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      氙燈耐氣候試驗箱與碳弧燈老化試驗箱的區別

        氙弧燈和碳弧燈是兩種不同光源的光老化試驗設備,氙弧燈在檢測中的應用遠遠多于碳弧燈。

        氙弧燈是一種最新的,也是最好的光源,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。氙弧燈首先應用于塑料行業,由于其檢測結果能夠更好的模擬產品實際的耐候性,因此許多國際規范,如AATCC、ASTM、ISO和政府組織都采用氙弧燈。紡織行業是傳統使用碳弧燈的用戶,現在也改變了規范采用氙弧燈。

        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用于早期的設備,前者最初用于紡織品耐光測試,后者最初用于涂層的耐光性測試。封閉式碳弧燈的發光體是一組碳棒,電流通過碳棒發出弧光。但碳棒發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,碳弧燈的檢測結果與產品的實際耐候性之間的相關性比較差。目前,一些舊的標準或規范仍采用碳弧燈設備。

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

        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遇到老化的問題。為評價高分子材料的耐老化性能,逐漸形成了兩類老化試驗方法:一類是自然老化試驗方法,即直接利用自然環境進行的老化試驗;另一類是人工加速老化試驗方法,即在實驗室利用老化箱模擬自然環境條件的某些老化因素進行的老化試驗。由于老化因素的多樣性及老化機理的復雜性,自然老化無疑是最重要最可靠的老化試驗方法、。但是,由于自然老化周期相對較長,不同年份、季節、地區氣候條件的差異性導致了試驗結果的不可比性;而人工加速老化試驗模擬強化了自然氣候中的某些重要因素,如陽光、溫度、濕度、降雨等,縮短了老化試驗的周期,且由于試驗條件的可控性,試驗結果再現性強。人工老化作為自然老化的重要補充,正廣泛運用于高分子材料的研究、開發、檢測中。

        在人工加速老化的試驗過程中,人們普遍會關心以下幾個問題:應該選擇什么樣的試驗條件,進行多長時間的試驗;該選擇什么指標來評價該產品的老化性能。本文試圖針對這些問題對人工加速老化試驗進行一些探討。

        1 人工加速老化試驗條件的選擇

        這個問題實際上可以理解為應該模擬哪些老化因素,高分子材料在使用過程中,氣候環境里許多因素都有可能對高分子材料的老化產生作用。如果事先知道產生老化的主要因素,就可以有針對性的選擇試驗方法。我們可以從該材料的運輸、儲存、使用環境以及其老化機理等方面考慮,確定試驗方法。例如硬聚氯乙烯型材,使用聚氯乙烯為原料,添加穩定劑、顏料等助劑加工而成,主要用于室外。從聚氯乙烯的老化機理考慮,聚氯乙烯受熱易分解;從使用環境考慮;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GB/T8814-2004《門、窗用未增塑聚氯乙烯(PVC-U)型材》中,既規定了光氧老化試驗方法,采用GB/T 16422.2《塑料實驗室光源曝露試驗方法第二部分: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,同時又規定了熱氧老化項目:加熱后狀態,150℃放置30min,目測觀察是否出現氣泡、裂紋、麻點或分離現象,以考察型材的耐熱性能。

        2 人工加速老化光源的選擇

        實驗室光源曝露試驗因為可以在一個試驗箱中同時模擬大氣可見環境中的光、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方法,在這些模擬因素中,又以光源最為重要。經驗表明,陽光中引起高分子材料破環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間內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。經歷了約一個世紀的發展,實驗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。國際標準化組織(ISO)中與高分子材料相關的各技術委員會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、可見光部分最相似。通過選擇合適的濾光片,可以濾去大部分到達地面陽光中存在的短波輻射。氙燈在1000nm~1200nm近紅外區存在很強的輻射峰,會產生大量的熱。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裝置有兩種冷卻方式:水冷式和風冷式。一般來說,水冷式氙燈裝置冷卻效果要優于風冷式,同時結構也較為復雜,價格也比較昂貴。

        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,就能達到快速試驗的效果。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,同時還有在地球表面測量時自然日光中沒有的輻射能量,而這部分能量會引起非自然的破壞。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出現曝曬在自然日光下那樣變化。由于這些固有缺陷會導致得出不可靠的結果。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現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用得較少,但它在日本是廣泛使用的光源,大部分JIS標準都采用陽光型碳弧燈。我國許多與日本合資的汽車企業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,模擬性不及氙燈,加速倍率介于氙燈及紫外燈之間

        3 試驗時間的確定

        3.1參照相關產品標準規定

        相關產品標準里已經對老化試驗的時間作出了規定,我們只需查找到相關標準,按里面規定的時間執行就行了。許多國家標準、行業標準中都對此作出了規定。

        3.2根據已知的相關性推算

        研究表明:通過顏色和變黃指數變化來評價ABS的顏色穩定性,人工加速老化與自然大氣暴露有較好的相關性,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,采用相同的試驗條件,可以參考該加速倍率,確定加速老化時間365x24/7=1251h。

        長期以來,國內外就相關性間題展開了大量的研究,得出了許許多多的換算關系式。然而,由于高分子材料的多樣性,加速老化試驗設備及方法的不同,不同時間、地區氣候的差異性導致了換算關系的復雜化。因此,在選擇換算關系時,一定要注意得出該相關性的具體材料、老化設備、試驗條件、性能評價指標等因素。

        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

        對于某些既無相應標準規定,又無處參考相關性的產品,可以考慮其實際使用環境的輻射強度,控制人工加速老化輻射總量與自然暴露輻射總量相當。

        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,期望控制人工加速老化總輻射量與戶外暴露一年相當。

        第一步:由于該產品為塑料制品,且使用于戶外,選擇采用GB/T16422.2-1996《塑料實驗室光源曝露試驗方法第二部分:氙弧燈》中A法。試驗條件為:輻照強度0.50W/ m2(340nm),黑板溫度65℃,箱體溫度40℃,相對濕度50%,噴水時間/不噴水時間18min/102min,連續光照;

        第二步:例如北京地區一年輻射總量為5609MJ/ m2,依據對比人工光源與自然陽光輻射光譜分布的國際準則CIE No 85 -1989(見表1,GB/T16422.1-1996《塑料實驗室光源曝露試驗方法第一部分:氙弧燈》中引用);其中紫外區與可見區部分(300nm-800nm)占62.2%,即3489MJ/m2。

        第三步:依據GB/T 16422.2-1996,340nm輻照強度為0.50 W/ m2時,紅外區與可見區部分  (300nm~800nm)輻照強度為550 W/m2;可計算出輻照時間為3489 X 106/550=6.344 X 106s,即1762h。依此計算方法,加速倍率約為5。由于自然老化并不是簡單的輻照強度的疊加,只有在確定陽光是引起材料破環的主要因素且不能用其他方法確定試驗時間時,才可以使用此計算方法模擬。

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        4 性能評價指標的選擇

        選擇性能評價指標主要從材料的用途及材料本身特性兩方面來考慮。

        4.1根據材料用途確定評價指標

        對于同樣的材料,由于其用途不同,可能選擇的評價指標也不同。例如,同樣是涂料,如果是用于裝飾,就必須重點考慮其外觀的變化。在GB/T 1766-1995《色漆和清漆涂層老化的評級》中,詳細規定了光澤度、顏色變化、粉化、泛金等各種外觀變化的評級方法。


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