摘  要：測試抗老化和光穩(wěn)定性的最佳方法經(jīng)常引起爭論，近年來，各種各樣的測試光老化的方法都被運(yùn)用過，現(xiàn)在大部分研究者都使用Q-Sun氙燈、ATLAS氙燈或QUV熒光紫外燈來開展老化試驗。熒光紫外燈試驗和氙燈試驗的測試原理不同，對以上兩種測試的相關(guān)技術(shù)，包括光譜、輻照度控制和環(huán)境效應(yīng)等進(jìn)行了對比和分析，以期能夠給相關(guān)工作人員提供一定的理論指導(dǎo)和參考作用。

關(guān)鍵詞：熒光紫外燈；氙燈；光譜；輻照度控制；環(huán)境效應(yīng)

1 引  言

陽光和潮濕每年都會造成上億元的材料被破壞，氣候和陽光輻照是損害涂料、塑料、油墨和其他高分子材料的主要原因，這種損害包括使材料失光、褪色、黃變、開裂、脫皮、脆化、強(qiáng)度降低和分層。即使是室內(nèi)的光和通過玻璃窗投射的太陽光也都會使一些材料老化。氙燈能模擬完整的全太陽光光譜，包括紫外光、可見光和紅外光光譜。經(jīng)過過濾的氙燈是測試顏料、染料等產(chǎn)品的光穩(wěn)定性的*佳光源，可以模擬各種條件下的自然光，包括從大氣層外的太陽光到透過窗玻璃的日光。由于太陽光中的紫外光具備的光能與高分子化學(xué)鍵的鍵能相當(dāng)，能夠引起高分子化合物的斷裂，因而紫外光是導(dǎo)致高分子材料老化降解的主要因素。紫外光老化試驗是將高分子材料老化試驗樣品放置于紫外光場下進(jìn)行暴露。由于人工紫外加速老化試驗條件比自然環(huán)境嚴(yán)酷得多，可以在幾天或幾周時間內(nèi)模擬自然環(huán)境中幾年才能發(fā)生的老化損壞，因而通過紫外光老化試驗可在較短的時間內(nèi)獲得高分子材料的老化行為及規(guī)律。

近幾年來，各種各樣的測試光老化的方法都被運(yùn)用過，現(xiàn)在大部分研究者都使用Q-sun氙燈、ATLAS氙燈或QUV熒光紫外燈加速老化試驗設(shè)備。熒光紫外燈試驗和氙燈試驗的測試原理不同。

氙燈能夠很好地模擬太陽光的所有光譜，包括紫外線、可見光和紅外線，太陽光譜與5Q-Sun氙燈光譜和QUV熒光紫外燈光譜的比較情況如圖1所示，從圖1中可以明顯地看出，氙燈光譜在295～800nm范圍內(nèi)基本上與太陽光的光譜相吻合。

熒光紫外燈能夠很好地模擬太陽光中的紫外光譜。從圖1中可以看出，QUV熒光紫外燈的光譜幾乎沒有涵蓋長波段，因此不能用于模擬全光譜，但其能夠很好地模擬在紫外的短波區(qū)域內(nèi)的太陽光，即從365nm到低波段的太陽光。

圖1 太陽光譜與Q-Sun氙燈光譜和QUV熒光紫外燈光譜的比較

2 光紫外燈光老化試驗

紫外燈光老化試驗是一種用人造光源來模擬太陽光的紫外波段，從而驗證有機(jī)涂層、塑料和橡膠等高分子材料抗環(huán)境老化能力的試驗方法。熒光紫外燈光老化試驗可以分為光照、冷凝和噴淋3種模式。光照階段用于模擬自然環(huán)境中的白天，光照時可以控制光照強(qiáng)度；冷凝階段用于模擬夜晚樣品表面結(jié)露的現(xiàn)象，冷凝階段關(guān)閉熒光紫外燈（黑暗狀態(tài)），只控制試驗溫度和濕度；噴淋階段通過向樣品表面持續(xù)噴水模擬下雨的環(huán)境。

2.1 陽光模擬

QUV熒光紫外燈與普通用的照明燈比較類似，由圖1中可以看出它主要是發(fā)出紫外光，使用熒光紫外燈再現(xiàn)太陽光的老化作用。常見的有UVA-340、UVA-351和UVB-3133種燈管，所有類型的燈管都發(fā)出紫外光而不是紅外光或可見光。由于這些燈管發(fā)出的總能量和光譜分布不同，因而具體使用哪種燈管應(yīng)視應(yīng)用條件而定。

2.1.1 長波紫外燈（UVA燈）

UVA燈在發(fā)射300nm以下的光能低于總輸出光能的2%，在295nm的普通太陽光波長截止點(diǎn)以下幾乎沒有任何的紫外線輸出，它們通常不像短波紫外線破壞材料那么快，但它們比較接近真實的戶外老化。常見的有UVA-340、UVA-351兩種燈管。

UVA-340燈管的光譜分布和戶外太陽光的紫外波段相近（如圖2所示），一般用于常規(guī)戶外產(chǎn)品的光老化試驗。UVA-340燈管能發(fā)出從295～365nm之間的接近太陽光的光譜，它的輻射峰值是在340nm。UVA-340燈對不同試驗方法的測試對照具有較大的參考作用。

UVA-351燈管可以模擬透過玻璃窗戶的太陽光的紫外線部分，主要用于室內(nèi)產(chǎn)品的老化測試。

圖2 UVA-340光譜與正午太陽光譜比較

2.1.2 短波紫外燈（UVB型燈管）

短波紫外線燈輻射波長低于295nm的非自然短波紫外線，使材料腐蝕得較快，常見的有UVB-313燈管。

UVB-313燈管的條件最為嚴(yán)格，能產(chǎn)生較高強(qiáng)度的紫外線，它們能夠比UVA燈管更快地引起材料老化。UVB 燈管能夠利用紫外線的短波段達(dá)到快速加速老化的目的，對特別經(jīng)久耐用的材料的檢測非常有用。

以上各種類型紫外燈光譜與太陽光譜的對比情況如圖3所示。

圖3 紫外燈光譜與太陽光譜對比圖

2.2 輻照度控制

大多數(shù)型號的紫外老化設(shè)備都裝備有日光眼光強(qiáng)控制器，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。日光眼能依靠調(diào)整燈的功率來自動補(bǔ)償因燈管老化和其他因素造成的光強(qiáng)變化。

在紫外老化設(shè)備內(nèi)部，由于使用時間的增加、燈管的老化，光源輸出會發(fā)生衰減，設(shè)備可以靠著照度控制器繼續(xù)維持光強(qiáng)。由于熒光紫外燈固有的光譜穩(wěn)定性，光譜能量分布幾乎保持不變。如圖4所示，我們拿一根使用過2h和用了6500h的燈管進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)新燈管和舊燈管的光譜之間的差別很小，難以辨別。由此可知，紫外老化設(shè)備的日光眼控制系統(tǒng)在保持光譜穩(wěn)定性方面起到了至關(guān)重要的作用。

圖4 日光眼控制系統(tǒng)利用熒光燈的輸出功率改變來保持光譜的穩(wěn)定

2.3 潮濕模擬

QUV試驗箱測試室的水槽可以用來加熱產(chǎn)生水蒸氣，在相對較高的溫度下，熱蒸汽使測試室內(nèi)保持較高的相對濕度。室內(nèi)相對較冷的空氣使得試驗樣品表面溫度比測試室內(nèi)熱蒸汽溫度低，這一溫度差造成冷凝效應(yīng)，在樣品表面形成液態(tài)形式的水慢慢地凝結(jié)。使用QUV試驗箱進(jìn)行長時間的熱和冷凝循環(huán)過程來模擬戶外的潮濕現(xiàn)象，比使用濺水、浸水方法更有效。除了標(biāo)準(zhǔn)的冷凝效應(yīng)外，QUV還可以用水噴淋來模擬雨水的影響，潮濕循環(huán)和紫外線照射同步地進(jìn)行。

3 氙燈光老化試驗

氙燈能模擬完整的全太陽光光譜，包括紫外光、可見光和紅外光光譜。經(jīng)過過濾的氙燈是測試顏料、染料等產(chǎn)品的光穩(wěn)定性的*佳光源，可以模擬各種條件下的自然光，包括從大氣層外的太陽光到透過窗玻璃的日光。

3.1 光學(xué)過濾器

未經(jīng)濾光的氙燈會發(fā)射過多的短波紫外線，以致于不能很好地模擬地球表面的自然暴露。因此，氙燈試驗箱使用不同類型的過濾器來減少不必要的短波射線。過濾器的選擇取決于材料的使用環(huán)境。

平板型氙燈試驗箱給每一個氣冷氙燈配備了一塊或多塊平面玻璃過濾器。平板氙燈試驗箱中尤為常見的過淲器是日光過濾器，它可以產(chǎn)生非常類似于夏日正午陽光的光譜。窗玻璃過濾器可以模擬透過窗玻璃的太陽光譜，通常用于室內(nèi)產(chǎn)品的老化測試。

水冷轉(zhuǎn)鼓式氙燈試驗箱使用不同的過濾系統(tǒng)，包括圍繞氙燈放置的圓柱形內(nèi)外濾鏡。水冷轉(zhuǎn)鼓式試驗箱將可以產(chǎn)生類似的日光過濾組合的內(nèi)外濾鏡稱作硼硅酸鹽類玻璃/硼硅酸鹽類玻璃，用于模擬透過窗玻璃的過濾器則稱為硼硅酸鹽類玻璃/堿石灰玻璃。

這些過濾器最大的區(qū)別是短波紫外線傳輸和光譜的截止點(diǎn)不同。不同數(shù)量的短波紫外線可顯著地影響材料的降解速度和類型。以上各種類型過濾器的光譜與太陽光譜的對比如圖5所示。

圖5 各種類型過濾器光譜與太陽光譜對比圖

3.2 輻照度控制

理論上，光線強(qiáng)度可以在氙燈光譜的任意位置進(jìn)行監(jiān)控，但通常使用的只是為數(shù)不多的幾個波段，一般在材料尤為敏感的光譜區(qū)域進(jìn)行輻照度控制。氙燈輻照度傳感器有3種不同的型號，即：340、420、300～400nm，對應(yīng)于檢測不同波長的光的強(qiáng)度。如果測試材料主要是被短波紫外光破壞的話，則可用340nm點(diǎn)控傳感器進(jìn)行檢測；如果測試材料主要是被可見光破壞的話，則可用420nm點(diǎn)控傳感器進(jìn)行檢測；如果需檢測整個紫外線波段，一些標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范中建議使用300～400nm段控傳感器進(jìn)行檢測。

340nm的控制要求帶有一個裝有過濾器的紫外線傳感器，它只允許以340nm為中心的狹窄波段通過。340nm控制點(diǎn)廣泛地應(yīng)用于加速老化測試中，對于戶外耐久性產(chǎn)品的老化測試來說，短波紫外線區(qū)域具有危險性。340nm控制點(diǎn)對于涂料、塑料是理想的控制點(diǎn)，常用的輻照度控制點(diǎn)是0.55W/m2/nm@340nm。

420nm控制點(diǎn)一般與窗玻璃過濾器配套，用于材料室內(nèi)光穩(wěn)定性測試。該系統(tǒng)測試的對象，通常是那些主要由長波紫外線和可見光造成損壞的材料。420nm控制點(diǎn)對于針織品中的染料和色素是理想的控制點(diǎn)，室內(nèi)模擬最常見的輻照度控制點(diǎn)是1.10W/m2/nm@420nm。

平板型和旋轉(zhuǎn)鼓型試驗箱通常裝有300～400nm寬帶輻照度控制系統(tǒng)，用于檢測整個紫外線波段的輻照強(qiáng)度。室外模擬最常見的輻照度控制點(diǎn)是180W/m2/nm@300～400nm，室內(nèi)模擬常見的輻照度控制點(diǎn)是162W/m2/nm@300～400nm。

在氙燈測試系統(tǒng)內(nèi)，輻照度控制是非常重要的。由于氙燈本身的光譜穩(wěn)定性不如熒光紫外燈的好，氙燈的固有特點(diǎn)是燈管老化會使光譜發(fā)生漂移，需定期更換燈管來減少燈管老化造成的影響。同時必須在340nm和420nm點(diǎn)控或者300～400nm段控時候，在特定控制區(qū)域，光譜變化會減到最小。盡管燈管老化會引起光譜的漂移，但是在許多測試中證明氙燈是一種能切合實際的光源。一根新的氙燈和一根使用過1000h的氙燈的光譜對比情況如圖6所示，從圖6中可以看出，兩者之間有明顯的差異，除在控制點(diǎn)波長340nm的光強(qiáng)比較一致外，在其余長波段，隨著氙燈的老化，光譜會發(fā)生明顯的變化。

圖6 使用1000h后的氙燈和0h氙燈的光譜輸出對比

3.3 潮濕模擬

通過水噴淋和相對濕度控制系統(tǒng)來模擬潮濕的影響是氙燈試驗的一項重要特性。由于濕度會影響某些產(chǎn)品老化的速度，在許多測試標(biāo)準(zhǔn)中都要求控制相對濕度，旋轉(zhuǎn)鼓型氙燈試驗箱和平板型氙燈試驗箱都有相對濕度控制系統(tǒng)。除此之外，旋轉(zhuǎn)鼓型氙燈試驗箱和平板型氙燈試驗箱都可以通過噴淋水來模擬戶外潮濕的效果。旋轉(zhuǎn)鼓型試驗箱有一個或兩個噴淋條和噴嘴，當(dāng)旋轉(zhuǎn)的樣品經(jīng)過時，可以向樣品的正反面同時噴水。由于樣品接近垂直放置，在潮濕模擬階段結(jié)束，樣品可能在轉(zhuǎn)離噴淋位置后瀝干。在平板型試驗箱內(nèi)，測試樣品被安裝在一個水平傾斜5°的托盤上，噴淋水能均勻地噴灑到樣品表面。由于樣品放置時接近水平，所以水不會很快流走。

4 熒光紫外燈與氙燈光老化試驗環(huán)境效應(yīng)的對比

4.1 熱效應(yīng)

紫外光老化試驗中光源的波段為紫外線，其產(chǎn)生的環(huán)境效應(yīng)不包含熱效應(yīng)。

與紫外光老化試驗相比，氙燈試驗光源的波段為全光譜，包含紅外線，會產(chǎn)生熱效應(yīng)。與高溫產(chǎn)生的熱效應(yīng)不同，氙燈試驗的熱效應(yīng)具有方向性，并產(chǎn)生熱梯度。在氙燈試驗中，熱量的吸收或反射主要取決于被輻射表面的粗糙度和顏色。產(chǎn)生熱效應(yīng)的部分為0.78～3.0μm，此波段為紅外線波段。

4.2 光化學(xué)效應(yīng)

紫外光老化試驗對材料的破壞效應(yīng)十分顯著。紫外線部分波段非常狹窄，產(chǎn)生光化學(xué)效應(yīng)的部分波長范圍為0.28～0.78μm。

氙燈試驗中紫外線和可見光的光化學(xué)效應(yīng)能夠引起大多數(shù)高分子有機(jī)材料的光化學(xué)劣化。紫外線對某些橡膠和塑料的分子結(jié)構(gòu)中比較薄弱的鍵產(chǎn)生有害影響，使其彈性和塑性變化。可見光部分也能使有機(jī)涂層、紡織品等纖維褪色，使其物理性能變差。

5 結(jié)束語

目前，對許多制造商而言，產(chǎn)品的耐老化和耐光性是極為重要的，目前的老化試驗方法和老化試驗設(shè)備有很多選擇。隨著技術(shù)的進(jìn)步，大多數(shù)標(biāo)準(zhǔn)化組織，包括ISO、ASTM和SAE，都制定出了如ISO4892、ASTMG155和SAEJ2527等測試標(biāo)準(zhǔn)供參考。本文分析闡述了熒光紫外燈與氙燈光老化試驗的關(guān)鍵技術(shù)，包括光譜、輻照度控制和環(huán)境效應(yīng)等，希望能夠給試驗人員提供一定的光老化試驗基礎(chǔ)理論指導(dǎo)和參考作用。