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(yàn)。熒光紫外燈試驗(yàn)和氙燈試驗(yàn)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(yàn)是將高分子材料老化試驗(yàn)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(yàn)條件比自然環(huán)境嚴(yán)酷得多，可以在幾天或幾周時(shí)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(yàn)可在較短的時(shí)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(yàn)設(shè)備。熒光紫外燈試驗(yàn)和氙燈試驗(yàn)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(yàn)

紫外燈光老化試驗(yàn)是一種用人造光源來模擬太陽光的紫外波段，從而驗(yàn)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(yàn)方法。熒光紫外燈光老化試驗(yàn)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(shí)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(yàn)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(shí)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(yàn)。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(yàn)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(shí)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(yàn)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(yàn)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(yàn)箱進(jìn)行長時(shí)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(yàn)

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(yàn)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(yàn)箱給每一個(gè)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(yàn)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(yàn)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(yàn)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(gè)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(gè)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(gè)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(xiǎn)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(yàn)箱通常裝有300～400nm寬帶輻照度控制系統(tǒng)，用于檢測整個(gè)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(shí)必須在340nm和420nm點(diǎn)控或者300～400nm段控時(shí)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(shí)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(yàn)的一項(xiàng)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(yàn)箱和平板型氙燈試驗(yàn)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(yàn)箱和平板型氙燈試驗(yàn)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(yàn)箱有一個(gè)或兩個(gè)噴淋條和噴嘴，當(dāng)旋轉(zhuǎn)的樣品經(jīng)過時(shí)，可以向樣品的正反面同時(shí)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(yàn)箱內(nèi)，測試樣品被安裝在一個(gè)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(shí)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(yàn)環(huán)境效應(yīng)的對比

4.1 熱效應(yīng)

紫外光老化試驗(yàn)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(yàn)相比，氙燈試驗(yàn)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(yàn)的熱效應(yīng)具有方向性，并產(chǎn)生熱梯度。在氙燈試驗(yàn)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(yàn)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(yàn)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(yàn)方法和老化試驗(yàn)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(yàn)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(yàn)人員提供一定的光老化試驗(yàn)基礎(chǔ)理論指導(dǎo)和參考作用。