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幾種人工加速光老化試驗方法分析比較
幾種人工加速光老化試驗方法分析比較
1. 人工加速老化普遍方法
日常生活中，日光的照射是一種很常見的環境現象。涂層、 塑料等高分子材料在受到日光照射的長期使用過程中， 經常出現變色、 粉化、 起泡、 裂紋、 脫落等現象， 嚴重影響產品的機械性能、 外觀表現等特性 。 因此， 在研發涂料、 塑料和一些汽車內飾，經常暴露光照環境條件下的產品， 需要模擬自然使用條件， 即進行光老化試驗對其進行評測來提供評價依據。 同時， 也為了能快速地評估材料的性能， 在進行新材料的光老化試驗中， 常常采用人工加速光老化的方法。 目前，普遍使用的人工加速光老化試驗方法主要有碳弧燈、 熒光紫外燈、 氙弧燈、 金屬鹵素燈等。
2. 光老化的機理
涂層、塑料等高分子材料在受到日光照射時，會發生一系列反應，主要是光化學反應。發生光化學反應的物質的分子或原子首先吸收太陽光，使其分子或原子在吸收光能后處于高能狀態；而當一個分子或原子吸收的能量大于其鍵能，就會使該物質發生降解，即老化。 老化是*的解聚反應， 使高分子的末端， 從原子間化學鍵弱的部分斷裂。 老化后的高分子材料， 往往出現表面粉化、 變色、 起泡、 裂紋、 脫落等現象 。高分子材料對不同波長的敏感性是影響老化的一個重要因素，常見的高分子材料在波長 230～447 nm 范圍的光源照射下，容易出現解聚、 老化現象。
3. 常見的人工老化試驗方法
3.1 碳弧燈
封閉式碳弧燈：碳電極的成分，決定其光譜能量分布（SPD）。其主要能量集中在 3 個很窄的波帶中，光譜上與日光燈存在較大的差異。
開放式碳弧燈（日光碳弧燈）：主要用于涂料工業中。其碳棒成分的改變，使 SPD 在模擬日光方面有明顯的改進。 但與日光的 SPD 相比， 在 350 nm 和 500 nm 之間差別很大。
日本的一些早期標準常使用碳弧燈做為試驗光源。此外， 許多汽車廠商曾經在自己的相關企業標準中使用過碳弧燈作為試驗光源，隨著試驗光源技術的發展，其中多數廠商已改用氙弧燈，或者氙弧燈與碳弧燈同時備選。常見的一些和國內標準有： ISO 4892-4， ASTM D152， ASTM D153， ASTM D750 （04 版更新之后除碳弧燈試驗方法之外，加入了使用氙弧燈和熒光紫外燈的試驗方法）， GB/T 15255 等。
3.2 熒光紫外燈
熒光紫外燈可以使許多產品加速損壞。由于它所產生的光照存在地球表面，而且是自然日光中沒有的輻射能量，所以熒光裝置可能引發非自然的破壞。另外， 由于沒有較長波長的光譜能量， 對較長波長的 UV 能量敏感的材料可能不會像曝曬在自然日光下那樣變化。鑒于熒光紫外燈的這些特征， 適宜作為一個紫外篩選裝置， 在質量控制中使用。 常用的UV 燈管有 UVA-340， UVA-351， UVB-313 等幾種類型。 其中， UVA-340 為接近自然光的紫外光部分， 模擬狀況 ； UVB-313 燈管的紫外光部分強于自然光紫外部分， 并且含有部分自然光中基本沒有的短波紫外光， 所以 UVB-313 比較適用于對比試驗。
常見的使用熒光紫外燈做為試驗光源的國外標準有ISO 4892.3、ASTM G154、ASTM D4329、SAE J1960 等，國 內 標 準 有 GB/T16422.3， GB/T 14522 等。
3.3 氙弧燈
首先用于塑料工業、汽車工業燈。 20世50年代引用使用空冷系統，60年代開始使用水冷。1974年 ATLAS研制出6500W氙弧燈，燈壽命提高，一般可達2000h，未經濾光的氙弧燈光，并不能很好地模擬地球表面的自然暴露，試試驗箱一般通過幾種光學過濾器使照射到樣品的光譜模擬幾種自然暴露的陽光。當使用硼硅玻璃內外濾光片時，氙燈系統發出的光譜能量分布近似于戶外自然日光:外濾光片改為鈉鈣玻璃，則接近經過玻璃窗過濾后的自然日光。氙弧燈對太陽光的良好模擬性，使得它現在被廣泛應用使用。
氙弧燈作為試驗光源的國外標準有ISO4892.2,IEC60068-2-5,ASTM『G155,ASTM D2565,ASTM D4459SAEJ1885. mil-std810F(方法505:4)等，國內標準準有GB/T16422.2GB/T242324，GJB150.7，GB/T14522。
3.4 金屬鹵素燈
金屬鹵素燈是一種利用金屬鹵化物通電實現的氣體放電燈。MIL-STD-810F中描述該種光源“為要求關注熱效應的試驗提供了一種很好的光源”。金屬鹵素燈的光譜能量分布與地球表面接收到的太陽光很相似尤其對紅外區域的模擬性很好，優于其它幾種常用光源。通過放置多個該種光源進行模擬試驗的試驗設備規模較大，主要用于汽車整車、汽車零部件、 大型電工電子設備的人工光老化試驗。使用金屬鹵素燈做為試驗光源的國外標準有DIN 75520 等。也有部分汽車廠商的企業標準使用該種光源。
4. 人工加速試驗光源的光譜能量控制
幾種人工加速光老化試驗光源的光譜能量對日光的模擬性各不相同。目前各種試驗標準對光源光譜能量分布進行描述時，通常會給出總輻照度和各光譜段的輻照度分布 (或者各光譜段能量所占的百分比)，并同時列出了各段的容差范圍。部分標準會給出試驗中關注點的輻照強度（如 340 nm， 300 nm-400 nm），針對關注的波長控制，同時也便于試驗人員對試驗參數的設定。不同的研究機構和標準體系，對于光譜段的劃分定義略有不同。
5. 光老化試驗環境中的試驗條件
5.1 輻照度和濾光片
輻照強度一般在材料敏感的區域進行輻照度監控。以氙弧燈為例，理論上，光線強度可以在氙燈光譜的任意位置進行監控，實際運用中，常選用的控制點有340nm(常用于針對涂料、塑料、屋面材料的試驗)，420nm(常用于針對針織品中的染料和色素、紙張和油墨的試驗)等。行業與應用領域的不同，除了選用不同的輻照度控制點外，試驗光源通常還需搭配使用不同的濾光片，以達到模擬戶外的陽光、透過窗玻璃的陽光等目的(熒光紫外燈一般通過更換不同類型燈管實現)。長時間使用后的燈管和濾光片.往往會發生光譜能量分布的變化，因此無論何種光源，都應該根據設備生產廠家建議的使用壽命進行更換。
5.2 溫度
在較高的溫度環境中光照的破壞作用通常會增大光照試驗設備的內部通常通過控制黑板 (非絕緣黑板 ) 溫度、 黑標 ( 絕緣黑板 ) 溫度、 試驗箱內溫度來控制試驗條件中的溫度條件。 各標準一般會在試驗條件中對其中一種或兩種溫度提出要求。
5.3 相對濕度和噴水
在戶外自然條件下，露水、 雨水、 高濕度都會引起潮濕危害， 雨水還會產生熱沖擊的危害、 沖刷帶來的機械腐蝕。 而在室內危害主要來自濕氣帶來的機械應力。多數人工光老化試驗設備通過控制試驗箱內的相對濕度以及針對樣品的水噴淋來模擬潮濕、雨水等條件。 熒光紫外試驗設備一般通過水蒸汽冷凝以及噴水來模擬自然條件的潮濕環境。
6. 光老試驗后的測試
光老化試驗后，除對外觀進行目測檢查外，經常還要對受試樣品（材料）的一些性能進行后續測試。如色差、光澤度、灰度、 拉伸強度試驗。 這些后續性能測試的目的主要是獲得為人工光老化試驗提供判據的性能參數。一般來說， 對于應用范圍廣泛的材料， 應盡量測試其多種性能指標； 而對于限定使用范圍的材料， 可以根據產品的實際使用環境和要求來確定關注的側重點， 這其中也有試驗進度和成本方面的考慮。
與其他測試組合需要注意的問題
將樣品依次連續暴露到兩種或多種環境中進行試驗，為組合試驗。 組合試驗就不能不考慮試驗的順序。 光照試驗通常可以安排在試驗順序的任何位置上。 因為試驗中的高溫和光化學效應除了影響樣品表面的光學性能外， 也可能會影響樣品材料的強度、 尺寸等性能， 進而影響振動、 沖擊等力學試驗， 以及低氣壓試驗， 放大有害影響。 在進行力學試驗 （如振動試驗） 和低氣壓試驗時， 若要排除其它因素對結果的影響， 應考慮將光照試驗安排在這兩個試驗后進行。