氙燈老化和紫外老化試驗的比較

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、強度降低及分層。即使是室內的光及通過玻璃窗透射的太陽光也都會使一些材料老化，比如引起顏料、染料等褪色或變色。對許多制造商而言，產品的耐老化和耐光性是極其重要的。加速檢測老化和光穩(wěn)定性的設備被廣泛用于研究開發(fā)、質量控制和材料檢定，這些檢測設備提供快速并且可重復的測試結果。近年來，低價位且使用方便的實驗室檢測設備已經(jīng)開發(fā)出來，包括QUV紫外加速老化設備（符合ASTM G154）和Q-Sun氙燈試驗箱（符合ASTM G155）。

測試抗老化和光穩(wěn)定性的最佳方法經(jīng)常引起爭論。幾年來，各種各樣的方法都被應用過，現(xiàn)在大部分研究者使用自然曝露方法、Q-Sun氙弧燈或QUV加速老化試驗設備。自然曝露測試方法有很多優(yōu)點，實際、便宜、易于操作，然而大部分制造商不愿意等上幾年的時間來觀察一種新的改良的產品設計是否真的得到改進。

Q-Sun氙弧燈試驗箱和QUV紫外加速老化試驗箱是應用*泛的加速老化檢測設備，這兩種檢測設備的測試原理*不同。Q-Sun氙燈試驗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295nm到800nm范圍內基本上與太陽光的光譜相吻合（如圖1所示）。Q-Sun被用來測試許多產品，這些產品對紫外線的長波段、可見光及紅外線較敏感。

圖1 太陽光光譜與QUV和Q-Sun光譜之間的比較

QUV不能模擬全光譜太陽光。它的原理是，對于曝露在室外的經(jīng)久耐用的材料，紫外線的短波段300-400nm是引起老化損害的最主要原因（如圖1所示）。從中可以看出，在紫外線的短波區(qū)域，即從365nm到太陽光的起始波段，QUV 能很好地模擬太陽光，然而，對于長一點的波長它將無能為力。

測試的最佳方法依賴于測試需要，每種方法都可能非常有效。應該根據(jù)被測產品或材料、最終的應用條件、所考慮的降解模式和預算來選擇合適的檢測設備。

1.老化的三要素

光照、高溫和潮濕，這3個因素中的任何一個都會引起材料的老化損害，但它們往往同時發(fā)生作用，所造成的危害將大于其中任一因素的單獨作用。

1.1光照

不同材料對光的敏感性不同。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使其產生嚴重的老化。

1.2 高溫

當溫度升高時，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，但卻影響次要的化學反應。實驗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、雨水及高濕度是引起潮濕危害的主要原因。研究表明，放在室外的物品每天都將長時間（平均每天8-12h）處于潮濕狀態(tài)。研究發(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，因為它附著在材料上的時間更長，引起更為嚴重的潮濕吸收。當然，雨水對材料的危害也很大，雨水將引起熱沖擊。比如一輛在炎熱夏日里溫度升高的汽車突然因陣雨而急劇降溫，就會產生沖擊現(xiàn)象。雨水沖刷引起的機械侵蝕也會加速材料發(fā)生老化，如木材涂層因雨水沖洗去除了表面老化層，將未老化的里層暴露于太陽光下，從而產生進一步老化。對于室內材料，濕氣的主要作用往往是機械應力，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，需要克服的應力也越大。濕氣環(huán)境還是室外材料發(fā)生老化的一個重要因素，在室外，周圍相對濕度RH將影響一種潮濕材料的干燥速度。QUV和Q-Sun以各自不同的方式來模擬光照、高溫和潮濕。

2 QUV老化試驗設備

2.1 陽光模擬

QUV利用熒光紫外線燈模擬太陽光來對耐久性材料造成損害。紫外燈在電學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。不同的應用條件需要的不同光譜，進而需要不同類型的燈管。UV-340燈管對太陽光的紫外短波段模擬效果好，其光譜能量分布SPD在太陽光的截止點到大約360nm范圍內與太陽光譜吻合得非常好（如圖2所示）。

圖2 UV-340光譜與夏天正午太陽光譜比較

UV-B型燈管（如圖3所示）在QUV中也被廣泛應用。它們比UV-A型燈管引起更快的材料老化，但它比太陽光截止點更短的波長量可能會對許多材料產生不切實際的結果。

圖2 所示的UVA-340燈管在已有燈管中對太陽光紫外短波段的模擬效果是最佳的。圖3 UV-B類型的燈管利用紫外線的短波段達到最快加速老化的目的，對特別經(jīng)久耐用材料的檢定或質量控制非常有用。

圖3 UVB-313及FS-40光譜與太陽光譜比較

2.2 輻照度控制

為了獲得精確且可重復的測試結果，控制輻照度（光強）很有必要。大多數(shù)型號的QUV都裝備有日光眼光強控制器，這種精確的光控系統(tǒng)為使用者選擇輻照度提供了方便。利用日光眼的反饋循環(huán)系統(tǒng)，可以連續(xù)、自動地控制且精確地保持輻照度，日光眼靠調整燈的功率來自動補償因燈管老化和其他因素造成的光強變化。在僅僅幾天或幾周內，QUV能模擬在室外幾個月甚至幾年所造成的損害。

在QUV內部，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，紫外燈的光譜不會隨時間變化，這也提高了測試結果的重復性，也是使用QUV進行測試的一個主要的優(yōu)點。

圖4所示為在QUV中使用過2h的燈管和使用過5600h的燈管輻照度控制之間的比較，可以看出，新燈管和長時間使用過的燈管光譜之間的差別幾乎難以辨別。這是因為，一方面日光輻照度控制器用來維持光強，另外，因為紫外燈固有的光譜穩(wěn)定性，光譜能量分布幾乎保持不變。已取得專li的太陽眼控制系統(tǒng)易于校準，符合ISO標準可追溯的要求。

圖4 QUV的日光眼控制系統(tǒng)利用改變燈的輸出功率保持光譜穩(wěn)定

2.3 潮濕模擬

測試室底部的水槽被用來加熱產生蒸汽，在較高的溫度下，熱蒸汽使測試室內保持100%的相對濕度。在QUV中，測試樣品實際上形成測試室的側壁，樣品的另一面暴露在室內周圍的空氣中。室內相對較冷的空氣使得測試樣品的表面比測試室內熱蒸汽的溫度低好幾度，這一溫度差產生冷凝循環(huán)現(xiàn)象，在樣品表面液態(tài)形式的水慢慢地凝結（如圖5所示）。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果的可重復性，也簡化了QUV的安裝和操作。

圖5 QUV通過一個逼真的冷凝系統(tǒng)來模擬室外的潮濕侵蝕

因為材料在室外經(jīng)受潮濕侵蝕的時間很長，所以QUV要達到相同的效果，它的冷凝循環(huán)過程至少需要4h。另外，冷凝過程是在一較高溫度（一般為50℃)下進行的，這大大加速了潮濕侵蝕。用QUV的長時間的熱凝結循環(huán)過程來模擬戶外的潮濕侵蝕比其他一些方法，如濺水、浸水或高濕度都更有效。除了標準的冷凝功能，QUV還可用水噴淋來模擬雨水影響，比如熱沖擊或機械侵蝕。使用者可操作QUV來產生潮濕循環(huán)并伴隨紫外線，這一模擬與自然老化非常相似。

3 Q-Sun氙燈試驗箱

3.1 太陽光模擬

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

氙弧光燈產生的光譜必須經(jīng)過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，不同過濾器過濾的光譜中紫外線短波段的量不同，這將在很大程度上影響老化的速度和類型。經(jīng)常使用的濾光器有) 種類型：日光、窗玻璃、紫外延伸過濾器。圖6-圖8展示了這些濾光器產生的光譜，同時也展示了295nm-400nm之間紫外線短波段的一些光譜的放大圖。

日光過濾器通常被用來模擬戶外暴露。被設計用來測室內光穩(wěn)定性，這種過濾器產生的一種光譜與透過玻璃的太陽光光譜非常相似。

圖6 配備有日光過濾器的Q-Sun光譜和太陽光譜之間的比較

圖7 配備有窗玻璃過濾器的Q-Sun光譜和透過玻璃的太陽光譜之間的比較

圖8 配備有Q/B擴展紫外線過濾器的Q-Sun光譜和太陽光譜之間的比較

某些測試標準要求一種光譜包含短波紫外線，比太陽短波截止點295nm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際的紫外線短波段，但它們往往提供更快的測試結果。

3.2 輻照度控制

氙弧燈試驗箱一般裝備有輻照度控制系統(tǒng)，Q-Sun使用的日光眼系統(tǒng)如圖9 所示。

在氙弧燈測試系統(tǒng)內，輻照度控制非常重要，因為氙弧燈本身的光譜穩(wěn)定性不如熒光紫外燈的好。圖10展示了一只新燈和一只已使用過1000h的燈光譜之間的差異。很顯然，除控制點光強不變，在長波段，光譜隨時間發(fā)生嚴重的變化。

因燈管老化而產生光譜漂移是氙弧燈固有的特性，然而，有些方法可用來補償這一變化。例如，為了減小燈老化的影響，可以定期更換燈管。同時，控制340nm或420nm處的照度，那么在一個特定區(qū)域，光譜的變化量將減到最小。盡管因燈管老化會引起光譜漂移，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際的光源。

圖9 Q-Sun 的日光眼照度控制器自動地控制和維持被選擇的光強

3.3 潮濕模擬

大多數(shù)氙弧光燈檢測設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，水噴淋可以很好地模擬熱沖擊和機械侵蝕。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。

因為濕度會影響某些室內使用物品（比如紡織品或油墨）發(fā)生老化的類型和速度，在許多測試標準中都建議控制相對濕度。Q-Sun氙燈試驗箱可選配相對濕度控制。

4 實際需要考慮的事項

當然，一種測試裝置不管如何有效，如果購買價格和運行成本太高的話，那它也沒有實際應用價值。這就是為什么購買價格、運行成本、維護費用是一些不容忽視的重要因素的原因，在考慮一種檢測設備的優(yōu)點時也應考慮到這些因素的影響。

4.1 購買價格

一般地，QUV比Q-Sun便宜，具體情況取決于您所購買的產品類型和型號。由圖10可見，使用1000h后，氙弧光燈的光譜輸出發(fā)生變化，但是控制器在控制點維持光譜穩(wěn)定性方面做得非常好。

圖10 使用1000h后氙弧光燈的光譜輸出

4.2 測試室大小

當評估一個試驗箱的價格時，應該考慮到它的容積。一個QUV/SE和一個Q-Sun Xe-1在購買時價格相當，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 可測試樣品的類型比較靈活，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

QUV和Q-Sun的使用和維護都很方便，這兩種試驗設備可以全自動一天24h連續(xù)工作，一周7d連續(xù)工作，定時器可使測試在任何特定的時間停止。利用已獲得專li的自動校正系統(tǒng)和輻照度校正儀來進行校準也很簡單，當儀器光強穩(wěn)定時按下按鈕，校準即完成，在此過程中，測試樣品和光源均處于待工作狀態(tài)。

Q-Sun氙燈試驗箱和QUV加速老化試驗箱設計得非常人性化，Q-Sun的前門、QUV兩邊的翻蓋門，使得燈管和樣品安裝都很容易。

4.5 維護費用

QUV和Q-Sun的維護費用都較低。Q-Sun每年更換燈管的費用比QUV/se和QUV/spray高得多，Q-Sun的電能消耗也較多。另外，QUV/se和QUV可用一般的自來水，而Q-Sun要求去離子水。總之，QUV每年的使用費用比Q-Sun少得多。