氙燈老化試驗箱和紫外光老化試驗箱的比較與說(shuō)明
很多用戶(hù)的產(chǎn)品有光老化測試需求，在選擇用何種光老化設備的時(shí)候有很多疑問(wèn)？這里我們就兩種常見(jiàn)的光老化設備來(lái)進(jìn)行說(shuō)明，希望對大家的選擇有幫助。下面我們來(lái)講下氙燈老化試驗箱和紫外光老化試驗箱的比較
氣候和陽(yáng)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(kāi)裂、脫皮、脆化、強度降低及分層。即使是室內的光及通過(guò)玻璃窗透射的太陽(yáng)光也都會(huì )使一些材料老化，比如引起顏料、染料等褪色或變色。
氙弧燈試驗箱和QUV紫外加速老化試驗箱是應用最廣泛的加速老化檢測設備，這兩種檢測設備的測試原理完全不同。氙燈試驗箱模擬太陽(yáng)光的所有光譜，包括紫外線(xiàn)（UV）、可見(jiàn)光和紅外線(xiàn)（IR），氙燈光譜在295 nm到800 nm范圍內基本上與太陽(yáng)光的光譜相吻合（如圖1所示）。被用來(lái)測試許多產(chǎn)品，這些產(chǎn)品對紫外線(xiàn)的長(cháng)波段、可見(jiàn)光及紅外線(xiàn)較敏感。
紫外燈不能模擬全光譜太陽(yáng)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(xiàn)的短波段300~400 nm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(xiàn)的短波區域，即從365 nm到太陽(yáng)光的最低波段，紫外能很好地模擬太陽(yáng)光，然而，對于長(cháng)一點(diǎn)的波長(cháng)它將無(wú)能為力。
測試的最佳方法依賴(lài)于測試需要，每種方法都可能非常有效。應該根據被測產(chǎn)品或材料、最終的應用條件、所考慮的降解模式和預算來(lái)選擇合適的檢測設備。
1 老化的3要素
光照、高溫和潮濕，這3個(gè)因素中的任何一個(gè)都會(huì )引起材料的老化損害，但它們往往同時(shí)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，如大多數涂料、塑料，紫外線(xiàn)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(xiàn)的長(cháng)波段甚至可見(jiàn)光也會(huì )使其產(chǎn)生嚴重的老化。
1.2高溫
當溫度升高時(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，但卻影響次要的化學(xué)反應。實(shí)驗室老化測試必須提供精確的溫度控制，通常還通過(guò)升溫的方法來(lái)加速老化過(guò)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(cháng)時(shí)間（平均每天8-12 h處于潮濕狀態(tài)。研究發(fā)現，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(zhù)在材料上的時(shí)間更長(cháng)，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(chē)突然因陣雨而急劇降溫，就會(huì )產(chǎn)生沖擊現象。雨水沖刷引起的機械侵蝕也會(huì )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(yáng)光下，從而產(chǎn)生進(jìn)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?chē)３殖睗衿胶舛?，材料所?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(gè)重要因素，在室外，周?chē)鄬穸龋≧H）將影響一種潮濕材料的干燥速度。
紫外與氙燈以各自不同的方式來(lái)模擬光照、高溫和潮濕。
2 紫外老化試驗設備
2.1陽(yáng)光模擬
紫外光老化試驗箱利用熒光紫外線(xiàn)燈模擬太陽(yáng)光來(lái)對一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(jiàn)光或紅外線(xiàn)。
不同的應用條件需要的不同光譜，進(jìn)而需要一不同類(lèi)型的燈管。UVA-340燈管對太陽(yáng)光的紫外短波段模擬效果好，其光譜能量分布（SPD）在太陽(yáng)光的截止點(diǎn)到大約360 nm范圍內與太陽(yáng)光譜吻合得非常好（如圖2所示）。
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(yáng)光截止點(diǎn)更短的波長(cháng)量可能會(huì )對許多材料產(chǎn)生不切實(shí)際的結果。
圖2所示的UVA-340燈管在已有燈管中對太陽(yáng)光紫外短波段的模擬效果是最佳的。圖3 UV-B類(lèi)型的燈管利用紫外線(xiàn)的短波段達到最快 速老化的目的，對特別經(jīng)久耐用材料的檢定或質(zhì)量控制非常有用。
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。大多數型號的紫外光老化試驗箱都裝備有日光眼光強控制器，這種精確的光控系統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，可以連續、自動(dòng)地控制且精確地保持輻照度，日光眼靠調整燈的功率來(lái)自動(dòng)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紫外能模擬在室外幾個(gè)月甚至幾年所造成的損害。
在紫外內部，因熒光紫外線(xiàn)燈固有的光譜穩定性，發(fā)光控制系統相對簡(jiǎn)單。隨著(zhù)燈管的老化，所有光源的輸出都會(huì )發(fā)生衰減，然而，不像大多數其它類(lèi)型的燈管，紫外燈的光譜不會(huì )隨時(shí)間變化，這也提高了測試結果的重復性，也是使用紫外進(jìn)行測試的一個(gè)主要的優(yōu)點(diǎn)。
圖4所示為在紫外中使用過(guò)2h的燈管和使用過(guò)5 600 h的燈管輻照度控制之間的比較，可以看出，新燈管和長(cháng)時(shí)間使用過(guò)的燈管光譜之間的差別幾乎難以辨別。這是因為，一方面日光眼照度控制器用來(lái)維持光強，另外，因為紫外燈固有的光譜穩定性，光譜能量分布幾乎保持不變。已取得專(zhuān)利的太陽(yáng)眼控制系統易于校準，符合ISO標準可追溯的要求。
2.3潮濕模擬
測試室底部的水槽被用來(lái)加熱產(chǎn)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。測試樣品實(shí)際上形成測試室的側壁，樣品的另一面暴露在室內周?chē)目諝庵?。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(chǎn)生冷凝循環(huán)現象，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(jiǎn)化了安裝和操作。
因為材料在室外經(jīng)受潮濕侵蝕的時(shí)間很長(cháng)，所以紫外要達到相同的效果，它的冷凝循環(huán)過(guò)程至少需要4h。另外，冷凝過(guò)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。用紫外的長(cháng)時(shí)間的熱凝結循環(huán)過(guò)程來(lái)模擬戶(hù)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(lái)模擬雨水影響，比如熱沖擊或機械侵蝕。使用者可操作QUV來(lái)產(chǎn)生潮濕循環(huán)并伴隨紫外線(xiàn)，這一模擬與自然老化非常相似。
3 氙燈老化試驗箱
3.1太陽(yáng)光模擬
氙弧燈試驗箱可最好地模擬太陽(yáng)光的所有光譜，可產(chǎn)生紫外線(xiàn)、可見(jiàn)光和紅外線(xiàn)。氙弧光燈光譜有兩個(gè)影響因素：濾光系統和光源穩定性。
氙弧光燈產(chǎn)生的光譜必須經(jīng)過(guò)過(guò)濾來(lái)減少不需要的光譜成分，使用不同類(lèi)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(guò)濾器過(guò)濾的光譜中紫外線(xiàn)短波段的量不同，這將在很大程度上影響老化的速度和類(lèi)型。經(jīng)常使用的濾光器有3種類(lèi)型：日光、窗玻璃、紫外延伸過(guò)濾器。圖6~圖8展示了這些濾光器產(chǎn)生的光譜，同時(shí)也展示了295-400 nm之間紫外線(xiàn)短波段的一些光譜的放大圖。
日光過(guò)濾器通常被用來(lái)模擬戶(hù)外暴露。被設計用來(lái)測試室內光穩定性，這種過(guò)濾器產(chǎn)生的一種光譜與透過(guò)玻璃的太陽(yáng)光光譜非常相似。
某些測試標準要求一種光譜包含短波紫外線(xiàn)，比太陽(yáng)短波截止點(diǎn)（295 nm）還短的波長(cháng),Q/B過(guò)濾器提供這種光譜。盡管這種過(guò)濾器提供不切實(shí)際的紫外線(xiàn)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，氙燈使用的日光眼系統如圖9所示。
在氙弧燈測試系統內，輻照度控制非常重要，因為氙弧燈本身的光譜穩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(guò)1000 h的燈光譜之間的差異。很顯然，除控制點(diǎn)光強不變，在長(cháng)波段，光譜隨時(shí)間發(fā)生嚴重的變化。
因燈管老化而產(chǎn)生光譜漂移是氙弧燈固有的特性，然而，有些方法可用來(lái)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(shí)，控制340 nm或420 nm處的照度，那么在一個(gè)特定區域，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
大多數氛弧光燈檢測設備通過(guò)水噴淋或濕度控制系統來(lái)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(huì )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(lèi)型和速度，在許多測試標準中都建議控制相對濕度。氙燈試驗箱可選配相對濕度控制。
4 實(shí)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(mǎi)價(jià)格和運行成本太高的話(huà)，那它也沒(méi)有實(shí)際應用價(jià)值。這就是為什么購買(mǎi)價(jià)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(diǎn)時(shí)也應考慮到這些因素的影響。
4.1購買(mǎi)價(jià)格
一般地，紫外比氙燈便宜，具體情況取決于您所購買(mǎi)的產(chǎn)品類(lèi)型和型號。
由圖10可見(jiàn)，使用1000 h后，氙弧光燈的光譜輸出發(fā)生變化，但是控制器在控制點(diǎn)維持光譜穩定性方面做得非常好。
4.2測試室大小
當評估一個(gè)試驗箱的價(jià)格時(shí)，應該考慮到它的容積。氙燈比紫外的測試容積要大。
4.3三維測試樣品
氙燈可測試樣品的類(lèi)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。紫外可安裝相對較薄的平板或樣品。
4．易于使用和維護
氙燈和紫外的使用和維護都很方便，這兩種試驗設備可以全自動(dòng)一天24 h連續工作，一周7d連續工作，定時(shí)器可使測試在任何特定的時(shí)間停止。利用已獲得專(zhuān)利的自動(dòng)校正系統和輻照度校正儀來(lái)進(jìn)行校準也很簡(jiǎn)單，當儀器光強穩定時(shí)按卞按鈕，校準即完成，在此過(guò)程中，測試樣品和光源均處于待工作狀態(tài)。
5 技術(shù)總結
到底選擇哪種測試老化及光穩定性的設備（尤其是初次選擇時(shí)），可參照試驗標準，或者聯(lián)系專(zhuān)業(yè)的技術(shù)人員，會(huì )給您正確的推薦。
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