氙灯老化试验箱人工加速老化测试试验解析

　　氙灯老化试验箱广泛用来测试材料和产品的光稳定性和抗老化性，因为氙弧灯发出的光谱很接近完整的包括紫外线(UV)、可视光和红外线(IR)太阳光谱。为获得准确的，重复性好的测试结果，所有的光稳定性或老化性能测试必须控制光线的质量，光强的改变会影响材料损坏的速度，而光谱能量分布的改变则会影响材料降解的速度和类型。

　　氙弧灯的发射情况是比较复杂的，因为它牵扯几个变量，包括过滤器传输、辐照度控制点、发光强度以及灯管老化等。辐照度控制系统对光强和光谱都有影响。下面将分别就氙灯老化试验箱的几个主要控制参数分别讨论。

　　1.光学过滤器

　　未经滤光的氙弧灯发射过多的短波紫外线，以至于不能很好的模拟地球表面自然暴露，因此，试验箱使用各种类型的过滤器来减少不必要的短波射线。过滤器的选择取决于被测试的材料和使用环境。大多数过滤器型号都对光谱的短波部分进行有效地过滤。

　　平板型氙灯试验箱给每一个气冷氙灯配备了一块或多块平面玻璃过滤器。水冷旋转鼓式试验箱使用不同的过滤系统，包括围绕氙灯放置的圆柱形内、外过滤器。

　　目前，氙灯老化试验箱中采用3种不同的过滤器系统。ASTM G155标准中，它们分别被命名为日光过滤器、窗玻璃过滤器和延伸紫外线过滤器。ISO标准使用不同的命名法。对于日光光谱、透过窗玻璃的阳光光谱，IS0 11341(颜料)中分别称做“方法1”和 “方法2”；IS0 4892-2(塑料)中分别称做“方法A” 和“方法B”。ISO标准中没有提到延伸紫外线光谱，但有几个SAE标准则对此有要求。

　　这些过滤器之间重要的区别是短波紫外线传输和光谱截止点。不同数量的短波紫外线可显著地影响降解的速度和类型。老化试验箱的制造商经常使用他们自己的命名法来给各类过滤器和过滤器系统命名。

　　日光过滤器是应用广泛的氙灯过滤器，它可产生非常类似夏日正午阳光的光谱(有时称作阳光zui大值)。平板氙灯试验箱的制造商把这一类型的过滤器简称作“日光过滤器”。可以产生类似的日光过滤作用的过滤器组合，称作“硼硅酸盐/硼硅酸盐”(Boro/Boro) 和“CIRA/碳酸石灰”。

　　太阳光、日光过滤器、Boro/Boro及CIRA/碳酸石灰的过滤器光谱能量分布，如图3所示。大部分的过滤器都能很好地匹配太阳光的光谱。

　　不同的过滤器在超短紫外波长区域有着显著的差别。虽然平板日光过滤器和旋转鼓式CIRA/SL过滤器都能很好地与阳光吻合，但旋转鼓式Boro/Boro过滤器在280nm处有着不真实的低截止波长(远比太阳光的295nm截止点更为严格)。也就意味着样品所受的紫外光曝露远短于实际的使用环境，他可以加速材料的老化，但并不真实并可以导致一些材料的相关性问题。

　　窗玻璃过滤器模拟透过窗玻璃的太阳光谱，通常用于室内产品的老化测试。用于平板型氙灯试验箱简称“窗玻璃过滤器”。用于旋转鼓试验箱的过滤器则称为“硼硅酸盐/苏达石灰”(也叫做Boro/苏达石灰，Boro/SL等)。图4显示了一个平板型和旋转鼓式窗玻璃过滤器的SPD，与通过窗玻璃过滤的阳光进行的比较。两种类型的窗玻璃过滤器都可很好地与通过窗玻璃的实际阳光吻合。

　　平板型窗玻璃过滤器在关键短波紫外线区域里更为真实一些。这一差异对于一些材料的黄变和物理性能变化是非常重要的。褪色和变色是暴露在室内的材料的普遍的问题。由于褪色和变色通常为长波紫外线和可视光降解的结果，这一差异会严重地影响测试结果。

　　2.辐照度控制

　　任何类型的氙灯灯管的输出都会随着时间而衰减。的氙灯试验箱使用一个反馈回路控制系统对此进行补偿。有了该系统，操作人员可预设辐照度水平，而测试室中的辐照度传感器对光线进行测量。当灯管老化导致输出衰减时，系统会通过增加氙灯的功率来进行自动补偿。

　　理论上，光线强度可以在氙灯光谱的任意位置进行监控，但通常使用的只是为数不多的几个波段。一般在材料为敏感的光谱区域进行辐照度控制(例如，预计会出现降解的区域)。此外，辐照度控制点还因行业、应用的不同而改变。

　　340nm控制点广泛应用于加速老化测试中，对于户外耐久性产品的老化测试来说，短波紫外线区域具危险性。340nm的控制要求带有一个装备有过滤器的紫外线传感器，它只允许以340nm为中心的狭窄波段通过。通常，这对于涂料、塑料、屋面材料等是理想的控制点。常见的辐照度控制点是0.35或0.55W/m2/nm@340nm。

　　420nm控制点一般与窗玻璃过滤器配套用于材料的室内光稳定性测试。对420nm的控制，要求紫外线传感器装备有一个滤光器，它只允许以420nm为中心的紫外线窄带通过。该系统测试的对象，通常是那些主要由长波紫外线和可视光造成损坏的材料，例如针织品中的染料和色素、纸张和油墨。室内模拟常见的辐照度设置点是1.10W/m2/nm@420nm。

　　平板型和旋转鼓型试验箱通常装有340nm或420nm窄带辐照度控制系统。根据不同的型号，某些欧洲测试箱可使用一个宽带TUV(完整紫外线，300～400nm)，或一个极宽带完整辐照度传感器 (280—800nm)。宽带传感器不会对紫外线的相对小的变化做出反应，这一非敏感性可能给由光谱短波紫外线部分驱动的关键降解机制带来问题。

　　总而言之，平板型和旋转鼓型试验箱带有高效、等量的反馈回路辐照度控制系统。建议定期更换灯管会减少灯管老化的影响。通过使用将辐照度控制在340nm或者420nm的传感器，在特定区域的光谱改变量会被进一步减小。

　　3.潮湿

　　平板型氙灯试验箱和旋转鼓型氙灯试验箱都能通过向测试样品喷淋水来模拟户外潮湿的效果。这一方法对于模拟热冲击或机械腐蚀特别有效。

　　在平板型试验箱内，测试样品被安装在一个平面样品托盘上，水平倾斜5度，喷淋水能均匀地喷洒到样品的表面，同时由于样品放置接近水平，水不会很快流走，使得样品在整个潮湿循环周期中都保持潮湿。

　　旋转鼓型试验箱有一个喷淋条和喷嘴，当旋转的样品经过时，向其喷水。每分钟内，样品约有3s处于潮湿状态。某些试验箱装有2个喷淋条，可以在样品的正反面同时喷水。由于样品垂直放置，水会很快从表面流走。在潮湿间隙，样品有可能在转离喷淋位置后变干。

　　4.相对湿度控制

　　对于许多材料而言，相对湿度(RH)的控制是很关键的，大多数的测试标准都有相对湿度控制的要求。旋转鼓型氙灯试验箱和平板型试验箱都可加装相对湿度控制系统。因为大量的空气必须在测试室中流动以保持测试温度，所以对相对湿度的精确控制是比较困难的。要控制相对湿度，必须监控测试室空气的温度。平板型氙灯试验箱精确的相对湿度控制系统(美国Q-Panel公司专利)超过了ISO，ASTM，AATCC和SAE测试标准的要求，并广泛地运用在户外曝晒测试中。

　　5.温度控制

　　温度控制是一个关键的却经常被忽视的测试参数。旋转鼓式和平板型试验箱通常通过控制黑板温度来控制测试环境。黑板温度计是一块涂有黑色涂层的金属面板，它带有附着在表面的温度传感元件，这些元件被称作“非绝缘黑板”。

　　两种类型的试验箱中都可装有绝缘的黑板温度计(在ISO标准中被叫做“黑标温度”)。这些被装在一个绝缘塑料座上，通常绝缘的黑板比非绝缘黑板高5°～10°。许多旋转鼓型和平板型的试验箱型号都可控制测试室环境温度和黑板温度。