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    IEC 68-2-5 :1975 標準的解讀

    來源:ag8亚游集团有限公司
    發布時間:2018/4/16 11:13:45
    本文詳細解讀了IEC 68-2-5 :1975 標準。介紹了材料耐候性老化測試原理,包括戶外老化及氙燈加速老 化測試原理,從光譜的定義、光強的設定、溫度及濕度控製等幾個方麵對IEC IEC 68-2-5 :1975 標準進行分析。最後指出該標準的技術局限性及建議如何執行該標準。

    0  IEC 68-2-5 :1975 標準背景及其廣泛性

    IEC 68-2-5 :1975《實驗方法Sa :地麵太陽輻射模擬》是國際電工委員會的一個環境測試實驗方法。目前有很多電子行業在引用這個標準,對材料或產品進行耐候老化測試,其中包括空調、洗衣機、電腦、電視、手機、耳機、廚衛電器、太陽能等電工電子產品。

    很多廣泛使用的國標也引用了該標準,如GB/ T 2423. 24-1995《電工電子產品環境實驗第2 部分:實驗方法實驗Sa : 模擬地麵上的太陽輻射》, GB/ T 2424. 14-1995《電工電子產品環境實驗第2 部分:實驗方法太陽輻射實驗導則》, GB/ T 5170. 9-1996《電工電子產品環境實驗設備基本參數檢定方法太陽輻射實驗設備》等。

    該標準廣泛用於電子電工產品的耐候性測試, 主要利用氙燈光源,來加速模擬材料和產品在大氣環境下,因光照等因素的作用而產生的破壞。在解讀該標準之前,有必要了解大氣環境如何對材料和電子電工產品產生破壞的。

    1  材料耐候性老化測試原理

    1. 1  戶外老化因素

    老化損害主要由3 個因素引起:光照,高溫和潮濕。這3 個因素中的任一個都會引起材料老化, 它們的共同作用,大於其中任一因素造成的危害。

    1. 1. 1  光照

    高分子材料的化學鍵對太陽光中不同波段的光線的敏感性不同,一般對應一個閾值,太陽光的短波段紫外線是引起大部分聚合物物理性能老化的主要原因。然而,對於某些顏料和染料,長波段紫外線甚至可見光也會對其產生破壞,造成變色或褪色。

    1. 1. 2  高溫

    溫度越高,化學反應速度越快。老化反應是一種光致化學反應,溫度不影響光致化學反應中的光致反應速度,卻影響後繼的化學反應速度。因此溫度對材料老化的影響往往是非線性的。

    1. 1. 3  潮濕

    水會直接參與材料老化反應。露水,雨水及濕度是自然條件中水的幾個主要表現形式。研究表明,戶外材料每天都將長時間處於潮濕狀態(平均每天長達8~12 個小時)  。而露水是戶外潮濕的主要原因。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,形成更為嚴酷的潮濕侵蝕。對於戶內用材料,一般隻考慮相對濕度的影響。

    1. 2 氙燈加速老化測試

    1. 2. 1  陽光模擬

    氙燈試驗箱 可產生紫外線,可見光和紅外線,能夠很好地模擬全光譜太陽光。

    氙燈產生的光譜用於測試前必須經過過濾,減少不需要的部分紫外光譜。使用不同類型的玻璃濾光器可以得到不同的光譜。濾光器的使用取決於被測材料和產品最終使用條件。不同的過濾器過濾的紫外線的短波段的截止點不同,這將在很大程度上影響老化的速度和類型。有三類經常使用的濾光器:日光過濾器,窗玻璃過濾器,紫外延展過濾器,其中日光過濾器可用來模擬戶外直射太陽光。

    1. 2. 2  輻照度控製

    最新的氙燈試驗箱需裝備有輻照度控製係統, Q-Lab 公司的Q-Sun 氙燈試驗箱使用的是太陽眼閉環控製係統,來提供穩定的光照強度。

    在氙燈測試係統內,輻照度控製非常重要。氙燈光譜範圍從295 nm 延伸到3 000 nm ,最新的標準中要求,光強的控製基於點控製(如ISO 11341- 2004 , ASTM G 155-05a , ISO 4892-2 :2003 等) ,控製點的選擇則基於模擬環境和檢測材料性能的不同,對於戶外環境,檢測材料的物理性能,一般采用340 nm 控製點;而對於室內環境,檢測材料的變色和褪色,一般采用420 nm 控製點。

    1. 2. 3  溫度控製

    氙燈測試設備中,溫度的控製很也重要,因為溫度影響材料老化的速率。氙燈試驗箱一般是通過黑板溫度計或黑標溫度計來精確控製樣品表麵溫度。有些型號的氙燈試驗箱還能同時控製箱體空氣溫度,以達到全麵的曝曬環境溫度控製。

    1. 2. 4  潮濕模擬

    氙燈試驗箱可以通過水噴淋或濕度控製係統來模擬潮濕的影響。水噴淋可以模擬雨水對戶外產品的熱衝擊和應力腐蝕。濕度會影響某些戶內物品(比如某些紡織品或油墨等) 發生老化的類型和速度,在此類材料的測試標準中都建議控製相對濕度。

    2IEC 68-2-5 :1975 標準的解讀

    結合第1 部分幾個方麵的描述,我們從光譜、輻照度、溫度和濕度等方麵來分析IEC 68-2-5 : 1975 標準對測試條件的要求。

    2. 1  光譜的定義

    該標準的3. 1 節對實驗箱中光譜的闡述: 從 280 nm 到3 000 nm 波長範圍內, 輻照度為1. 120 kW/ m2 ±10 %。同時指出,對光譜的要求見 IEC 68-2-9 標準,而IEC 68-2-9 標準的2. 1 節中指出光譜的描述援引CIE No. 20 對標準太陽光光譜的定義。CIE No. 20 已於1989 年被CIE No. 85 所替代。基於當時的技術條件,沒有對太陽光譜作更細致的描述。CIE No. 85 中,以5 nm 或 10 nm為間隔,更精確地描述了太陽光的光譜,特別是UV 波段光譜。如本文中1. 1. 1 和1. 2. 1 節所示,紫外部分光譜的微小差異會給材料的老化性能測試結果帶來很大的差別。而該標準中的光譜分布定義過於粗略(見下表1) ,例如在UVB 波段 0. 28~0. 32μm ,輻照度的強度為5 W/ m2 ,容差高達±35 % ,而且沒有明確光譜中紫外截止點。而 CIE No. 85 中, 明確描述太陽光的截止點為 0. 295μm(295 nm) ,以5 nm 為間隔分別給出了各點的光強。

    考慮到CIE No. 20 已被CIE No. 85 光譜所替代,所以我們在執行標準時,應采用CIE No. 85 的光譜,並使用日光過濾器來過濾氙燈光源,實現對該標準對光源的要求。日光過濾器是用來模擬戶外直射太陽光最常用的氙燈過濾係統,經日光過濾器過濾的氙燈光源,最接近實際的戶外光照環境, 其光譜與太陽光光譜之間的比較如圖1 所示。因為780 nm 或800 nm 以上的紅外光譜對於高分子材料的作用僅為熱效應,在有黑板溫度控製的條件下,紅外光譜往往不被考慮。因此,新的光譜曲線一般僅描述紫外和可見光部分。

    帶有日光過濾器的Q2Sun 氙燈光譜和 CIE No. 85 標準太陽光光譜比較

    帶有日光過濾器的Q2Sun 氙燈光譜和CIE No. 85 標準太陽光光譜比較

    表1  標準中的光譜分布表

    光譜範圍波長範圍/μm輻照度/ (W. m-2 )容差( %)
    紫外線B0. 28~0. 325±35
    紫外線A0. 32~0. 4063±25
    0. 40~0. 52200±10
    可見光0. 52~0. 64186±10
    0. 64~0. 78174±10
    紅外線0. 78~3. 00492±20

    2. 2  光強設定

    IEC 68-2-5 :1975 中,對光強的設定采用的是總光強的設定,在280 nm 到3 000 nm 波長範圍內,輻照度是1. 120 kW/ m2 ±10 %。然而這種光強圖1  帶有日光過濾器的Q2Sun 氙燈光譜和 CIE No. 85 標準太陽光光譜比較的定義沒有考慮到不同波段光線對材料老化的差異性, 即波長越短對材料的破壞力越強。 ±112 W/ m2的容差要求如果集中在短波長部分將帶來幾倍至幾十倍的老化結果差異,而對於紅外波段,其老化結果的差異可以忽略不計。

    新的標準中大多采用了定點控製的方法,即采用340 nm 或420 nm 定點控製,考慮到IEC 68-2-5 :1975 模擬的是戶外直射陽光, 我們建議使用 340 nm點控製, 而光強則采用CIE No. 85 中 340 nm點的光強,即0. 68 W/ m2 @340 nm。值得注意的是,CIE No. 85 中的光譜是夏天中午的太陽光光譜,所以該光強設定較通常條件光強高很多。為提高實驗結果與實際條件的相關性, 很多標準通常采用較小的輻照度,如0. 55 W/ m2 @ 340 nm或更小。

    2. 3  溫度控製

    IEC 68-2-5 :1975 標準的4. 4 節中指出,在光照循環期間,箱體溫度(the temperature within the enclosure) 為40 ℃或55 ℃。在黑暗循環期間,箱體溫度為25 ℃,但標準中沒有明確箱體內的溫度, 指的是箱體內的空氣溫度還是箱體內的黑板溫度或黑標溫度。從曆史技術背景和溫度的設定值來看,此處的溫度應該指的是箱體空氣溫度,我們可以考慮選用相同的箱體空氣溫度來執行此標準。然而相比箱體空氣溫度,黑板或黑標溫度更能代表樣品表麵實際溫度。如有可能建議將標準中的箱體空氣溫度設定改為黑板或黑標溫度設定。光強為0. 68 W/ m2 @340 nm ,設定40 ℃箱體空氣溫度時,顯示的黑板溫度比設定的箱體空氣溫度高約30 ℃,黑標溫度高約40 ℃。設定55 ℃箱體空氣溫度時,情況也是類似。可見樣品的溫度要比標準中規定的“箱體溫度”高很多。

    2. 4  濕度

    IEC 68-2-5 :1975 標準中既沒有提及對相對濕度的控製也沒有涉及到運行噴淋循環。執行該標準時,可以不控製相對濕度。通常條件下,沒有加濕裝置的氙燈設備中,其相對濕度較低,一般情況下小於30 %。

    對於暴露於雨、露等戶外條件或戶內高濕條件下的產品,測試時則需要考慮濕度和噴淋條件。

    3  結論及建議

    IEC 68-2-5 :1975 標準在電子行業應用很廣泛,執行該標準時,可采用:Daylight-Q 日光過濾器,0. 68 W/ m2 @340 nm 的輻照度,光照循環時箱體空氣溫度設定為40 ℃或55 ℃,黑暗循環時箱體空氣溫度設定為25 ℃。

    但因為該標準發布於1975 年,且至今未作更新,在技術方麵存在一定的局限性。如有可能建議作以下修改,選擇CIE No. 85 光譜,Daylight2Q 日光過濾器,0. 55 W/ m2 @340 nm 的輻照度,選擇合適的黑板溫度並加入水噴淋循環或/ 和相對濕度控製。

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