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    QUV 和Q-Sun 兩種有效耐候性和光穩定性測試方法的比較

    來源:ag8亚游集团有限公司
    發布時間:2018/4/16 10:39:14
    《QUV 和Q-Sun 兩種有效耐候性和光穩定性測試方法的比較》研究兩種檢測設備工作原理上的不同,包括輻照度和潮濕模擬的方法。 還將討論每種檢測設備的優缺點,包括購買價格和運行成本。對某一特殊材 料或特殊應用,推薦選擇相應的實驗設備

    引言

    氣候和陽光輻照是損害塗料、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。即使室內的光及玻璃窗透射的太陽光都會使一些材料老化,比如引起顏料、染料等褪色或變色。

    對許多製造商,生產的產品能夠耐老化和耐光性是極其重要的。加速老化和光穩定性的檢測設備被廣泛用於研究開發、質量控製和材料檢定,這些檢測設備提供快速並且可重複的測試結果。

    近年來,低價位且使用方便的實驗室檢測設備已經開發出來,包括 QUV 加速老化設備(符合 ASTM G154)和 Q-Sun 氙燈試驗箱(符合 ASTM G155)。(QUV 是世界上應用最廣的老化檢測設備。它基於的原理是:對於經久耐用的材料,紫外線的短波長引起最主要的老化損傷。Q-Sun 氙燈試驗箱模擬太陽光的所有光譜,包括紫外線,可見光和紅外線。)

    很顯然,對許多產品來說,抗老化和光穩定性是很重要的。測試的最佳方法經常引起爭論。幾年來,各種各樣的方法都被用過。現在大部分研究者使用自然暴露方法測試,氙使弧燈或 QUV 老化加速老化試驗設備。自然暴露方法測試有很多優點:實際,便宜,易於操作。然而,大部分製造商不願意等上幾年的時間來觀察一種新的改良的產品設計是否真的得到改進。

    氙弧光燈試驗箱和QUV紫外加速老化試驗箱是應用最廣泛的加速老化的檢測設備。這兩種檢測設備的測試原理完全不同。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範圍內基本上與太陽光光譜相吻合(如圖 1 所示)。

    圖 1 太陽光光譜與 QUV 和 Q-Sun 光譜之間的比較

    圖 1 太陽光光譜與 QUV 和 Q-Sun 光譜之間的比較

    另一方麵,QUV 不能模擬全光譜太陽光。它基於的原理是,對暴露在室外的經久耐用的材料,紫外線的短波段 300~400 nm 是引起老化損害的最主要的原因(如圖 1 所示)。從圖 1 中可以看出,在紫外線的短波區域,即從 365 nm 到太陽光的最低波段,QUV 能很好地模擬太陽光。然而,對於長一點的波長它將無能為力。Q-Sun 模擬太陽光的所有光譜,它被用來測試許多產品,這些產品對紫外線的長波段,可見光及紅外線較敏感。

    測試的最佳方法是什麽?這個問題並不好回答。這要依賴於你的測試需要,每種方法都可能非常有效。你應該根據被測產品或材料,最終使用的應用條件,你所考慮的降解模式和預算限製來選擇合適的檢測設備。

    為了弄清 Q-Sun 和 QUV 之間的差別,有必要先來進一步了解材料為什麽會發生老化?

    1 老化的三重要素:光照、高溫和潮濕

    最大的老化損害由三個因素都會引起:光照,高溫和潮濕。這三個因素中的任一個都會引起材料老化。它們往往同時發生作用,造成的危害將大於其中任一因素單獨作用所造成的。

    1.1光照

    不同的材料對光的敏感性也不同。對於經久耐用的材料,如大多數塗料、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,對於不是那麽經久耐用的材料,比如一些顏料和染料,紫外線的長波段甚至可見光也會對其造成嚴重的老化。

    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,它卻影響次要的化學反應。實驗室老化測試必須提供精確的溫度控製,通常還通過升溫的方法來加速老化過程。

    1.3 潮濕

    露水,雨水及高的濕度是引起潮濕危害的主要原因。我們的研究表明,放在室外的物品每天都將長時間處於潮濕狀態(平均每天 8~12 h)。研究也已發現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。雨水將引起熱衝擊,比如當一輛汽車在一個炎熱夏日溫度升高突然因陣雨而急劇降溫,從而產生衝擊現象。雨水衝刷引起的機械侵蝕也會加速材料發生老化,如木材塗層,雨水衝洗去除表麵老化層,將未老化的裏層暴露於太陽光下產生進一步老化。

    對於室內的材料,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。材料所經受的濕氣越大,需要克服的應力也越大。盡管室內物品,比如紡織品,油墨隻暴露於濕氣環境中,但它仍是室外材料發生老化的一個重要的因素。在室外,周圍相對濕度(RH)將影響一種潮濕材料幹燥速度。

    QUV和 Q-Sun是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 利用熒光紫外線燈來模擬太陽光對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,但它主要發射紫外光而非可見光或紅外線。

    對於不同的應用條件,需要不同光譜進而需要不同類型的燈管。UVA-340 燈管對太陽光的紫外短波段模擬效果好。UVA-340 的光譜能量分布(SPD)在太陽光的截止點到大約 360 nm 範圍內與太陽光譜吻合的非常好(如圖 2 所示)。

    UVA-340燈管是一有燈管中對太陽光紫外短波段的模擬效果是最佳的。

    圖2 UVA-340燈管是一有燈管中對太陽光紫外短波段的模擬效果是最佳的。

    UV-B型燈管(如圖 3 所示)在QUV中也被廣泛應用。它們比UV-A型燈管引起的材料老化更快,但它的比太陽光截止點更短的波長量對會許多材料可能產生不切實際的結果。

    V-B類型的燈利用紫外線的短波段達到最快加速老化的目的

    圖 3 UV-B類型的燈利用紫外線的短波段達到最快加速老化的目的,對特別經久耐用的材料的檢定或質量控製,它們非常有用。

    2.2 輻照度控製

    為了達到精確且可重複的測試結果,有必要控製 輻照度 (光強)很有必要。大多數型號QUV都裝備有日光眼光強控製器。這種精確的光控係統為使用者提供了選擇 輻照度 度的方便。利用日光眼的反饋循環係統,可以連續地、自動地控製且精確地保持 輻照度 。日光眼靠調整燈的功率來自動地補償燈管老化和其他因素造成的光強變化。圖 4 展示了 輻照度 控製係統工作原理。在僅僅幾天或幾周內, QUV能模擬在室外經幾個月甚至幾年所造成的損害。

    圖 4 輻照度控製係統工作原理

    圖 4 輻照度控製係統工作原理

    圖 4 QUV 照度控製裝備有日光眼的 QUV 照度控製器比手動照度控製的檢測設備測試重複性更好的測試,因為這些燈不必旋轉,維護措施也簡化了。

    在 QUV 內部,因熒光紫外線燈固有的光譜穩定性,發光控製係統相對簡單。隨著燈管的老化,所有光源的輸出都會發生衰減。然而,不像大多數其它類型的燈管紫外燈的光譜不會隨時間變化。這也提高了測試結果的重複性,也是使用 QUV 進行測試的一個主要的優點。

     隨著燈管老化,所有光源的輸出都將衰減

    圖 5 隨著燈管老化,所有光源的輸出都將衰減,然而,QUV 的日光眼控製係統卻能利用改變燈的輸出功率來保持光譜穩定

    圖 5 所示為 QUV 中使用過 2 h 的燈和使用過 5 600 h 燈管 輻照度 控製之間的比較。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。日光眼照度控製器用來維持光強。另外,因為紫外燈固有的光譜穩定性,光譜能量分布幾乎保持不變。已取得專利的太陽眼控製係統易於校準,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加熱用來產生蒸汽。在較高的溫度下,熱蒸汽使測試室內保持 100%的相對濕度。QUV 中,測試樣品實際上形成測試室的側壁。樣品的另一麵暴露在室內周圍的空氣中。室內相對較冷的空氣就使得測試樣品的表麵比測試室內的熱蒸汽的溫度低好幾度。這一溫度差產生冷凝循環現象在樣品表麵液態形式的水慢慢地凝結(如圖 6 所示)。

    圖 6 QUV 通過一個逼真的冷凝係統來模擬室外潮 濕侵蝕

    圖 6 QUV 通過一個逼真的冷凝係統來模擬室外潮濕侵蝕

    所形成的冷凝物是非常穩定,純度很高的蒸餾水。這種高純的蒸餾水增加了測試結果的可重複性,也簡化了 QUV 的安裝和操作。

    因為材料在室外經受潮濕侵蝕的時間很長,所以 QUV 要達到相同的效果,它的冷凝循環過程至少需要 4 h。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 的長時間的熱凝結循環過程來模擬戶外的潮濕侵蝕比其他一些方法,比如濺水,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,比如熱衝擊或機械侵蝕。使用者可操作 QUV 來產生潮濕循環並伴隨紫外線,這一模擬與自然老化非常相似。

    3 Q-Sun 氙燈試驗箱

    3.1 太陽光模擬

    氙弧燈試驗箱可最好地模擬太陽光的所有光譜,它可產生紫外線,可見光和紅外線。氙弧光燈光譜有兩個影響因素:濾光係統和光源穩定性。

    氙弧光燈產生的光譜必須經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。濾光器的使用取決於被測材料和材料的最終使用條件。不同的過濾器過濾的光譜是紫外線的短波段的量不同,這將在很大程度上影響老化的速度和類型。有三種類型的經常使用的濾光器:日光,窗玻璃,紫外延伸過濾器。從圖 7 到圖 9 展示了這些濾光器產生的光譜,同時也展示了從 295~400 nm 之間的紫外線短波段的一些光譜的放大圖。

    圖 7 日光過濾器和太陽光


    圖 7 日光過濾器和太陽光譜配備有日光過濾器的 Q-Sun 和太陽光之間的比較。日光過濾器通常被用來模擬戶外暴露。

    圖 8 窗玻璃過濾器和透過玻璃的太陽光譜

    圖 8 窗玻璃過濾器和透過玻璃的太陽光譜配備有窗玻璃過濾器的 Q-Sun 和透過玻璃的太陽光之間的比較。被設計用來測試室內光穩定性,這種過濾器產生的一種光譜與透過玻璃的太陽光光譜非常相似。

    圖 9 Q/B 擴展紫外線過濾器和太陽光

    圖 9 Q/B 擴展紫外線過濾器和太陽光

    圖9 Q/B擴展紫外線過濾器和太陽光譜配備有擴展紫外線過濾器的 Q-Sun 和太陽光譜之間的比較。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果。

    3.2 輻照度控製

    氙弧燈試驗箱一般裝備有輻照度控製係統。 Q-Sun 氙使用的日光眼係統如圖 10 所示。

    圖 10 Q-Sun 日光眼照度控 Q-Sun 的日光眼照度 控製器自動地控製和維持被選擇的光強

    圖 10 Q-Sun 日光眼照度控 Q-Sun 的日光眼照度控製器自動地控製和維持被選擇的光強

    在氙弧燈測試係統內,輻照度控製非常重要,因為氙弧燈本身的光譜穩定性不如熒光紫外燈的好。圖 11 展示了一隻新燈和一隻已使用過 1 000 h 的燈的光譜之間的差異。很顯然,除控製點光強不變,在長波段,光譜隨時間發生嚴重的變化。

    因燈管老化而產生的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,控製 340 nm 或 420 nm 處的照度,那麽在一個特定區域,光譜的變化量將減到最小。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

    大多數氙弧光燈檢測設備通過水噴淋或濕度控製係統來模擬潮濕的影響。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,水噴淋很好地模擬熱衝擊和機械侵蝕。在測試係統中,為了防止水對樣品的汙染使用高純度的水是非常必要的。

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

    4 實際需要考慮的事項

    當然,不管一種測試裝置如何有效,如果它的購買價格和運行成本太高的話,那它也沒有實際應用價值。這就是為什麽購買價格,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點時也應考慮到這些因素的影響。圖 10 Q-Sun 太陽眼輻照度控製 Q-Sun 的太陽眼輻照度控製係統能自動地控製和維持一定的光強。

     在使用 1000 個小時以後,氙弧光燈的光譜

    圖 11 在使用 1000 個小時以後,氙弧光燈的光譜

    4.1購買價格

    一般地,QUV 比 Q-Sun 便宜。具體情況取決於您所購買的產品類型和型號

    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 對所測樣品的類型比較靈活。它除了可測試平麵試樣外,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 易於使用和維護

    QUV 和 Q-Sun 使用維護都很方便。這兩種試驗設備可以全自動一天 24 h 連續工作,一周 7 天連續工作。定時器可使測試在任何特定的時間停止。專利的自動校正係統和輻照度校正儀來進行校準也很簡單。當儀器光強穩定時按下按鈕,校準即完成。在此過程中,測試樣品和光源均處於待工作狀態。

    Q-Sun氙燈試驗箱和QUV加速老化試驗箱均被設計的非常人性化。Q-Sun的前門,QUV的兩邊的翻蓋門,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每年更換燈管費用比QUV/se和QUV/spray的高的多。 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少的多。

    5 技術總結:根據需要選擇試驗設備

    到底選擇哪種老化及光穩定性的測試設備,尤其是初次選擇時。下麵給出一些選擇建議,見表 1。

     QUV加速老設備Q-Sun 氙燈試驗箱
    常規產品ASTM G151ASTM G151
    ASTM G154ASTM G155
    JIS D 0205 
    SAE J2020 
    塗層ASTM D3794ASTM D3451
    ASTM D4587ASTM D3794
    Israeli Standard No. 330,385,935,1086ASTM D6695
    Korean Standards M598-1990ISO 11341
    NISSAN M0007 
    US Government,FED-STD-141B  
    粘合劑ASTM C24.35.31ASTM C1442
    ASTM C1442 
    ASTM D904 
    ASTM D5215 
    Spanish Standard UNE104-281-88 
    塑料製品ANSI C57.12.28ASTM D2565
    ANSI,A14.5ASTM D4459
    ASTM D4329ASTM D4101
    ASTM D4674ASTM D5071
    ASTM D5208ASTM D1248
    DIN 53 384ISO 4892-2
    ISO 4892 
    Spanish Standard,UNE 53.104 
    屋麵材料ANSI/RMA IPR-1-1990ASTM D4798
    ASTM D4799 
    ASTM D4811 
    ASTM D3105 
    ASTM D4434 
    ASTM D5019 
    BS 903:Part A54 
    CGSB-37.54-M 
    DIN EN 534 
    印刷油墨/藝術家所用材料ASTM D3424ASTM D3424
     ASTM D5010
     ASTM D4303
     ISO 12040
    紡織品AATCC Test Method 186 
    ACFFA 

    我們的優勢
    1

    百年名企

    曆經百年磨煉,樹立行業典範

    2

    專業創新

    豐富的行業經驗,不斷追求自我創新

    3

    規模龐大

    營銷網絡遍及全國及東南亞

    4

    渠道寬廣

    擁有來全球超過45個品牌的銷售代理權

    5

    優質產品

    匯集全球優質產品,隻為成就客戶

    6

    真誠服務

    以人為本,滿足客戶全方位需求