引言

氣候和陽光輻照是損害涂料、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(qiáng)度降低及分層。即使室內(nèi)的光及玻璃窗透射的太陽光都會(huì)使一些材料老化，比如引起顏料、染料等褪色或變色。

對許多制造商，生產(chǎn)的產(chǎn)品能夠耐老化和耐光性是極其重要的。加速老化和光穩(wěn)定性的檢測設(shè)備被廣泛用于研究開發(fā)、質(zhì)量控制和材料檢定，這些檢測設(shè)備提供快速并且可重復(fù)的測試結(jié)果。

近年來，低價(jià)位且使用方便的實(shí)驗(yàn)室檢測設(shè)備已經(jīng)開發(fā)出來，包括 QUV 加速老化設(shè)備(符合 ASTM G154)和 Q-Sun 氙燈試驗(yàn)箱(符合 ASTM G155)。(QUV 是世界上應(yīng)用最廣的老化檢測設(shè)備。它基于的原理是：對于經(jīng)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(yàn)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(chǎn)品來說，抗老化和光穩(wěn)定性是很重要的。測試的較佳方法經(jīng)常引起爭論。幾年來，各種各樣的方法都被用過?，F(xiàn)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(yàn)設(shè)備。自然暴露方法測試有很多優(yōu)點(diǎn)：實(shí)際，便宜，易于操作。然而，大部分制造商不愿意等上幾年的時(shí)間來觀察一種新的改良的產(chǎn)品設(shè)計(jì)是否真的得到改進(jìn)。

氙弧光燈試驗(yàn)箱和QUV紫外加速老化試驗(yàn)箱是應(yīng)用最廣泛的加速老化的檢測設(shè)備。這兩種檢測設(shè)備的測試原理完全不同。氙燈試驗(yàn)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范圍內(nèi)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

另一方面，QUV 不能模擬全光譜太陽光。它基于的原理是，對暴露在室外的經(jīng)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(qū)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，對于長一點(diǎn)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(chǎn)品，這些產(chǎn)品對紫外線的長波段，可見光及紅外線較敏感。

測試的較佳方法是什么?這個(gè)問題并不好回答。這要依賴于你的測試需要，每種方法都可能非常有效。你應(yīng)該根據(jù)被測產(chǎn)品或材料，最終使用的應(yīng)用條件，你所考慮的降解模式和預(yù)算限制來選擇合適的檢測設(shè)備。

為了弄清 Q-Sun 和 QUV 之間的差別，有必要先來進(jìn)一步了解材料為什么會(huì)發(fā)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(gè)因素都會(huì)引起：光照，高溫和潮濕。這三個(gè)因素中的任一個(gè)都會(huì)引起材料老化。它們往往同時(shí)發(fā)生作用，造成的危害將大于其中任一因素單獨(dú)作用所造成的。

1.1光照

不同的材料對光的敏感性也不同。對于經(jīng)久耐用的材料，如大多數(shù)涂料、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，對于不是那么經(jīng)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(huì)對其造成嚴(yán)重的老化。

1.2 高溫

當(dāng)溫度升高時(shí)，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(yīng)，它卻影響次要的化學(xué)反應(yīng)。實(shí)驗(yàn)室老化測試必須提供精確的溫度控制，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(shí)間處于潮濕狀態(tài)(平均每天 8~12 h)。研究也已發(fā)現(xiàn)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?yàn)樗街诓牧仙系臅r(shí)間更長，引起更為嚴(yán)重的潮濕吸收。

當(dāng)然，雨水對材料的危害也很大。雨水將引起熱沖擊，比如當(dāng)一輛汽車在一個(gè)炎熱夏日溫度升高突然因陣雨而急劇降溫，從而產(chǎn)生沖擊現(xiàn)象。雨水沖刷引起的機(jī)械侵蝕也會(huì)加速材料發(fā)生老化，如木材涂層，雨水沖洗去除表面老化層，將未老化的里層暴露于太陽光下產(chǎn)生進(jìn)一步老化。

對于室內(nèi)的材料，濕氣的主要作用往往是機(jī)械應(yīng)力。它因材料試圖與周圍保持潮濕平衡而引起。材料所經(jīng)受的濕氣越大，需要克服的應(yīng)力也越大。盡管室內(nèi)物品，比如紡織品，油墨只暴露于濕氣環(huán)境中，但它仍是室外材料發(fā)生老化的一個(gè)重要的因素。在室外，周圍相對濕度(RH)將影響一種潮濕材料干燥速度。

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(yàn)設(shè)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(xué)原理上與普通照明用的燈很相似，但它主要發(fā)射紫外光而非可見光或紅外線。

對于不同的應(yīng)用條件，需要不同光譜進(jìn)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(diǎn)到大約 360 nm 范圍內(nèi)與太陽光譜吻合的非常好(如圖 2 所示)。

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較佳的。

UV-B型燈管(如圖 3 所示)在QUV中也被廣泛應(yīng)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(diǎn)更短的波長量對會(huì)許多材料可能產(chǎn)生不切實(shí)際的結(jié)果。

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

2.2 輻照度控制

為了達(dá)到精確且可重復(fù)的測試結(jié)果，有必要控制 輻照度 (光強(qiáng))很有必要。大多數(shù)型號(hào)QUV都裝備有日光眼光強(qiáng)控制器。這種精確的光控系統(tǒng)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(huán)系統(tǒng)，可以連續(xù)地、自動(dòng)地控制且精確地保持 輻照度 。日光眼靠調(diào)整燈的功率來自動(dòng)地補(bǔ)償燈管老化和其他因素造成的光強(qiáng)變化。圖 4 展示了 輻照度 控制系統(tǒng)工作原理。在僅僅幾天或幾周內(nèi)， QUV能模擬在室外經(jīng)幾個(gè)月甚至幾年所造成的損害。

圖 4 輻照度控制系統(tǒng)工作原理

圖 4 QUV 照度控制裝備有日光眼的 QUV 照度控制器比手動(dòng)照度控制的檢測設(shè)備測試重復(fù)性更好的測試，因?yàn)檫@些燈不必旋轉(zhuǎn)，維護(hù)措施也簡化了。

在 QUV 內(nèi)部，因熒光紫外線燈固有的光譜穩(wěn)定性，發(fā)光控制系統(tǒng)相對簡單。隨著燈管的老化，所有光源的輸出都會(huì)發(fā)生衰減。然而，不像大多數(shù)其它類型的燈管紫外燈的光譜不會(huì)隨時(shí)間變化。這也提高了測試結(jié)果的重復(fù)性，也是使用 QUV 進(jìn)行測試的一個(gè)主要的優(yōu)點(diǎn)。

圖 5 隨著燈管老化，所有光源的輸出都將衰減，然而，QUV 的日光眼控制系統(tǒng)卻能利用改變燈的輸出功率來保持光譜穩(wěn)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 控制之間的比較。新燈管和長時(shí)間使用過的燈管光譜之間的差別幾乎難以辨別。日光眼照度控制器用來維持光強(qiáng)。另外，因?yàn)樽贤鉄艄逃械墓庾V穩(wěn)定性，光譜能量分布幾乎保持不變。已取得專利的太陽眼控制系統(tǒng)易于校準(zhǔn)，符合 ISO 標(biāo)準(zhǔn)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(chǎn)生蒸汽。在較高的溫度下，熱蒸汽使測試室內(nèi)保持 100%的相對濕度。QUV 中，測試樣品實(shí)際上形成測試室的側(cè)壁。樣品的另一面暴露在室內(nèi)周圍的空氣中。室內(nèi)相對較冷的空氣就使得測試樣品的表面比測試室內(nèi)的熱蒸汽的溫度低好幾度。這一溫度差產(chǎn)生冷凝循環(huán)現(xiàn)象在樣品表面液態(tài)形式的水慢慢地凝結(jié)(如圖 6 所示)。

圖 6 QUV 通過一個(gè)逼真的冷凝系統(tǒng)來模擬室外潮濕侵蝕

所形成的冷凝物是非常穩(wěn)定，純度很高的蒸餾水。這種高純的蒸餾水增加了測試結(jié)果的可重復(fù)性，也簡化了 QUV 的安裝和操作。

因?yàn)椴牧显谑彝饨?jīng)受潮濕侵蝕的時(shí)間很長，所以 QUV 要達(dá)到相同的效果，它的冷凝循環(huán)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(jìn)行的，這大大加速了潮濕侵蝕。用 QUV 的長時(shí)間的熱凝結(jié)循環(huán)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(biāo)準(zhǔn)的冷凝功能，QUV 還可用水噴淋來模擬雨水影響，比如熱沖擊或機(jī)械侵蝕。使用者可操作 QUV 來產(chǎn)生潮濕循環(huán)并伴隨紫外線，這一模擬與自然老化非常相似。

3 Q-Sun 氙燈試驗(yàn)箱

3.1 太陽光模擬

氙弧燈試驗(yàn)箱可較好地模擬太陽光的所有光譜，它可產(chǎn)生紫外線，可見光和紅外線。氙弧光燈光譜有兩個(gè)影響因素：濾光系統(tǒng)和光源穩(wěn)定性。

氙弧光燈產(chǎn)生的光譜必須經(jīng)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。濾光器的使用取決于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(jīng)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(chǎn)生的光譜，同時(shí)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(shè)計(jì)用來測試室內(nèi)光穩(wěn)定性，這種過濾器產(chǎn)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(kuò)展紫外線過濾器和太陽光

圖9 Q/B擴(kuò)展紫外線過濾器和太陽光譜配備有擴(kuò)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(biāo)準(zhǔn)要求一種光譜包含短波紫外線，比太陽短波截止點(diǎn)(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(shí)際的紫外線短波段，但它們往往提供更快的測試結(jié)果。

3.2 輻照度控制

氙弧燈試驗(yàn)箱一般裝備有輻照度控制系統(tǒng)。 Q-Sun 氙使用的日光眼系統(tǒng)如圖 10 所示。

圖 10 Q-Sun 日光眼照度控 Q-Sun 的日光眼照度控制器自動(dòng)地控制和維持被選擇的光強(qiáng)

在氙弧燈測試系統(tǒng)內(nèi)，輻照度控制非常重要，因?yàn)殡舯旧淼墓庾V穩(wěn)定性不如熒光紫外燈的好。圖 11 展示了一只新燈和一只已使用過 1 000 h 的燈的光譜之間的差異。很顯然，除控制點(diǎn)光強(qiáng)不變，在長波段，光譜隨時(shí)間發(fā)生嚴(yán)重的變化。

因燈管老化而產(chǎn)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(bǔ)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(shí)，控制 340 nm 或 420 nm 處的照度，那么在一個(gè)特定區(qū)域，光譜的變化量將減到最小。盡管因燈管老化會(huì)引起光譜漂移，氙弧燈在抗老化和光穩(wěn)定性測試中已被證明是一種切合實(shí)際的光源。

3.3 潮濕模擬

大多數(shù)氙弧光燈檢測設(shè)備通過水噴淋或濕度控制系統(tǒng)來模擬潮濕的影響。水噴淋的局限性是當(dāng)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沖擊和機(jī)械侵蝕。在測試系統(tǒng)中，為了防止水對樣品的污染使用高純度的水是非常必要的。

因?yàn)闇囟葧?huì)影響某些室內(nèi)使用物品(比如紡織品或油墨)發(fā)生老化的類型和速度，在許多測試標(biāo)準(zhǔn)中都建議控制相對濕度。Q-Sun 氙燈試驗(yàn)箱可選配相對濕度控制。

4 實(shí)際需要考慮的事項(xiàng)

當(dāng)然，不管一種測試裝置如何有效，如果它的購買價(jià)格和運(yùn)行成本太高的話，那它也沒有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。這就是為什么購買價(jià)格，運(yùn)行成本，維護(hù)費(fèi)用是一些不容忽視的重要因素的原因。在考慮一種檢測設(shè)備的優(yōu)點(diǎn)時(shí)也應(yīng)考慮到這些因素的影響。圖 10 Q-Sun 太陽眼輻照度控制 Q-Sun 的太陽眼輻照度控制系統(tǒng)能自動(dòng)地控制和維持一定的光強(qiáng)。

圖 11 在使用 1000 個(gè)小時(shí)以后，氙弧光燈的光譜

4.1購買價(jià)格

一般地，QUV 比 Q-Sun 便宜。具體情況取決于您所購買的產(chǎn)品類型和型號(hào)

4.2 測試室大小

當(dāng)評(píng)估一個(gè)試驗(yàn)箱的價(jià)格時(shí)，應(yīng)該考慮到它的容積。

一個(gè) QUV/se 和一個(gè) Q-Sun Xe-1 在購買時(shí)價(jià)格相當(dāng)，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。它除了可測試平面試樣外，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 易于使用和維護(hù)

QUV 和 Q-Sun 使用維護(hù)都很方便。這兩種試驗(yàn)設(shè)備可以全自動(dòng)一天 24 h 連續(xù)工作，一周 7 天連續(xù)工作。定時(shí)器可使測試在任何特定的時(shí)間停止。專利的自動(dòng)校正系統(tǒng)和輻照度校正儀來進(jìn)行校準(zhǔn)也很簡單。當(dāng)儀器光強(qiáng)穩(wěn)定時(shí)按下按鈕，校準(zhǔn)即完成。在此過程中，測試樣品和光源均處于待工作狀態(tài)。

Q-Sun氙燈試驗(yàn)箱和QUV加速老化試驗(yàn)箱均被設(shè)計(jì)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(hù)費(fèi)用

QUV和Q-Sun的維護(hù)費(fèi)用都較低。Q-Sun每年更換燈管費(fèi)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(fèi)用比Q-Sun少的多。

5 技術(shù)總結(jié)：根據(jù)需要選擇試驗(yàn)設(shè)備

到底選擇哪種老化及光穩(wěn)定性的測試設(shè)備，尤其是初次選擇時(shí)。下面給出一些選擇建議，見表 1。