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    人工加速老化測試——氙燈試驗箱

    來源:ag8亚游集团有限公司
    發布時間:2018/4/16 18:22:10
    討論兩種常見的、不同類型、測試條件一致的氙燈試驗箱。詳述 了其不同的配置對光譜、輻照度控製、過濾器類型、潮濕、濕度控製、 溫度控製和校準等的影響。闡述了樣品安置、設備的維護保養等實 際操作方麵的問題以及老化測試標準。

    全世界每年因老化而造成的產品損失達數億美元,材料的老化包括褪色、失光、氧化、開裂、粉化和強度下降等現象。目前,評價材料的老化主要通過2種方法:戶外曝曬和人工加速老化。其中人工加速老化主要有開放式碳弧燈、紫外光和氙弧燈。文中主要討論2 種常用的氙燈試驗箱。

    1 旋轉鼓型和平板型氙燈試驗箱

    1918年,世界上出現了第1台旋轉鼓式氙燈老化試驗箱,它使用1個碳弧燈作為光源,光源或燈管垂直放置在儀器的中央,周圍帶有1個過濾係統。測試樣品麵向光源安裝,並像傳送帶一樣圍繞中心燈旋轉。自第一次世界大戰以來,這種試驗箱也不斷地改進,但其基本設計原理一直沒有改變。最為常見的試驗箱的燈管冷卻係統采用水冷卻,這種類型的水冷氙弧試驗箱被稱為“旋轉鼓型”。

    近年來,出現了新型的靜態樣品安置的氙燈試驗箱,在測試室的頂部安裝了一個或多個氣冷氙燈管。在這一係統中,過濾器是平

    板型的,且被置於燈管下部,同時在測試室的頂部和側部裝有反射係統以增強輻照度的均勻性。測試樣品被安裝在燈管下方的樣品盤上。托盤略微傾斜小角度,以便使水流走,這種類型的試驗箱被稱為 “平板型”。

    無論哪種類型的試驗箱,都帶有控製光線強度(輻照度)、溫度和相對濕度的控製係統,如圖1、2 所示。

    轉鼓式氙燈試驗箱和平板式氙燈試驗箱

    氙燈試驗箱廣泛用來測試材料和產品的光穩定性和抗老化性,因為氙弧燈發出的光譜很接近完整的包括紫外線(UV)、可視光和紅外線(IR)太陽光譜。為獲得準確的,重複性好的測試結果,所有的光穩定性或老化性能測試必須控製光線的質量,光強的改變會影響材料損壞的速度,而光譜能量分布的改變則會影響材料降解的速度和類型。

    氙弧燈的發射情況是比較複雜的,因為它牽扯幾個變量,包括過濾器傳輸、輻照度控製點、發光強度以及燈管老化等。輻照度控製係統對光強和光譜都有影響。下麵將分別就氙燈試驗箱的幾個主要控製參數分別討論。

    1.1光學過濾器

    未經濾光的氙弧燈發射過多的短波紫外線,以至於不能很好的模擬地球表麵自然暴露,因此,試驗箱使用各種類型的過濾器來減少不必要的短波射線。過濾器的選擇取決於被測試的材料和使用環境。大多數過濾器型號都對光譜的短波部分進行有效地過濾。

    平板型氙燈試驗箱給每一個氣冷氙燈配備了一塊或多塊平麵玻璃過濾器。水冷旋轉鼓式試驗箱使用不同的過濾係統,包括圍繞氙燈放置的圓柱形內、外過濾器。

    目前,氙燈試驗箱中采用3種不同的過濾器係統。ASTM G155標準中,它們分別被命名為日光過濾器、窗玻璃過濾器和延伸紫外線過濾器。ISO標準使用不同的命名法。對於日光光譜、透過窗玻璃的陽光光譜,IS0 11341(顏料)中分別稱做“方法1”和 “方法2”;IS0 4892-2(塑料)中分別稱做“方法A” 和“方法B”。ISO標準中沒有提到延伸紫外線光譜,但有幾個SAE標準則對此有要求。

    這些過濾器之間的最重要的區別是短波紫外線傳輸和光譜截止點。不同數量的短波紫外線可顯著地影響降解的速度和類型。老化試驗箱的製造商經常使用他們自己的命名法來給各類過濾器和過濾器係統命名。

    日光過濾器是應用最為廣泛的氙燈過濾器,它可產生非常類似夏日正午陽光的光譜(有時稱作陽光最大值)。平板氙燈試驗箱的製造商把這一類型的過濾器簡稱作“日光過濾器”。可以產生類似的日光過濾作用的過濾器組合,稱作“硼矽酸鹽/硼矽酸鹽”(Boro/Boro) 和“CIRA/碳酸石灰”。

    太陽光、日光過濾器、Boro/Boro及CIRA/碳酸石灰的過濾器光譜能量分布,如圖3所示。大部分的過濾器都能很好地匹配太陽光的光譜。

    各類光譜的比較

    不同的過濾器在超短紫外波長區域有著顯著的差別。雖然平板日光過濾器和旋轉鼓式CIRA/SL 過濾器都能很好地與陽光吻合,但旋轉鼓式 B oro/B oro過濾器在280nm處有著不真實的低截止波長(遠比太陽光的295nm截止點更為嚴格)。也就意味著樣品所受的紫外光曝露遠短於實際的使用環境,他可以加速材料的老化,但並不真實並可以導致一些材料的相關性問題。

    窗玻璃過濾器模擬透過窗玻璃的太陽光譜,通常用於室內產品的老化測試。用於平板型氙燈試驗箱簡稱“窗玻璃過濾器”。用於旋轉鼓試驗箱的過濾器則稱為“硼矽酸鹽/蘇達石灰”(也叫做Boro/蘇達石灰,Boro/SL等)。圖4顯示了一個平板型和旋轉鼓式窗玻璃過濾器的SPD,與通過窗玻璃過濾的陽光進行的比較。兩種類型的窗玻璃過濾器都可很好地與通過窗玻璃的實際陽光吻合。

    平板型窗玻璃過濾器在關鍵短波紫外線區域裏更為真實一些。這一差異對於一些材料的黃變和物理性能變化是非常重要的。褪色和變色是暴露在室內的材料的最普遍的問題。由於褪色和變色通常為長波紫外線和可視光降解的結果,這一差異會嚴重地影響測試結果。

    1.2輻照度控製

    任何類型的氙燈燈管的輸出都會隨著時間而衰減。先進的氙燈試驗箱使用一個反饋回路控製係統對此進行補償。有了該係統,操作人員可預設輻照度水平,而測試室中的輻照度傳感器對光線進行測量。當燈管老化導致輸出衰減時,係統會通過增加氙燈的功率來進行自動補償。

    理論上,光線強度可以在氙燈光譜的任意位置進行監控,但通常使用的隻是為數不多的幾個波段。一般在材料最為敏感的光譜區域進行輻照度控製(例如,預計會出現降解的區域)。此外,輻照度控製點還因行業、應用的不同而改變。

    340nm控製點廣泛應用於加速老化測試中,對於戶外耐久性產品的老化測試來說,短波紫外線區域最具危險性。340nm的控製要求帶有一個裝備有過濾器的紫外線傳感器,它隻允許以340nm為中心的狹窄波段通過。通常,這對於塗料、塑料、屋麵材料等是理想的控製點。最常見的輻照度控製點是 0.35或0.55W/m2/nm@340nm.

    420nm控製點一般與窗玻璃過濾器配套用於材料的室內光穩定性測試。對420nm的控製,要求紫外線傳感器裝備有一個濾光器,它隻允許以 420nm為中心的紫外線窄帶通過。該係統測試的對象,通常是那些主要由長波紫外線和可視光造成損壞的材料,例如針織品中的染料和色素、紙張和油墨。室內模擬的最常見的輻照度設置點是 1.10W/m2/nm@420nm。

    平板型和旋轉鼓型試驗箱通常裝有340nm或 420nm窄帶輻照度控製係統。根據不同的型號,某些歐洲測試箱可使用一個寬帶TUV(完整紫外線, 300~400nm),或一個極寬帶完整輻照度傳感器 (280—800nm)。寬帶傳感器不會對紫外線的相對小的變化做出反應,這一非敏感性可能給由光譜短波紫外線部分驅動的關鍵降解機製帶來問題。

    總而言之,平板型和旋轉鼓型試驗箱帶有高效、等量的反饋回路輻照度控製係統。建議定期更換燈管會減少燈管老化的影響。通過使用將輻照度控製在340nm或者420nm的傳感器,在特定區域的光譜改變量會被進一步減小。

    1.3潮濕

    平板型氙燈試驗箱和旋轉鼓型氙燈試驗箱都能通過向測試樣品噴淋水來模擬戶外潮濕的效果。這一方法對於模擬熱衝擊或機械腐蝕特別有效。

    在平板型試驗箱內,測試樣品被安裝在一個平麵樣品托盤上,水平傾斜5。。噴淋水能均勻地噴灑到樣品的表麵,同時由於樣品放置接近水平,水不會很快流走,使得樣品在整個潮濕循環周期中都保持潮濕。

    旋轉鼓型試驗箱有一個噴淋條和噴嘴,當旋轉的樣品經過時,向其噴水。每分鍾內,樣品約有3s處於潮濕狀態。某些試驗箱裝有2個噴淋條,可以在樣品的正反麵同時噴水。由於樣品垂直放置,水會很快從表麵流走。在潮濕間隙,樣品有可能在轉離噴淋位置後變幹。

    1.4相對濕度控製

    對於許多材料而言,相對濕度(RH)的控製是很關鍵的,大多數的測試標準都有相對濕度控製的要求。旋轉鼓型氙燈試驗箱和平板型試驗箱都可加裝相對濕度控製係統。因為大量的空氣必須在測試室中流動以保持測試溫度,所以對相對濕度的精確控製是比較困難的。要控製相對濕度,必須監控測試室空氣的溫度。平板型氙燈試驗箱精確的相對濕度控製係統(美國Q-Panel公司專利)超過了ISO, ASTM,AATCC和SAE測試標準的要求,並廣泛地運用在戶外曝曬測試中。

    1.5溫度控製

    溫度控製是一個關鍵的卻經常被忽視的測試參數。旋轉鼓式和平板型試驗箱通常通過控製黑板溫度來控製測試環境。黑板溫度計是一塊塗有黑色塗層的金屬麵板,它帶有附著在表麵的溫度傳感元件,這些元件被稱作“非絕緣黑板”。

    兩種類型的試驗箱中都可裝有絕緣的黑板溫度計(在ISO標準中被叫做“黑標溫度”)。這些被裝在一個絕緣塑料座上,通常絕緣的黑板比非絕緣黑板高5°~10°。

    許多旋轉鼓型和平板型的試驗箱型號都可控製測試室環境溫度和黑板溫度。

    2實際操作

    一台真正有用的氙燈試驗箱應該能夠提供測試所需的所有曝露條件,且同時還要考慮其實際使用情況。此外,如果某個氙燈試驗箱,無論其技術有多先進,但他難於使用、購買、操作及維護的費用太高,它仍不能算是有用的。

    2.1 樣品容量和占地麵積

    平板型試驗箱體積小巧,但其測試室的容量很多。它的暴露區域是501m2(3232cm2),這比類似“構造”的旋轉鼓型試驗箱多出了近50%的暴露區域,見表2。

    樣品容量和占地麵積

    2.2樣品安裝

    平板型氙燈試驗箱的滑出式樣品盤,樣品的安裝要比在旋轉鼓型的快得多、容易得多,也靈活得多。安裝盤可容納不同尺寸的平麵板或三維樣品,例如部件、瓶子和試管等(如圖5所示)。平麵樣品盤還對測試在溫度升高時流動的材料、暴露在石化盤中的物質以及在屋頂應用中的蓄池很有幫助。旋轉鼓型試驗箱隻能對平麵板進行立式安裝。必須使用特製的固定器,以便將樣品掛在暴露夾上(如圖6 所示)。

    平板式氙燈

    旋轉鼓氙燈試驗箱樣品

    2.3維修保護

    平板型氙燈試驗箱維修保養方便,燈管的安裝和更換均很方便,且其過濾器無需更換。平時經常性的維修保護均可從設備的正麵進行。在旋轉鼓型的試驗箱中,水冷燈管和過濾器的更換很不方便,必須移開測試樣品以進行常規的燈管和過濾器更換。

    2.4氣冷燈與水冷燈

    除了光線,氙弧燈還會在可視光和IR射線產生很多的熱量,這給操作和維護帶來了一定的問題。平板型氙燈試驗箱避免了因通過燈管夾排出大量的空氣而產生過多的熱量,這一簡單、經濟的裝置被稱為氣冷。

    旋轉鼓式使用水冷燈係統。由於水是極好的熱量傳導載體,因此旋轉鼓式燈可以在一個非常高的瓦數進行操作以產生高輻照度。水冷係統也有以下一些缺點。

    1)燈管/過濾器裝置比較複雜,帶有內部、外部過濾器等。

    2)冷卻水與高壓電流近似,所以,為安全起見,連接器和密封必須非常精確並高度耐用。

    3) 由於使用的特殊連接件,因而燈管非常昂貴。

    4)冷卻水必須非常純淨以便減輕任何在燈管和過濾器上積聚的雜質。

    5) 冷卻水本身必須由一個冷卻器進行冷卻。

    6)水泵有維護的需要。

    2.5 輻照度校準

    平板型的輻照度校準係統使用獨立的輻射計,校正僅需要幾分鍾時間。要校準平板型傳感器,輻射計的傳感元件被置於安裝盤中通常放測試樣品的位置。其數據傳送電纜被捕入儀表盤前麵的校準端口。當輻射計測量燈管輸出並發送信號到麵板上的控製係統時,隻需一次按鍵就可完成校準,它自動相應地調節校準。在轉錄或調換數字過程中不會出現人為錯誤。所有的校正過程,都無需移動燈管或過濾器。

    在旋轉鼓型氙燈試驗箱中,輻照度校正是一個多階段步驟,它必須使用一個特製的校準燈。

    1)多數測試樣品必須被移開。

    2)操作燈和過濾器必須被移開。

    3)必須安裝一個經校準的燈管。

    4)經校準燈管的輻照度必須與預定值(經校準的值)進行比較。

    5)操作員必須調節儀器以使測量值與校準值一致。

    6)經校準的燈管必須被移開。

    7)操作燈和過濾器必須重新安裝。

    8) 在暴露重新開始時,必須重新安裝測試樣品。

    3測試標準

    在過去10年中,幾乎所有的主要測試標準都已由對基於硬件要求(如水冷燈管vs風冷燈管)描述轉變為對基於性能的測試樣品暴露環境(亦即測試條件)的描述。1日式標準的製定是因為當時缺乏有效的技術去精確測量和控製嚴格的測試條件。由於不能控製,所以我們的標準隻能簡單的描述裝置。希望曝曬試驗的樣品因為使用相同的硬件,能達到相同的應力和結果,但常常事與願違。

    目前,隨著技術的進步,大多數標準化組織,包括ISO和ASTM,都傾向於發展以性能為基礎的測試手段和方式。這些方式定出了測試條件(如輻照、光譜、溫度、濕度等)以及可接受的性能範圍事實上,ISO的指導綱領這樣要求,“隻要可能,就應以性能的方式,而不是設計或描述特征來表達要求”。與此類似,美國國家標準學會(ANSI)對標準作出了這樣的規定“基於性能,而不是詳細設計來指定核心特征。”

    這些新的、以性能為基礎的測試手段則為使用者帶來最大的利益。它隻是規定了詳細的測試條件,允許使用新技術和控製方法,還允許有競爭(可以為使用者節約成本)。ISO指導綱領意識到這些優越性,並申明,“這一方法給技術發展帶來了最大的自由空間”。

    列出部分代表性的以性能為基礎的國際標準: IS04892,塑料一實驗室光源暴露方法;IS011341,色漆和清漆的人工加速老化;IS011431,建築密封劑、膠粘劑的人工加速老化;IS018909,成像材料、膠卷和印刷品、圖像穩定性;IS012040,顏料和打印油墨的光穩定性;AATCCTM16,顏色的光穩定性; AATCC TM169,針織品的抗老化性;ASTM C1442,密封劑耐老化性標準;ASTM D2565,塑料氙弧曝曬試驗;ASTM D3424,評估打印材料光穩定性的測試方法;ASTM D4303,評估藝術家顏料光穩定性的測試方法;ASTM D4459,室內用塑料的氙燈老化標準; ASTM D4798,瀝青材料的人工加速老化(氙燈曝露)標準;ASTM D5071,可光學降解塑料的氙燈老化標準;ASTM CJ151,非金屬材料的人工加速老化測試; ASTM G155,非金屬材料的氙燈人工加速老化測試。

    4概述和結論

    結合圖表,文中討論了氙燈測試的關鍵參數,包括光譜、光線強度(輻照度)、測試室溫度、黑板溫度以及相對濕度等,都可以通過不同的硬件配置進行控製。

    新的、以性能為基礎的測試標準對業界具有明顯的優越性,它們詳細描述了暴露環境,為實驗室老化在技術和控製方麵的進步拓展了空間,允許用戶靈活地選擇氙燈試驗箱。

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