求的日曬色牢度的標準參考材料之一。它比L2的顏色更深且日曬色牢度更好,L4的色牢度為L2的4倍。樣品尺寸為50 mmxl00 mm。生產商為AATCC,測試所用樣品來自批號 5。

    (4)汽車麵漆

    汽車麵漆采用由BASF塗料公司生產Alkyd-Melamine。實驗室樣板製備時,將其塗覆在鋼板袁麵的灰色底塗上。它是VDA 621-430透明麵漆抗龜裂測試方法中推薦使用的參考材料,這種材料類似於汽車麵漆,但它會在相對較短的時間內發生龜裂。該材料對溫度、光強和潮濕時間敏感。樣品尺寸為50 mmx 100 mmx0.8 mm。

    3.2氙燈試驗箱類型

    (1)旋轉鼓式氙燈試驗箱

    旋轉鼓式氙燈試驗箱在第一次世界大戰後開始使用。本試驗選擇美國Atlas公司製造的Ci5000、 Ci4000、Ci65A型老化試驗箱, 原因是這些型號設備在行業內使用較普遍,且Ci5000. Ci4000是最新型。每個型號的試驗箱都可以控製光強、黑板溫度、箱內空氣溫度和相對濕度。其中溫度和相對濕度的控製是專利設計的。上述設備的樣品架是20世紀80年代為提高光強的均勻性而引入的3層樣品架。試驗中一共采用了5台不同的試驗箱:1台 Ci5000. -台Ci4000、3台Ci65A。

    (2)平板式氙燈試驗箱

    本試驗采用的試驗箱是美國 Q-Lab公司生產的Q-Sun Xe-3-HS式氙燈試驗箱。該試驗箱可控製試驗的全部參數——光強、黑板溫度、箱內溫度和相對濕度。試驗箱采用3支氙燈,電源控製係統和光強係統控製都是Q-Lab公司的專利設計。試驗箱內的反射牆及光源反射係統能盡可能地均勻輻照光並再現自然漫射光。試驗箱的溫度控製和相對濕度控製也是專利設計的。試驗同樣采用5台氙燈試驗箱。

    3.3樣品安裝

    (1)旋轉鼓式氙燈試驗箱

    在旋轉鼓式試驗箱的垂直方向有上、中、下位置放置3層樣品架,每層樣品架可放置3個試樣,共可放置9個試樣。如樣品超過9 個,則橫向依次在轉鼓的相應位置安裝。聚苯乙烯、汽車麵漆為無背板安裝,藍羊毛則根據AATCC TM16的推薦,用白卡紙作為背襯材料安裝。

    旋轉鼓式氙燈試驗箱樣品安裝

    (2)平板式氙燈試驗箱

    樣品安放在4個小式樣品盤中,每個樣品盤最多可放置14塊50 mmX 100 mm的試樣,然後將小式樣品盤再放置到試驗箱中。聚苯乙烯、汽車麵漆為無背板安裝,藍羊毛則根據AATCC TM16的推薦,用白卡紙作為背襯材料安裝,然後放置於紡織品樣品架上。

    平板式氙燈試驗箱樣品安裝

    平板式試驗箱推薦樣品定期輪換位置。實驗中,我們將一套樣品定期換位而另一套樣品則固定不動,以研究位置輪換對測試均勻性的影響。圖 4中的1、2、3、4表示某樣品在第1 天、第2天、第3天、第4天的不同位置。在整個測試過程中,樣品安照上述步驟每天進行一次輪換,每天所花費的時間僅為1min。因藍羊毛L2d 總曝曬時間隻有20—24 h,所以要求移動兩次位置。

    此外,還有另外一些輪換的方法,其中某些方法或許可以得到更好的均勻性。本文中不再介紹,但我們有興趣繼續研究。

    3.4測試標準及測試循環

    (1) SAE J2527

    該標準由美國汽車工程師協會(SAE)製訂,用於測試汽車外飾件材料,SAE J2527是SAE J1960的替代標準。SAE J2527要求采用配有 “紫外延展”過濾器,得到的光譜中有比地球表麵自然光照中的紫外光波長更短的紫外光,原因是這種短波紫外光可以加速老化的速率。測試循環包括光照周期和暗周期以及潮濕和幹燥周期,光強控製點為340 nm。表1為該標準規定的測試循環。

    SAE J2527規定的測試循環
     時間燈管光強(W/m2@340nm)黑板溫度/℃空氣溫度/℃相對濕度/%水噴淋
    10:400.55704750
    20:200.55704750
    31:000.55704750
    41:00383895

    (2) SAE J2412

    該標準用於測試汽車的內飾材料.SAE J2412是SAE J1885的替代標準。SAE J2412同樣要求采用配有“紫外延展”過濾器的氙燈來產生地球表麵一般沒有的短波紫外光。測試循環包括光照周期、暗周期,沒有水噴淋循環。光強控製點為 340 nm。表2為該標準規定的測試循環。

    SAE J2412規定的測試循環
     時間燈管光強(W/m2@340nm)黑板溫度/℃空氣溫度/℃相對濕度/%水噴淋
    13:480.55896250
    21:00383895

    (3) AATCC TM16

    該標準由美國AATCC協會製訂,用於紡織品測試。AATCC TM16要求采用配有窗玻璃過濾器的氙燈來模擬產生透過標準窗玻璃的陽光光譜。光強控製點為420 nm。表3為該標準規定的測試循環。

    AATCC TM16規定的測試循環
     時間燈管光強(W/m2@340nm)黑板溫度/℃空氣溫度/℃相對濕度/%水噴淋
    124:001.10634330

    (4)曝曬時間

    根據不同材料決定曝曬時間。性能最差的材料(如藍羊毛L2)曝曬時間最短,耐候性好的(如汽車麵漆)曝曬時間可長達500 h。總之,測試時間應確保材料取得有效的老化,但不需作過度的老化。

    3.5老化測量

    (1)顏色測量

    聚苯乙烯和藍羊毛要求初始的和最終的顏色測量。顏色測試按 ASTM D2244的要求進行,測量使用積分球式分光光度計,並采用: CIELAB顏色體係.D65光源;100視角;鏡麵光包含(SCI)和紫外光包含(請確認)。用△b*表示塑料的黃變、用△E表示藍羊毛的褪色。

    由於聚苯乙烯是透明的材料,所以顏色測量時需襯有白色的校準板。同樣,藍羊毛為織物,測量時需加襯另一塊藍羊毛。此外,藍羊毛是有方向性的,測試色差時,取 900夾角的兩次測量的平均值。測試前,藍羊毛測試樣品應在標準條件下放置4 h。

    (2)龜裂

    汽車麵漆每天應進行多次的裂紋檢測。當樣品表麵的裂紋達到10 條時,應取出該樣品並記錄老化時間。其餘樣品則繼續測試,直到所有被測樣品出現10條裂紋。

    3.6參與研究的實驗室

    共有6家實驗室參與本次研究,其中3家為塗料製造商實驗室、2家為通過A2LA認證的獨立實驗室、1 家為儀器生產商實驗室。這6家實驗室都有多年的氙燈測試經驗。

    3.7試驗結果

    表4為25組不同測試數據的匯總,列明了材料、測試方法、試驗箱類型、測試編號、樣品數量、測試時間和測試實驗室代號(出於保密原因,實驗室用代碼表示)。

    試驗數據匯總
    材料測試標準氙燈試驗箱
    旋轉鼓式樣品靜置(位置輪替)樣品靜置(無位置輪替,不推薦)
    藍羊毛L2 △E*SAE J24121
    Ci4000(no.1)
    9個樣品
    1天
    實驗室B
    2
    Xe-3-HS(no.1)
    48個樣品
    1天
    實驗室F
    3
    Xe-3-HS(no.1)
    55個樣品
    1天
    實驗室F
    AATCC TM164
    Ci65A(no.3)
    18個樣品
    20H
    實驗室E
    5
    Xe-3-HS(no.4)
    48個樣品
    20H
    實驗室F
    6
    Xe-3-HS(no.4)
    55個樣品
    20H
    實驗室F
    藍羊毛L4 △ESAE J24127
    Ci4000(no.1)
    9個樣品
    3天
    實驗室B
    8
    Ci65A(no.2)
    9個樣品
    3天
    實驗室D
    9
    Ci65A(no.2)
    9個樣品
    3天
    實驗室D
    10
    Xe-3-HS(no.1)
    48個樣品
    3天
    實驗室F
    11
    Xe-3-HS(no.1)
    55個樣品
    3天
    實驗室F
    AATCC TM1612
    Ci65A(no.3)
    36個樣品
    4天
    實驗室E
    13
    Xe-3-HS(no.4)
    48個樣品
    4天
    實驗室F
    14
    Xe-3-HS(no.4)
    48個樣品
    4天
    實驗室E
    24
    Xe-3-HS(no.6)
    55個樣品
    4天
    實驗室F
    聚苯乙烯△b*SAE J241215
    Ci65A(no.1)
    9個樣品
    7天
    實驗室A
    16
    Xe-3-HS(no.1)
    48個樣品
    8天
    實驗室F
    25
    Xe-3-HS(no.1)
    50個樣品
    8天
    實驗室F
    SAE J252717
    Ci65A(no.1)
    9個樣品
    7天
    實驗室A
    18
    Xe-3-HS(no.1)
    48個樣品
    8天
    實驗室F
    19
    Xe-3-HS(no.3)
    48個樣品
    8天
    實驗室F
    20
    Xe-3-HS(no.4)
    55個樣品
    8天
    實驗室F
    汽車麵漆(開裂)SAE J252721
    Ci5000(no.1)
    108個樣品
    至開裂
    實驗室C
    22
    Xe-3-HS(no.2)
    28個樣品
    至開裂
    實驗室F
    23
    Xe-3-HS(no.5)
    34個樣品
    至開裂
    實驗室C

    4測試結果

    表5列出了所有25組均勻性測試結果的數據。均勻性的數學表示為+2CV(加權變異係數),其中,

    試驗數據匯總
    材料測試標準氙燈試驗箱
    旋轉鼓式樣品靜置(位置輪替)樣品靜置(無位置輪替,不推薦)
    藍羊毛L2 △E*SAE J24121   ±9%   Ci40002   ±5%   Xe-3-HS3   ±8%   Xe-3-HS
    AATCC TM164   ±9%   Ci65A5   ±5%   Xe-3-HS6   ±10%   Xe-3-HS
    藍羊毛L4 △ESAE J24127   ±13%   Ci4000
    8   ±7%   Ci65A
    9   ±4%   Ci65A
    10   ±5%   Xe-3-HS11   ±8%   Xe-3-HS
    AATCC TM1612   ±8%   Ci65A13   ±8%   Xe-3-HS
    14   ±7%   Xe-3-HS
    24   ±11%   Xe-3-HS
    聚苯乙烯△b*SAE J241215   ±4%   Ci65A16   ±3%   Xe-3-HS25   ±10%   Xe-3-HS
    SAE J252717   ±3%   Ci65A18   ±5%   Xe-3-HS
    19   ±8%   Xe-3-HS
    20   ±12%   Xe-3-HS
    汽車麵漆(開裂)SAE J252721   ±13%   Ci500022   ±8%   Xe-3-HS23   ±13%   Xe-3-HS

    5結論

    根據材料類型和曝曬條件的不同,旋轉鼓式老化機的結果誤差在±3%~±13%之間,平板式氙燈試驗箱的結果誤差在±3%~±8%之間。

    對某些樣品而言,平板式試驗箱的均勻性好於旋轉鼓式試驗箱,而某些樣品則反之。

    在平板式試驗箱中,樣品定期輪換的測試結果的均勻性要好於樣品位置固定時的測試,這也是我們推薦定期輪換位置的原因。

    6建議

    材料在氙燈試驗箱中的老化均勻性是好的,但仍然存在一定的偏差。所以,當我們要在不同材料的相對耐久性能方麵做出精確的結論時,筆者推薦無論是旋轉鼓式試驗箱還是平板式試驗箱,每個材料應至少測試3 個以上的樣品,取其平均值,且測試過程中定期輪換樣品位置。

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