淺析QUV和Q-SUN加速候測試方法的比較

測試的必要性

光照、高溫和潮濕是損害涂料、塑料、油墨及其它有機(jī)材料的主要原因，這種破壞力包括：失光、褪色、黃變、開裂、脫皮、脆化、拉伸力變?nèi)跫胺謱拥?。即使室?nèi)的光照及玻璃窗透射太陽光都會使一些材料發(fā)生老化，例如使顏料、染料等褪色或變色等。

對于多數(shù)制造商來說，生產(chǎn)的產(chǎn)品能夠耐老化且耐光是極其重要的。加速老化和光穩(wěn)定性測試設(shè)備被廣泛用于研究和開發(fā)、質(zhì)量控制和材料檢測，這些測試設(shè)備提供快速，并且可重復(fù)的測試結(jié)果。

兩種不同的方法

近年來，價格低廉且使用方便的實驗室測試設(shè)備已經(jīng)開發(fā)出來，包括?QUV?加速老化試驗機(jī)（符合?ASTM?G154?標(biāo)準(zhǔn)）和?Q-Sun?氙燈試驗箱（符合?ASTM?G155?標(biāo)準(zhǔn)）。

本文研究以上兩種測試設(shè)備工作原理的差別，包括光譜和潮濕模擬。還將討論每種測試設(shè)備的優(yōu)缺點，包括購買價格和運行成本。給出針對不同特殊材料或應(yīng)用，選擇哪種設(shè)備的建議。

圖1  太陽光光譜與?QUV ? 和?Q-Sun?光譜之間的比較。在短波紫外線區(qū)域，即從?365nm?到太陽光截止點，QUV?都能*地模擬太陽光。然而，對于更長的波長它將無能為力。Q-Sun? 模擬全光譜太陽光，它被用來測試對長波紫外線、可見光及紅外線較敏感的產(chǎn)品。

歷史觀點

很顯然，對許多產(chǎn)品來說，抗老化和光穩(wěn)定性是很重要的。測試的*方法經(jīng)常引發(fā)爭議。

幾年來，各種各樣的方法都被使用過。現(xiàn)在大部分研究者用自然暴露方法、QUV?加速老化試驗機(jī)或?Q-Sun? 氙燈試驗箱進(jìn)行測試。自然暴露測試方法有很多優(yōu)點：真實、便宜、易于操作。然而，大部分制造商不愿意等上幾年時間來觀察某種新的改良產(chǎn)品配方是否真的改進(jìn)了。

Q-Sun? 氙燈試驗箱和?QUV?紫外線加速老化試驗機(jī)。這兩種測試設(shè)備的測試原理*不同。氙燈試驗箱模擬全光譜太陽光，包括紫外線(UV)，可見光和紅外線(IR )。氙燈光譜在? 295nm?到?800nm?波長范圍內(nèi)基。

另一方面，QUV 并不試圖模擬全光譜太陽光，僅模擬太陽光中300nm?到?400nm?波段對材料的破壞作用。它基于的原理是，對暴露在戶外的經(jīng)久耐用的材料，短波紫外線是引起老化損害的zui主要的原因（如圖1所示）。

測試的*方法是什么？這個問題并不好回答。這要取決于您的測試需要，兩種方法可能都非常有效。您應(yīng)該根據(jù)被測產(chǎn)品或材料、zui終使用條件、您所考慮的降解模式和預(yù)算來選擇合適的測試設(shè)備。

為了弄清?Q-Sun和?QUV?之間的差別，有必要先來更詳細(xì)了解材料為什么會發(fā)生老化。

老化三要素：光照、高溫和潮濕

老化損害主要由三個因素引起：光照，高溫和潮濕。

這三個因素中的任一個都會引起材料老化。它們往往同時發(fā)生作用，造成的危害將大于

其中任一因素單獨作用所造成的。

光照

不同的材料對光的敏感性也不同。對于經(jīng)久耐用的材料，如大多數(shù)涂料、塑料、短波紫外線是引起大部分聚合物老化的原因。然而，對于不

是那么經(jīng)久耐用的材料，如某些顏料和染料，長波紫外線甚至可見光也會對其造成嚴(yán)重的危害。

高溫

當(dāng)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化學(xué)反應(yīng)，它卻影響后繼的化學(xué)反應(yīng)。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。

潮濕

露水、雨水及高濕度是引起潮濕危害的主要原因。我們的研究表明，放在戶外的產(chǎn)品每天都長時間處于潮濕狀態(tài)（平均每天?8 －12?個小時）。研究發(fā)現(xiàn)露水是戶外潮濕的主要原因。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，形成更為嚴(yán)重的潮濕吸收。

當(dāng)然，雨水對某些材料的危害也很大。雨水將引起熱沖擊，比如當(dāng)一輛汽車在一個炎熱夏日溫度升高卻突然因陣雨而急劇散熱，以上所說的雨水會產(chǎn)生應(yīng)力侵蝕。雨水沖刷引起的洗滌作用也會使材料發(fā)生老化，如木材涂層，因為表面老化層被沖刷，繼而暴露未老化的里層，進(jìn)而受到太陽光的進(jìn)一步老化。對于室內(nèi)材料，潮濕的主要作用往往是物理應(yīng)力。它因材料試圖與周圍保持潮濕平衡而引起。材料所經(jīng)受的濕氣越大，需要克服的應(yīng)力也越大。不僅室內(nèi)產(chǎn)品，如紡織品、油墨暴露于濕度形式的潮濕中，濕度也是戶外材料發(fā)生老化的一個重要因素。在戶外，環(huán)境相對濕度(RH)將影響潮濕材料變干的速度。

QUV 和?Q-Sun  以各自不同的方式來模擬光照、高溫和潮濕。

圖2 UVA-340? 燈管在短波紫外線波段可*模擬太陽光。

圖3 UV-B?燈管利用短波紫外線達(dá)到zui快加速老化的目的，對特別經(jīng)久耐用材料的測試或質(zhì)量控制非常有用。

QUV老化試驗機(jī)

QUV紫外線加速老化試驗箱利用熒光紫外燈管來模擬太陽光對耐久耐用材料的破壞作用。這些燈管在電學(xué)原理上與普通照明用的冷白燈管很相似，但它主要發(fā)射紫外光而非可見光或紅外光。

對于不同的zui終使用條件，需要不同光譜進(jìn)而需要不同類型的燈管。UVA-340 ? 燈管在短波紫外線波段可*模擬太陽光。UVA-340? 的光譜功率分布(SPD )在太陽光的截止點到大約?360nm?范圍內(nèi)與太陽光吻合地非常好（如圖?2? 所示）。

UV-B?燈管（如圖?3? 所示）在?QUV?中也被廣泛應(yīng)用。它們比UV-A?燈管引起的材料老化更快，但它們比太陽光截止點更短的波長對許多材料可能產(chǎn)生不切實際的結(jié)果。

圖4 QUV太陽眼輻照度控制

輻照度控制

為了達(dá)到且可重復(fù)的測試結(jié)果，有必要控制輻照度（光強(qiáng)）。大多數(shù)?QUV?型號裝備有太陽眼輻照度控制器，太陽眼靠調(diào)整燈管的功率來自動補(bǔ)償燈管老化以及其他因素造成的光強(qiáng)變化。圖4 顯示了輻照度控制系統(tǒng)的工作原理。

QUV 控制

在?QUV?紫外線加速老化試驗箱內(nèi)部，因熒光紫外燈管固有的光譜穩(wěn)定性，輻照度控制系統(tǒng)被簡化。隨著燈管的老化，所有光源的輸出都會發(fā)生衰減。然而，不像大多數(shù)其它類型的燈管，熒光燈管的光譜功率分布不會隨時間發(fā)生漂移。這提高了測試結(jié)果的可重復(fù)性，也是用?QUV?進(jìn)行測試的一個主要優(yōu)點。

圖5

圖?5? 所示為在有輻照度控制的?QUV?中燈管使用?2? 小時和?5600?小時之后的光譜之間的比較。新燈管和長時間使用的燈管光譜輸出之間的差別微乎其微。太陽眼輻照度控制器用來保持光強(qiáng)。另外，因為紫外燈管固有的光譜穩(wěn)定性，光譜功率分布幾乎保持不變。圖?6? 所示為相同數(shù)據(jù)之間的百分比差異。

除以上優(yōu)點外，太陽眼輻照度控制系統(tǒng)校準(zhǔn)方便，可溯源至?NIST ，并符合?ISO? 標(biāo)準(zhǔn)。

QUV潮濕模擬

QUV 一個zui大的優(yōu)點是，它能zui真實地模擬戶外潮濕侵蝕。在戶外，材料每天有12個小時處于潮濕狀態(tài)。因為潮濕主要是由露水引起的，QUV 用特殊的冷凝功能再現(xiàn)戶外露水潮濕。

在?QUV?冷凝循環(huán)過程中，測試室底部的水盤被加熱用來產(chǎn)生蒸汽。在較高溫度下，熱蒸汽使測試室內(nèi)保持?100%?的相對濕度。QUV ? 中，測試樣品實際上形成測試室的側(cè)壁，樣品的另一面暴露在室內(nèi)周圍的空氣中。室內(nèi)相對較冷的空氣使得測試樣品的表面比測試室內(nèi)的熱蒸汽的溫度低好幾度。

圖6 QUV?通過真實的、熱凝露系統(tǒng)來模擬戶外潮濕侵蝕。

在冷凝循環(huán)中，這一溫度差使熱蒸汽在樣品表面形成液態(tài)的冷凝水。(如圖?6 所示)。所形成的冷凝物是非常穩(wěn)定、純度很高的蒸餾水。這種高純度的蒸餾水增加了測試結(jié)果的可重復(fù)性，排除了水的玷污問題，并簡化了?QUV?的安裝和操作。

因為材料在戶外經(jīng)受潮濕侵蝕的時間很長，所以?QUV?紫外線加速老化試驗箱要達(dá)到相同的效果，冷凝循環(huán)過程至少需要?4?個小時。另外，冷凝過程是在一較高溫度（一般?50??C)下進(jìn)行的，這大大加速了潮濕的侵蝕。用?QUV?的長時間的熱凝結(jié)循環(huán)過程，來模擬戶外的潮濕現(xiàn)象比其他一些方法，比如水噴淋、潤濕或高濕度都好得多。

除了標(biāo)準(zhǔn)的冷凝功能，QUV?還可用水噴淋系統(tǒng)來模擬其它一些損害情況，比如熱沖擊或機(jī)械侵蝕。操作者可設(shè)定?QUV?交替運行冷凝和紫外光照循環(huán)，這一模擬與自然老化非常相似。

Q-SUN氙燈試驗箱

陽光模擬

氙燈試驗箱被認(rèn)為可模擬全光譜太陽光，因為它們可產(chǎn)生紫外線，可見光和紅外線。

氙燈光譜受兩個因素影響：濾光系統(tǒng)和光源穩(wěn)定性。

氙燈產(chǎn)生的光譜必須經(jīng)過濾來減少不必要的光譜成分。使用不同類型的玻璃過濾器可得到不同的光譜。過濾器的使用取決于被測材料和zui終使用條件。不同類型的過濾器產(chǎn)生短波紫外線的量不同，這將在很大程度上影響老化的速率和類型。ASTM? G155?中定義了三種類型經(jīng)常使用的過濾器：日光、窗玻璃和紫外延展過濾器。

圖7配備有日光過濾器的?Q-Sun? 光譜和太陽光譜之間的比較。日光過濾器通常被用來模擬戶外暴露。它們能模擬全光譜太陽光，并被推薦用來研究與自然老化之間的相關(guān)性。

圖8配備有窗玻璃過濾器的?Q-Sun? 光譜和透過玻璃的太陽光譜之間的比較。用來測試室內(nèi)光穩(wěn)定性，這種過濾器產(chǎn)生的光譜與透過玻璃的太陽光譜非常相似。這種光譜在模擬一般照明條件時也非常有用，因為它包含相同的有破壞作用的光譜。

圖9配備有紫外延展過濾器的?Q-Sun? 光譜和太陽光譜之間的比較。某些測試標(biāo)準(zhǔn)要求光譜包含短波紫外線，比太陽光截止點?295nm?還短的波長。Q/B? 過濾器提供這種光譜。盡管這種過濾器提供不切實際的短波紫外線，但它們往往提供更快的測試結(jié)果。

從圖7到圖9?展示了這些過濾器產(chǎn)生的光譜。日光、窗玻璃和紫外延展過濾器又分別有幾個不同的類型，詳細(xì)介紹請參考技術(shù)手冊?LX-5060。以下圖中也展示了從?295nm?到?400nm?之間的短波紫外線波段的光譜的放大圖。

輻照度控制

氙燈試驗箱一般裝備有輻照度控制系統(tǒng)。Q-Sun老化試驗箱使用的太陽眼系統(tǒng)如圖??所示。

在氙燈測試系統(tǒng)內(nèi)，輻照度控制非常重要，因為氙燈本身的光譜穩(wěn)定性不如熒光紫外線燈的好。圖11展示了一支新燈管和一支已使用過1500?小時的燈管的光譜之間的差異。很明顯，在長波段，光譜隨時間發(fā)生明顯的變化。然而，當(dāng)這些數(shù)據(jù)描繪為隨時間而變的百分比變化時(如圖12?所示)，在光譜的短波紫外線波段發(fā)生的相似的漂移也看起來很明顯。不過，控制器在?340nm?控制點對光譜的維持非常好。

因燈管老化而產(chǎn)生光譜變化是氙燈固有的特性。然而，有些方法可用來補(bǔ)償這一變化。例如，為了減少燈管老化的影響，可以更加頻繁的更換燈管。同時，在?340 ? nm或?420 ? nm利用傳感器來控制輻照度，那么在一個特定區(qū)域，光譜的變化量將達(dá)到zui小。

盡管燈管老化會引起光譜漂移，氙燈在抗老化和光穩(wěn)定性的測試中已被證明是一種合適的且實際的光源。除了以上優(yōu)點外，太陽眼系統(tǒng)使得校準(zhǔn)簡單，并符合?ISO? 標(biāo)準(zhǔn)且可溯源至?NIST 。輻照度校準(zhǔn)計和溫度計應(yīng)每年寄回Q-Lab?的?A2LA?校準(zhǔn)實驗室按照?ISO ?17025? 標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行校準(zhǔn)。

圖 11

圖 12

潮濕模擬

大多數(shù)氙燈試驗箱通過水噴淋或濕度控制系統(tǒng)來模擬潮濕的影響。水噴淋的局限性是當(dāng)溫度較低的水噴淋到溫度較高的被測樣品上，樣品的溫度也將隨之降低，這有可能減緩老化的速率。

然而，水噴淋在模擬熱沖擊和機(jī)械侵蝕方面做的相當(dāng)好。在氙燈測試系統(tǒng)中，為了防止水污染，使用高純度的水用于噴淋是必需的。

因為相對濕度會影響某些室內(nèi)產(chǎn)品(如一些紡織品或油墨)，發(fā)生老化的類型和速率，在許多測試標(biāo)準(zhǔn)中都建議控制相對濕度。Q-Sun?氙燈老化試驗箱可選配相對濕度控制功能。

實際考慮

當(dāng)然，無論測試設(shè)備如何有效，如果它的購買價格和運行成本太高的話，那它也沒有實際應(yīng)用價值。

這就是為什么購買價格、運行成本、維護(hù)費用是一些不容忽視的重要因素的原因。在考慮測試設(shè)備的優(yōu)點時也應(yīng)考慮到這些因素。

購買價格

一般而言，QUV?比?Q-Sun? 便宜得多。舉例來說，Q-Sun? 的價格可能是QUV?的?3? 倍，當(dāng)然還要取決于設(shè)備的測試容量和功能。

樣品容量

QUV/se?和?Q-Sun?Xe-1 的價格差不多，但它們的樣品容量相差很大。QUV?大約是?Q-Sun?Xe-1 容量的?5? 倍。QUV?的容量比?Q-Sun?Xe-3?的也大，Q-Sun?Xe-3?的樣品容量僅為?QUV?的?72%。

樣品安裝

QUV?的標(biāo)準(zhǔn)測試樣品架可安裝扁平的、相對較薄的測試板或樣品，盡管也會提供特殊樣品架以安裝某些類型的三維樣品。Q-Sun? 可用于測試多種類型的樣品。它除了可安裝平板樣品，還可安裝三維部件、試管及培養(yǎng)皿等。

易于操作和維護(hù)

QUV?和?Q-Sun? 的使用和維護(hù)都很方便。這兩種試驗設(shè)備都是全自動的，且能一天24小時，一周7 天連續(xù)工作。測試可根據(jù)設(shè)定在任何特定的時間停止。利用?Auto? Cal?系統(tǒng)和輻照度校準(zhǔn)儀來進(jìn)行校準(zhǔn)也很簡單。當(dāng)儀器自動測量燈管輸出從而自動調(diào)整控制面板上的控制系統(tǒng)時按下按鈕，校準(zhǔn)即完成。在此過程中，測試樣品和燈管均處于待機(jī)狀態(tài)。

Q-Sun? 氙燈試驗箱和?QUV紫外線加速老化試驗箱的設(shè)計都非常人性化。從Q-Sun? 的前門，QUV ? 兩側(cè)的翻蓋門，使得燈管和樣品的安裝都很容易。

維護(hù)費用

QUV和Q-Sun 的維護(hù)費用都較低。Q-Sun 每年更換燈管的費用比QUV/se 和QUV/spray 高的多。

Q-Sun  耗電也較多。另外，QUV/se 和?QUV/basic  可用一般的自來水，而?Q-Sun  要求用純的去離子水。

總之，QUV 每年的運行成本比?Q-Sun  少的多。