高輻照度紫外光照/冷凝設(shè)備提供更快的加速老化測試結(jié)果

耐候性是戶外涂料的一個必要性能。因為戶外暴露試驗時間長，所以實驗室加速測試被廣泛應(yīng)用于此行業(yè)。其中最常用的實驗室加速老化測試設(shè)備，是符合ASTM G154標(biāo)準(zhǔn)的紫外/冷凝設(shè)備，也就是通常所說的QUV。 QUV紫外光老化試驗箱中，在一定溫度條件下，測試樣品被反復(fù)暴露在紫外光照和冷凝的交替循環(huán)中。此前，只是熒光紫外燈管、紫外和冷凝暴露多長時間及暴露溫度等測試條件的選擇。本文探討了QUV老化試驗機的改進(jìn)：光強輸出的精確控制和更高輻照度。所列數(shù)據(jù)是幾種常見的聚合物在較高的輻照度條件下的加速老化測試結(jié)果。

輻照度控制系統(tǒng)

輻照度控制系統(tǒng)，市場上稱“太陽眼”，包括一個可編程的控制器，連續(xù)監(jiān)控四個安裝在測試樣板面上傳感器測得的紫外線強度。一個四通道反饋回路系統(tǒng)通過調(diào)整紫外燈管的輸出功率以控制所設(shè)定的輻照度。該輻照度可被

調(diào)整成不同的強度以適應(yīng)不同的應(yīng)用條件。圖1是輻照度控制系統(tǒng)如何工作的示意圖。

太陽眼輻照度控制系統(tǒng)示意圖

每個傳感器監(jiān)控兩根燈管的強度。操作者定期對每個傳感器進(jìn)行單獨校準(zhǔn)。該校準(zhǔn)可溯源至美國國家標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)協(xié)會(NIST)，符合ISO 9000的要求。

之前的數(shù)據(jù) 2 已表明，太陽眼控制系統(tǒng)在很大程度上消除了紫外線強度的差異，因而大大降低了測試結(jié)果的差異。

高輻照度產(chǎn)生更快結(jié)果

可編程的自動輻照度控制系統(tǒng)允許操作者，選擇一個比標(biāo)準(zhǔn)輻照度高的輻照度進(jìn)行紫外線暴露測試。對于許多材料，這將加快降解進(jìn)程，因而縮短了測試時間。

普遍認(rèn)為?UVA-340 燈管比?UVB-313 燈管能更真實地模擬太陽光 3,4 。自推出以來，大多數(shù)塑料行業(yè)已換用UVA-340燈管，因為它能給出更切合實際的結(jié)果。然而，盡管UV-B 管燈有其不足之處，但由于能給出更快的結(jié)果，很多涂料研究人員仍繼續(xù)使用它們。應(yīng)用可編程控制器，現(xiàn)在在更高的輻照度水平下，使用UVA-340燈管可以加快測試進(jìn)程。圖2顯示了UVA-340 燈管在不同輻照度水平下與太陽光光譜的比較。

建議最大輻照度不超過典型?G154 輻照度的 1.75倍。即使燈管在最大功率時能夠有更高的輻照度水平，也不建議在高于正常情況1.75倍的輻照度水平下進(jìn)行試驗。必須留有一部分功率用于維持現(xiàn)有的設(shè)定值和解決一些諸如因燈管老化和其他因素等引起的輻照度降低的問題。應(yīng)該指出的是，在高于正常輻照度下使用燈管，其有效使用壽命將會縮短。

?不同聚合物的暴露結(jié)果

為了確定增大輻照度對降解速率的影響, 15 種不同的涂料和塑料樣品，在裝有自動輻照度控制的太陽眼系統(tǒng)的QUV/se 中分別以正常輻照度和高輻照度進(jìn)行暴露試驗。

暴露條件是：UVA-340燈管，只進(jìn)行光照(100%?)紫外線照射，沒有潮濕，無黑暗時間),50°C。輻照度水平分別為0.83和1.35W/m²/nm@340nm，其結(jié)果見圖3到圖17所示?？偨Y(jié)見表1。

表1測試材料

15種材料中的9種，增大輻照度會導(dǎo)致降解速率增大。雖然輻照度大約增強60%，但并不是所有材料降解速率的增大值都相同。

應(yīng)該指出的是，這些暴露不包括潮濕和黑暗時間，因此，在評估測試結(jié)果時，沒有考慮潮濕的影響和/或任何黑暗時間降解的影響。

潮濕的影響

對于對潮濕比較敏感的材料，當(dāng)在紫外循環(huán)中加入潮濕影響時, 可能產(chǎn)生更快的加速老化。另外，一些材料由于潮濕的存在可能有完全不同的老化方式。為了對此進(jìn)行測試，在4種不同的情況下對材料進(jìn)行暴露測試。

100% 紫外光照循環(huán) (50℃)

紫外光照 + 潮濕循環(huán) (50°C下4小時紫外光照，與50°C下4小時冷凝交替循環(huán))

紫外光照 + 黑暗/干燥 循環(huán) (50°C下4小時紫外光照，與50°C下4小時黑暗交替循環(huán)

潮濕 + 黑暗/干燥 循環(huán) (50°C下4小時黑暗/干燥，與50°C下4小時冷凝交替循環(huán))

對于藍(lán)色乙烯薄膜，紫外光照+潮濕循環(huán)使材料降解的最快。盡管100%的紫外光照循環(huán)對材料的暴露是紫外光照+潮濕循環(huán)中紫外輻照量的兩倍，其老化結(jié)果并不嚴(yán)重。

潮濕對聚氨酯的影響更大。再次指出，雖然紫外光照+潮濕循環(huán)對材料的紫外輻照量僅是100%紫外光照循環(huán)的一半，其降解速率卻要快得多。

有時潮濕不但影響降解速度，還影響降解類型，這體現(xiàn)在圖20中。這種情況下，紫外光照+潮濕循環(huán)中的老化結(jié)果與只有光照循環(huán)的結(jié)果非常不同。

暴露持續(xù)時間和測量時間間隔

一般情況下，暴露應(yīng)該進(jìn)行到材料完全失效為止。這是因為任意兩個暴露的降解速率之間的感官差異，按照不同的分析方法可能有所不同。

圖21顯示了以預(yù)期降解水平(在本例中，是發(fā)生黃變)進(jìn)行暴露試驗會引起混淆。如果在delta b的值達(dá)到8后終止暴露，較高輻照度的暴露將會加快48%。如果在delta b的值達(dá)到34后終止暴露，較高輻照度將只加快32%。只有進(jìn)行該試驗直到材料完全失效，才能完整地確定兩個暴露之間的關(guān)系。

圖22顯示了前面圖中用到的相同數(shù)據(jù)。然而，在這里，該暴露是在一個預(yù)定的時間后進(jìn)行分析的。如果在500小時比較這兩個暴露，其差值為100%。如果在1000小時比較，其差值為22%。

一個更加生動的例子，如圖23所示。經(jīng)過1000小時的暴露，暴露結(jié)果并沒有差別。然而，1500小時，就有一個18比1的差別。這是因為輻照度較低的試驗在樣品完全失效前就已經(jīng)終止了，無法知道兩個暴露之間的實際關(guān)系。

這些例子也說明了為什么要在暴露期間每隔一定間隔測量降解速率，而不只是在預(yù)定時間都結(jié)束后才進(jìn)行測量評估。

綜述和結(jié)論

采用高輻照度暴露，作為一種實驗室加速老化測試的方法是當(dāng)前的一個熱點。一個達(dá)到較高輻照度，通過可編程自動控制系統(tǒng)，現(xiàn)在已經(jīng)可以在QUV/se老化試驗機中實現(xiàn)。這個系統(tǒng)地設(shè)計是用來在整個暴露試驗中維持一個精確的紫外線輻照度水平。利用這個系統(tǒng)，操作者可以在標(biāo)準(zhǔn)QUV設(shè)備的輻照度到1.75倍輻照度水平之間進(jìn)行選擇。

多種材料的實驗室加速老化數(shù)據(jù)表明，一部分材料，在QUV/se中暴露在高輻照度水平下，能夠快速降解。對于這些材料，應(yīng)用較高輻照度可以減少試驗時間。

但是對于某些材料，潮濕或者溫度可能在降解中起到關(guān)鍵性作用。15種被測材料中有5種，測試周期中的潮濕提高了黃變或失光的速率。此外，試驗表明輻照度、潮濕、黑暗周期和溫度往往共同發(fā)生作用。

應(yīng)用高輻照度來減少試驗時間是一種很有發(fā)展前途的技術(shù)。但是，也可能對實驗室和戶外測試所得結(jié)果之間的相關(guān)性有不利影響。