氙燈試驗(yàn)箱和陽光型碳弧燈老化箱的介紹

    目前認(rèn)為，已知的人工光源中氙弧燈的光譜能量分布與陽光中紫外、可見光部分*相似。通過選擇合適的濾光片，可以濾去大部分到達(dá)地面陽光中存在的短波輻射。氙燈在1000nm~1200nm近紅外區(qū)存在很強(qiáng)的輻射峰，會(huì)產(chǎn)生大量的熱。因此，須選擇合適的冷卻裝置帶走這部分能量。目前，市面上氙燈老化試驗(yàn)裝置有兩種冷卻方式：水冷式和風(fēng)冷式。一般來說，水冷式氙燈裝置冷卻效果要優(yōu)于風(fēng)冷式，同時(shí)結(jié)構(gòu)也較為復(fù)雜，價(jià)格也比較昂貴。
 
陽光型碳弧燈老化箱     

    陽光型碳弧燈目前在我國應(yīng)用得較少，但它在日本是廣泛使用的光源，大部分JIS標(biāo)準(zhǔn)都采用陽光型碳弧燈。我國許多與日本合資的汽車企業(yè)仍推薦使用這種光源。陽光型碳弧燈光譜能量分布也較接近于太陽光，但在370nm－390nm紫外線集中加強(qiáng)，模擬性不及氙燈，加速倍率介于氙燈及紫外燈之間。
 

碳弧燈老化箱與氙弧燈老化試驗(yàn)箱的區(qū)別

    碳弧燈和氙弧燈是兩種不同光源的光老化試驗(yàn)設(shè)備，氙弧燈在檢測中的應(yīng)用遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于碳弧燈。

    氙弧燈是一種*新的，也是*好的光源，通過更換慮光罩，其可以較好的模擬戶外自然太陽光和透過窗玻璃的太陽光。氙弧燈首先應(yīng)用于塑料行業(yè)，由于其檢測結(jié)果能夠更好的模擬產(chǎn)品實(shí)際的耐候性，因此許多國際規(guī)范，如AATCC、ASTM、ISO和政府組織都采用氙弧燈。紡織行業(yè)是傳統(tǒng)使用碳弧燈的用戶，現(xiàn)在也改變了規(guī)范采用氙弧燈。

    碳弧燈分為兩種，一種是封閉式碳弧燈，一種是日光碳弧燈。這兩種碳弧燈都是應(yīng)用于早期的設(shè)備，前者*初用于紡織品耐光測試，后者*初用于涂層的耐光性測試。封閉式碳弧燈的發(fā)光體是一組碳棒，電流通過碳棒發(fā)出弧光。但碳棒發(fā)出的弧光的光譜能量分布（SPD）與自然日光的SPD相差較大，既沒有自然日光中的短波紫外輻射，在400－800nm之間也沒有日光的高強(qiáng)度能量。日光型碳弧燈的SPD與日光的SPD的匹配性有所改善，但二者在50到350nm之間的光譜分布還是有較大的差異。因此，從總體上來說，碳弧燈的檢測結(jié)果與產(chǎn)品的實(shí)際耐候性之間的相關(guān)性比較差。目前，一些舊的標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)范仍采用碳弧燈設(shè)備。

使用碳弧燈的另外一個(gè)傳統(tǒng)行業(yè)是汽車行業(yè)，不過近年來大部分的歐美汽車公司已經(jīng)普遍采用氙弧燈，目前仍在使用碳弧燈的大多是日本汽車企業(yè)，但很多日本汽車企業(yè)也已經(jīng)將氙弧燈納入其規(guī)范中作為選用方法。

塑料、橡膠、涂料等高分子材料在使用過程中遇到老化的問題
      塑料、橡膠、涂料等高分子材料在使用過程中會(huì)遇到老化的問題。為評價(jià)高分子材料的耐老化性能，逐漸形成了兩類老化試驗(yàn)方法：一類是自然老化試驗(yàn)方法，即直接利用自然環(huán)境進(jìn)行的老化試驗(yàn)；另一類是人工加速老化試驗(yàn)方法，即在實(shí)驗(yàn)室利用老化箱模擬自然環(huán)境條件的某些老化因素進(jìn)行的老化試驗(yàn)。由于老化因素的多樣性及老化機(jī)理的復(fù)雜性，自然老化無疑是*重要*可靠的老化試驗(yàn)方法、。但是，由于自然老化周期相對較長，不同年份、季節(jié)、地區(qū)氣候條件的差異性導(dǎo)致了試驗(yàn)結(jié)果的不可比性；而人工加速老化試驗(yàn)?zāi)M強(qiáng)化了自然氣候中的某些重要因素，如陽光、溫度、濕度、降雨等，縮短了老化試驗(yàn)的周期，且由于試驗(yàn)條件的可控性，試驗(yàn)結(jié)果再現(xiàn)性強(qiáng)。人工老化作為自然老化的重要補(bǔ)充，正廣泛運(yùn)用于高分子材料的研究、開發(fā)、檢測中。
     在人工加速老化的試驗(yàn)過程中，人們普遍會(huì)關(guān)心以下幾個(gè)問題：應(yīng)該選擇什么樣的試驗(yàn)條件，進(jìn)行多長時(shí)間的試驗(yàn)；該選擇什么指標(biāo)來評價(jià)該產(chǎn)品的老化性能。本文試圖針對這些問題對人工加速老化試驗(yàn)進(jìn)行一些探討。
1 人工加速老化試驗(yàn)條件的選擇
     這個(gè)問題實(shí)際上可以理解為應(yīng)該模擬哪些老化因素，高分子材料在使用過程中，氣候環(huán)境里許多因素都有可能對高分子材料的老化產(chǎn)生作用。如果事先知道產(chǎn)生老化的主要因素，就可以有針對性的選擇試驗(yàn)方法。我們可以從該材料的運(yùn)輸、儲(chǔ)存、使用環(huán)境以及其老化機(jī)理等方面考慮，確定試驗(yàn)方法。例如硬聚氯乙烯型材，使用聚氯乙烯為原料，添加穩(wěn)定劑、顏料等助劑加工而成，主要用于室外。從聚氯乙烯的老化機(jī)理考慮，聚氯乙烯受熱易分解；從使用環(huán)境考慮；空氣中的氧、紫外光、熱、水分都是引起型材老化的原因。因此，國標(biāo)GB/T8814-2004《門、窗用未增塑聚氯乙烯（PVC-U）型材》中，既規(guī)定了光氧老化試驗(yàn)方法，采用GB/T 16422.2《塑料實(shí)驗(yàn)室光源曝露試驗(yàn)方法**部分：氙弧燈》老化4000h或6000h，模擬了室外紫外光及可見光、溫度、濕度、降雨等因素，同時(shí)又規(guī)定了熱氧老化項(xiàng)目：加熱后狀態(tài)，150℃放置30min，目測觀察是否出現(xiàn)氣泡、裂紋、麻點(diǎn)或分離現(xiàn)象，以考察型材的耐熱性能。

2 人工加速老化光源的選擇
       實(shí)驗(yàn)室光源曝露試驗(yàn)因?yàn)榭梢栽谝粋€(gè)試驗(yàn)箱中同時(shí)模擬大氣可見環(huán)境中的光、氧、熱和降雨等因素，是目前較為常用的一種人工加速老化試驗(yàn)方法，在這些模擬因素中，又以光源*為重要。經(jīng)驗(yàn)表明，陽光中引起高分子材料破環(huán)的波長主要集中在紫外線及部分可見光。目前使用的人工光源都力圖使在此波長區(qū)間內(nèi)的能譜分布曲線與太陽光譜接近，模擬性和加速倍率是選擇人工光源的主要依據(jù)。經(jīng)歷了約一個(gè)世紀(jì)的發(fā)展，實(shí)驗(yàn)室光源已有封閉式碳弧燈、陽光型碳弧燈、熒光紫外燈、氙弧燈、高壓汞燈等各種光源供選擇。國際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO）中與高分子材料相關(guān)的各技術(shù)委員會(huì)主要推薦使用陽光型碳弧燈、熒光紫外燈、氙弧燈三種光源。
2.1氙弧燈
     目前認(rèn)為，已知的人工光源中氙弧燈的光譜能量分布與陽光中紫外、可見光部分*相似。通過選擇合適的濾光片，可以濾去大部分到達(dá)地面陽光中存在的短波輻射。氙燈在1000nm~1200nm近紅外區(qū)存在很強(qiáng)的輻射峰，會(huì)產(chǎn)生大量的熱。因此，須選擇合適的冷卻裝置帶走這部分能量。目前，市面上氙燈老化試驗(yàn)裝置有兩種冷卻方式：水冷式和風(fēng)冷式。一般來說，水冷式氙燈裝置冷卻效果要優(yōu)于風(fēng)冷式，同時(shí)結(jié)構(gòu)也較為復(fù)雜，價(jià)格也比較昂貴。

2.2熒光紫外燈
     從理論上說，300nm~400nm的短波能量是引起老化的主要因素。如果增加這部分能量，就能達(dá)到快速試驗(yàn)的效果。熒光紫外燈的光譜分布主要集中在紫外光部分，因此，可以達(dá)到較高的加速倍率。然而，熒光紫外燈不僅使自然日光中的紫外線能量增加，同時(shí)還有在地球表面測量時(shí)自然日光中沒有的輻射能量，而這部分能量會(huì)引起非自然的破壞。另外熒光光源除了很窄的水銀光譜線外，沒有高于375nm的能量，這樣對較長波長的UV能量敏感的材料就可能不會(huì)出現(xiàn)曝曬在自然日光下那樣變化。由于這些固有缺陷會(huì)導(dǎo)致得出不可靠的結(jié)果。因此，熒光紫外燈的模擬性較差。但是，由于它的加速倍率高，通過選擇合適型號的燈管可實(shí)現(xiàn)對特定材料的快速篩選。
2.3陽光型碳弧燈
      陽光型碳弧燈目前在我國應(yīng)用得較少，但它在日本是廣泛使用的光源，大部分JIS標(biāo)準(zhǔn)都采用陽光型碳弧燈。我國許多與日本合資的汽車企業(yè)仍推薦使用這種光源。陽光型碳弧燈光譜能量分布也較接近于太陽光，但在370nm－390nm紫外線集中加強(qiáng)，模擬性不及氙燈，加速倍率介于氙燈及紫外燈之間
3 試驗(yàn)時(shí)間的確定
  3.1參照相關(guān)產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定
     相關(guān)產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)里已經(jīng)對老化試驗(yàn)的時(shí)間作出了規(guī)定，我們只需查找到相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，按里面規(guī)定的時(shí)間執(zhí)行就行了。許多國家標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中都對此作出了規(guī)定。

3.2根據(jù)已知的相關(guān)性推算
     研究表明：通過顏色和變黃指數(shù)變化來評價(jià)ABS的顏色穩(wěn)定性，人工加速老化與自然大氣暴露有較好的相關(guān)性，加速倍率約為7。如果想了解某一ABS材料戶外使用一年后的顏色變化，采用相同的試驗(yàn)條件，可以參考該加速倍率，確定加速老化時(shí)間365x24/7=1251h。
     長期以來，國內(nèi)外就相關(guān)性間題展開了大量的研究，得出了許許多多的換算關(guān)系式。然而，由于高分子材料的多樣性，加速老化試驗(yàn)設(shè)備及方法的不同，不同時(shí)間、地區(qū)氣候的差異性導(dǎo)致了換算關(guān)系的復(fù)雜化。因此，在選擇換算關(guān)系時(shí)，一定要注意得出該相關(guān)性的具體材料、老化設(shè)備、試驗(yàn)條件、性能評價(jià)指標(biāo)等因素。

3.3控制人工加速老化輻射總量與自然暴露輻射總量相當(dāng)

對于某些既無相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，又無處參考相關(guān)性的產(chǎn)品，可以考慮其實(shí)際使用環(huán)境的輻射強(qiáng)度，控制人工加速老化輻射總量與自然暴露輻射總量相當(dāng)。

下面舉例說明如何控制人工加速老化總輻射量:
某一塑料制品使用于北京地區(qū)，期望控制人工加速老化總輻射量與戶外暴露一年相當(dāng)。
**步：由于該產(chǎn)品為塑料制品，且使用于戶外，選擇采用GB/T16422.2-1996《塑料實(shí)驗(yàn)室光源曝露試驗(yàn)方法**部分：氙弧燈》中A法。試驗(yàn)條件為：輻照強(qiáng)度0.50W/ m2（340nm)，黑板溫度65℃，箱體溫度40℃，相對濕度50％，噴水時(shí)間／不噴水時(shí)間18min/102min，連續(xù)光照；
**步：例如北京地區(qū)一年輻射總量為5609MJ/ m2，依據(jù)對比人工光源與自然陽光輻射光譜分布的國際準(zhǔn)則CIE No 85 -1989（見表1，GB/T16422.1-1996《塑料實(shí)驗(yàn)室光源曝露試驗(yàn)方法**部分：氙弧燈》中引用）；其中紫外區(qū)與可見區(qū)部分（300nm－800nm）占62.2%，即3489MJ/m2。
第三步：依據(jù)GB/T 16422.2-1996，340nm輻照強(qiáng)度為0.50 W/ m2時(shí)，紅外區(qū)與可見區(qū)部分  （300nm～800nm）輻照強(qiáng)度為550 W/m2；可計(jì)算出輻照時(shí)間為3489 X 106/550=6.344 X 106s，即1762h。依此計(jì)算方法，加速倍率約為5。由于自然老化并不是簡單的輻照強(qiáng)度的疊加，只有在確定陽光是引起材料破環(huán)的主要因素且不能用其他方法確定試驗(yàn)時(shí)間時(shí)，才可以使用此計(jì)算方法模擬。

4 性能評價(jià)指標(biāo)的選擇
     選擇性能評價(jià)指標(biāo)主要從材料的用途及材料本身特性兩方面來考慮。

4.1根據(jù)材料用途確定評價(jià)指標(biāo)
     對于同樣的材料，由于其用途不同，可能選擇的評價(jià)指標(biāo)也不同。例如，同樣是涂料，如果是用于裝飾，就必須重點(diǎn)考慮其外觀的變化。在GB/T 1766-1995《色漆和清漆涂層老化的評級》中，詳細(xì)規(guī)定了光澤度、顏色變化、粉化、泛金等各種外觀變化的評級方法。
     而對于某些功能性涂料，如防腐涂料，一定程度的顏色、外觀變化是可以接受的，這時(shí)，選擇評價(jià)指標(biāo)時(shí)，主要考慮其耐開裂性、粉化程度等方面。同樣是聚氯乙烯(PVC)，如果用于制作鞋面，就必須考慮其耐黃變性，而如果是用于雨落水管，對于外觀變化要求就不高，而材料的物理機(jī)械性能變化，如拉伸強(qiáng)度變化是主要考核指標(biāo)。

4.2根據(jù)材料本身特性確定評價(jià)指標(biāo)
     就同一材料來說，在老化過程中不同性能的下降是不等速的。換句話說，某些性能對環(huán)境敏感，下降得*快，則是引起材料破壞的主要因素、在選擇評價(jià)指標(biāo)時(shí)，應(yīng)該選擇這些敏感性能。研究表明：對于大部分工程塑料來說，沖擊強(qiáng)度是自然老化試驗(yàn)檢測中變化*大、下降*明顯的。因此，在進(jìn)行工程塑料的老化測試時(shí)，應(yīng)優(yōu)先考慮選擇沖擊強(qiáng)度下降作為評價(jià)指標(biāo)。沖擊強(qiáng)度對聚丙烯的老化同樣相當(dāng)敏感，是考核老化性能的主要指標(biāo)。對于聚乙烯材料來說，斷裂伸長率的下降*為明顯，是優(yōu)先考慮的評價(jià)指標(biāo)。對于聚氯乙烯，拉伸強(qiáng)度和沖擊強(qiáng)度都下降得比較快，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況，選擇其中一種來評價(jià)。在國標(biāo)GB/T8814-2004《門、窗用未增塑聚氯乙烯（PVC-U）型材》中，選擇老化后沖擊強(qiáng)度保留率≥60％作為合格判定指標(biāo)；在輕工行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)QB/T2480 - 2000建筑用硬聚氯乙烯（PVC -U)雨落水管材及管件中，選擇老化后拉伸強(qiáng)度保留率≥80％作為合格判定指標(biāo)。