氙燈老化箱和紫外老化箱的比較分析

氣候和陽光輻照是損害涂料、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、開裂、脫皮、脆化、強度降低及分層。即使是室內的光及通過玻璃窗透射的太陽光也都會使一些材料老化，比如引起顏料、染料等褪色或變色。
   對許多制造商而言，產品的耐老化和耐光性是極其重要的。加速檢測老化和光穩定性的設備被廣泛用于研究開發、質量、控制和材料檢定，這些檢測設備提供快速并且可重復的測試結果。近年來，低價位且使用方便的實驗室檢測設備已經開發出來，包括QUV紫外加速老化設備符合ASTMG154）Q-Sun氙燈試驗箱符合ASTMG155。
   測試抗老化和光穩定性的*方法經常引起爭論。幾年來，各種各樣的方法都被應用過，現在大部分研究者使用自然曝露方法,Q-Sun氙弧燈或QUV加速老化試驗設備。自然曝露測試方法有很多優點，實際、便宜、易于操作，然而大部分制造商不愿意等上幾年的時間來觀察一種新的改良的產品設計是否真的得到改進。
   Q-Sun氙弧燈試驗箱和QUV紫外加速老化試驗箱是應用zui廣泛的加速老化檢測設備，這兩種檢測設備的測試原理*不同。Q-Sun氙燈試驗箱模擬太陽光的所有光譜，包括紫外線（UV）、可見光和紅外線（IR），氙燈光譜在295nm到800nm范圍內基本上與太陽光的光譜相吻合（如圖1所示）。Q-Sun被用來測試許多產品，這些產品對紫外線的長波段、可見光及紅外線較敏感。
  QUV不能模擬全光譜太陽光。它的原理是，對于曝露在室外的經久耐用的材料，紫外線的短波段300~400nm是引起老化損害的zui主要原因（如圖1所示）。從中可以看出，在紫外線的短波區域，即從365nm到太陽光的zui低波段，QUV能很好地模擬太陽光，然而，對于長一點的波長它將無能為力。
  測試的*方法依賴于測試需要，每種方法都可能非常有效。應該根據被測產品或材料、zui終的應用條件、所考慮的降解模式和預算來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個因素中的任何一個都會引起材料的老化損害，但它們往往同時發生作用，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。對于經久耐用的材料，如大多數涂料、塑料，紫外線的短波段是引起大部分聚合物老化的原因。然而，對于不是那么經久耐用的材料，比如一些顏料和染料，紫外線的長波段甚至可見光也會使其產生嚴重的老化。
   1.2高溫
  當溫度升高時，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反應。實驗室老化測試必須提供的溫度控制，通常還通過升溫的方法來加速老化過程。
   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時間（平均每天8-12h處于潮濕狀態。研究發現，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，因為它附著在材料上的時間更長，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突然因陣雨而急劇降溫，就會產生沖擊現象。雨水沖刷引起的機械侵蝕也會加速材料發生老化，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光下，從而產生進一步老化。

近年來，人們越來越關心涂料中顏料的耐候老化性能。當室外涂料受到大氣條件下光照、溫度、潮濕等因素的影響，會產生褪色、色遷移、色強度變化等老化現象。自然戶外曝曬[1]和加速老化試驗箱是測試材料耐候老化性能的主要方法。國內外涂料行業長期開展了戶外大氣老化測試。國內在海南、廣州、敦煌等地都有規模不等的戶外曝曬場，上通常作為基準曝曬地點的有美國的佛羅里達和亞利桑那、澳大利亞的阿倫加(Allunga)等。戶外曝曬測試有很多優點，如真實、便宜、易于操作等。戶外曝曬的測試時間相對較長，所以有必要進行試驗室加速老化測試。在加速老化測試方面，除少數的日本企業仍沿用碳弧燈外，主要的測試方法有紫外光照和氙燈兩種。然而，氙燈加速老化試驗箱不能模擬所有的老化參數，而且有一些測試變量容易引起錯誤的試驗結果，從而導致錯誤的結論。但是可以利用戶外曝曬的結果作為參考來檢驗加速老化測試的真實性，從后使得加速老化試驗更具有實際使用價值。

    1試驗目的

    本文試驗目的是比較自然戶外曝曬與氙燈試驗室加速老化測試方法[2]之間的結果，并通過試驗數據及數學計算，找出兩者之間的對應關系。

    2兩種測試方法簡介

    2.1Allunga自然戶外曝曬

    本文所做研究的自然戶外曝曬在澳大利亞的Allunga(緯度19°，南半球)進行，樣品架朝北，與水平面之間的夾角為19°。曝曬時間為24個月，并在不同時間段取出樣品，測試它們的顏色變化。測試樣品架及曝曬場如圖1所示。測試期間2007年及2008年的氣候條件如表1所示。

[表12007及2008年度Allunga的氣候情況]

表12007及2008年度Allunga的氣候情況

[圖1Allunga戶外曝曬場]

圖1Allunga戶外曝曬場

    2.2Q-Sun試驗室加速測試

    2.2.1氙燈試驗箱的老化原理

    氙燈試驗箱可以模擬全光譜太陽光，包括紫外線、可見光和紅外線。其優點是1a中任何時候都有重現性，快速，它是與日光源zui接近的人工光源。氙燈產生的光譜必須經過過濾來減少不需要的光譜成分。使用不同類型的玻璃過濾器可得到不同的光譜。有經常使用的3種類型過濾器：日光、窗玻璃和紫外延伸過濾器。本次試驗中，采用日光過濾器，圖2顯示了這種過濾器產生的光譜，同時也顯示了295??400nm的紫外線短波段的光譜圖。可以看出該光譜較好地模擬了太陽光譜。大多數氙燈檢測設備通過水噴淋或濕度控制系統來模擬濕度的影響。水噴淋可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，試驗用高純度的去離子水。氙燈試驗箱的工作示意圖如圖3所示。

[圖2配備有日光過濾器的Q-Sun光譜和太陽光譜之間的比較]

圖2配備有日光過濾器的Q-Sun光譜和太陽光譜之間的比較

[圖2配備有日光過濾器的Q-Sun光譜和太陽光譜之間的比較]

圖2配備有日光過濾器的Q-Sun光譜和太陽光譜之間的比較
 

    2.2.2氙燈試驗箱測試條件

    按照表2測試條件對測試樣板進行曝曬，同樣在不同時間段取出待測樣板，觀察它們的顏色變化。

    2.3樣板制備及評估方法

    將待檢測的COLORTREND??1、2、3、4、5、6#共6種不同的建筑涂料用色漿，按一定的比例加入到標準檢測用平光外墻涂料中，使之達到1/25顏色標準深度。在震蕩機上震蕩3min混勻，在預涂了底漆的鋁板上用100μm線棒涂布2道。在室溫放置5d后進行曝曬試驗。每種顏色的同一試驗各制備4塊樣板，3塊投入試驗，1塊作為標準板室內放置。自然戶外曝曬共24個月，在6個月、9個月、12個月、18個月、24個月各評估一次；氙燈試驗室加速測試按表2試驗條件運行2000h，樣板評估間隔周期為500h。用分光光度計在D65標準光源下與標準板對比檢測顏色，記錄色差DE值。目測涂膜表面是否有失光、粉化、開裂、脫落及斑點等現象[3]。本試驗中使用了高耐候的平光外墻涂料，經2000h氙燈及24個月自然曝曬，涂膜表面均無失光、粉化、開裂、脫落及斑點等現象，不影響顏色評判。

    3戶外曝曬與氙燈試驗室加速測試之間的比較

    根據所得評估結果的數據，分別計算了自然戶外曝曬與氙燈試驗室加速測試方法之間的相關系數rs[4](spearman)。該相關系數指的是利用兩種不同的測試方法對一組樣品進行測試，所得試驗結果之間的相關性。

    相關系數rs的計算公式為其中，n是樣品的個數，di是兩列排序中每一組排位數之間的差值。rs越接近于1，相關性越好。通過以上方法求出自然戶外曝曬與氙燈試驗室加速老化測試結果之間的相關系數，并對試驗數據進行評估，解決大家通常比較關心的問題——對于不同顏料類型，如果試驗室加速測試與戶外曝曬結果的相關性足夠好，那么在氙燈試驗箱中測試多少小時相當于在戶外曝曬多少個月的結果。6種樣品在戶外曝曬的顏色變化(DE)的值如圖4所示。氙燈試驗室加速測試的顏色變化(DE)的值如圖5所示。觀察圖4、圖5的數據，可以看出，不管是戶外曝曬還是氙燈加速測試，每種樣品的顏色均發生變化，而且隨著試驗時間的增長，DE的值都在增加。在計算氙燈測試2000h相當于戶外曝曬多少個月之前，我們需要知道它們之間的相關性如何。只有在相關性好的情況下，計算氙燈測試2000h相當于戶外曝曬多少個月才有意義。

    由2/[n(n2-1)]計算，得出Allunga自然戶外曝曬與氙燈試驗室加速測試之間的相關系數。以500h氙燈與6個月自然曝曬之間的相關性為例，相關系數rs的計算方法如表3。

[表2氙燈實驗室加速測試程序參數]

表2氙燈實驗室加速測試程序參數

    表3500h氙燈與6個月自然曝曬顏色變化DE排序表

[表3500h氙燈與6個月自然曝曬顏色變化DE排序表]

表3500h氙燈與6個月自然曝曬顏色變化DE排序表

    依據公式rs=1-6×[(1-1)2+(6-6)2+(4-5)2+(3-2)2+(5-4)2+(2-3)2]/6×(62-1)

    則rs=0.89

    所有相關系數的數值如表4所示。

    從表4可以看出，Allunga戶外曝曬6個月、9個月、12個月、18個月、24個月的結果與氙燈試驗箱500h、1000h、1500h、2000h各時間段的相關性都比較好。

    根據圖4、圖5的顏色變化數據可知，在氙弧燈試驗箱中測試2000h，其樣品的顏色變化沒有戶外曝曬24個月的顏色變化大。我們以在氙弧燈試驗箱中測試1000h、1500h、2000h樣品發生的顏色變化為基準，計算每種樣品在氙弧燈試驗箱中測試1000h、1500h、2000h分別相當于戶外曝曬多少個月，然后取其算術平均值。通過計算，其對應關系如表5所示。

[圖4自然爆曬后樣品的顏色變化]

圖4自然爆曬后樣品的顏色變化

[圖5氙燈試驗室加速測試的顏色變化]

圖5氙燈試驗室加速測試的顏色變化

    表4Allunga自然戶外曝曬與氙燈實驗室加速測試之間的相關系數

[表4Allunga自然戶外曝曬與氙燈實驗室加速測試之間的相關系數]

表4Allunga自然戶外曝曬與氙燈實驗室加速測試之間的相關系數
 

[表llunga自然戶外曝曬]

表llunga自然戶外曝曬

    4結論

    戶外測試是試驗室加速老化測試的基礎。通過本文研究，我們認為兩者試驗數據間有一定的關聯性。我們也進一步認識到積極開展戶外老化測試，并用以指導試驗室加速測試的重要性。當然兩者之間的對應關系會因戶外測試的地理位置、氣候變化、底材種類的變化等而有所不同。更重要的是顏料與涂料作為一個整體進行試驗。不同的涂料體系會得到不同的結果。如果涂料體系、顏料類型、或顏料含量等任意一項發生改變，我們只能對zui終結果作推測。因為這些改變可能對zui終結果產生較大的影響。