氙燈老化試驗機和紫外熒光老化機模擬太陽光透過汽車玻璃的老化效果對比

介紹

陽光是損壞暴露在戶外的材料的一個重要原因。陽光的波長越短，傷害越大。陽光中波長最短的是紫外線。雖然紫外線只占落在地球表面的太陽能總量的5%，但它幾乎會對暴露在戶外的耐用材料造成所有的損害。

玻璃像過濾器一樣過濾陽光。它對可見光基本上是透明的，但過濾掉了大部分紫外線。汽車玻璃是一種比普通窗戶玻璃更有效的過濾器，因此可以過濾掉更多有害的紫外線。然而，紫外線仍然是損壞汽車內(nèi)部材料的一個重要原因。

陽光的侵蝕只是老化的一個方面。對于許多材料來說，濕度和溫度可能更為重要。沒有一臺設(shè)備可以復(fù)制不同環(huán)境中的所有變量。因此，任何測試參數(shù)的選擇都有些武斷。加速測試結(jié)果總是相對的。即使是最精密的老化測試儀也應(yīng)被視為篩選設(shè)備。

陽光

圖1顯示了夏季陽光的光譜能量分布(SED)與冬季陽光的SED的對比。夏季陽光的低端紫外線截止波長為295納米。

從夏天到冬天，陽光的強度和光譜都有變化。最重要的是在冬季短波長紫外線輻射的損失。

陽光能量通常分為紅外光、可見光和紫外光。紅外線由可見紅光以外的波長組成(長于760納米)?？梢姽庠?00納米和760納米之間。紫外光由低于400 nm²的輻射組成。紫外線區(qū)域進一步細(xì)分為紫外線-A、紫外線-B和紫外線-C，如下所示。

光譜截止在評估加速曝光和自然曝光中的重要性

光化學(xué)降解是由光的光子破壞化學(xué)鍵引起的。對于每種類型的化學(xué)鍵，都有一個臨界波長的光，其能量足以引起反應(yīng)。任何波長短于閾值的光都可以打破這種結(jié)合，但更長波長的光不能打破這種結(jié)合——不管它們的強度(亮度)如何。這個概念對于理解光譜“截止”的重要性至關(guān)重要。

例如，如果一種特定的聚合物僅對低于295納米(太陽截止點)的紫外光敏感，它在戶外永遠(yuǎn)不會經(jīng)歷光化學(xué)退化。如果同樣的聚合物暴露在截止光譜為280納米的實驗室光源下，它將會變質(zhì)。正如將要顯示的，通過汽車玻璃過濾的太陽光的光譜截止約為315 nm。任何光譜包含短于315 nm波長的測試儀都不可避免地會導(dǎo)致一些在實際使用中看不到的劣化。正如Fischer所展示的，測試速度和準(zhǔn)確性往往是對立的。必須做出妥協(xié)。但是，使用光源的光譜截止值遠(yuǎn)低于材料目標(biāo)環(huán)境的光譜截止值的測試儀是很危險的。這是實驗室測試人員面臨的挑戰(zhàn)——在不對材料施加不自然應(yīng)力的情況下加速。

與夏季陽光直射相比，加速光源

兩種類型的加速老化測試儀廣泛用于預(yù)測老化損傷:氙燈老化試驗箱和熒光紫外老化箱?；⌒蜏y試儀試圖重現(xiàn)陽光的整個光譜。熒光測試人員并不試圖復(fù)制陽光，只是它的破壞性影響。它們將輸出限制在光譜的紫外線部分。

氙弧

1954年，德國首次將氙弧燈用于實驗室加速老化。一些型號的氙弧燈具有光監(jiān)控系統(tǒng)，以補償由于燈老化而不可避免的光輸出衰減。在檢查氙弧時，應(yīng)該理解兩個重要的概念。

1. 輻照度水平的影響-氙弧的常見輻照度設(shè)置為340 nm時0.35或0.55 W/m²。出于實用的原因，大多數(shù)非汽車用戶選擇0.35的設(shè)置。如圖2所示，0.55與夏天的陽光相比相當(dāng)不錯，但是0.35更像冬天的陽光。圖2顯示了帶有硼硅酸鹽濾光片的氙弧燈。

2. 濾光器的作用-氙弧需要濾光器的組合來減少不需要的輻射。最常見的是硼硅酸鹽內(nèi)外過濾器。這種在0.55輻照度水平下工作的組合可以用來模擬整個太陽光光譜。然而，它發(fā)出一些不現(xiàn)實的，280和295納米之間的短波長輻射。

汽車測試通常指定石英/硼硅酸鹽過濾器。這種組合允許更不現(xiàn)實的短波長紫外線攻擊樣本。圖3顯示了與夏季陽光相比的不同濾光器組合。

UVA-340熒光燈

UVA-340熒光燈于1987年推出，旨在增強熒光測試儀(ASTM G-53)和室外老化之間的相關(guān)性。圖4是UVA-340與氙弧燈和夏季陽光的對比圖。在太陽光的臨界短波紫外線部分，從大約365納米到295納米的太陽截止波長，UVA-340比氙弧更接近直接太陽光的再現(xiàn)。

玻璃對陽光的過濾作用

普通的窗玻璃-玻璃對可見光基本上是透明的，但過濾掉了太陽光中的大部分紫外線。波長越短，過濾效果越大。低于310納米的紫外線被普通的1/8英寸窗玻璃完全過濾掉(圖5)。

汽車玻璃

擋風(fēng)玻璃——汽車擋風(fēng)玻璃比較厚。它通常是有色的，并包含一層塑料以增強安全性。這增加了玻璃的過濾效率。圖6顯示了直射陽光與透過汽車擋風(fēng)玻璃的陽光(擴展到500 nm)的SED。擋風(fēng)玻璃截止約380納米。幾乎所有有害的紫外線都被擋風(fēng)玻璃過濾掉了。該數(shù)據(jù)與Robbins和Donald等人先前報道的數(shù)據(jù)一致。

側(cè)窗和后窗玻璃-用于側(cè)窗和后窗的汽車玻璃比擋風(fēng)玻璃薄。它的透光特性是不同的。圖7顯示了福特和通用汽車側(cè)窗和后窗的陽光直射對比。過濾掉最少紫外線(即具有較佳透射率)的玻璃在約315 nm處截止。

與實驗室光源相比，通過汽車類測量太陽光

用于下面比較的汽車玻璃是過濾掉最少量紫外線的玻璃。它可以被認(rèn)為是“最壞情況”的汽車玻璃。

封閉式碳弧

自1918年以來，封閉式碳弧一直用于實驗室氣候和耐光性測試。一些測試方法仍然需要使用它。

封閉碳弧的UV光譜主要由兩個非常大的能量尖峰組成，在350 nm以下幾乎沒有輸出。圖8將封閉的碳弧與透過汽車玻璃過濾的陽光進行了比較。由于最短的紫外線波長是最具破壞性的，封閉的碳弧對大多數(shù)材料的測試非常慢，對短波長紫外線敏感的材料的相關(guān)性很差。

陽光碳弧

自1933年以來，陽光碳弧一直用于實驗室老化。

陽光碳弧光譜最嚴(yán)重的問題在于短波。這種碳弧發(fā)出低至(有時低于)260納米的大量UVC能量。這遠(yuǎn)低于汽車玻璃后截止點315 nm，與實際汽車內(nèi)部暴露相比，可能會導(dǎo)致不真實的結(jié)果。圖9顯示了陽光碳弧(使用Corex D過濾器)與透過汽車玻璃的陽光的對比。

氙弧燈

目前用于紡織品和軟裝飾的汽車測試方法規(guī)定了氙弧，石英/硼硅酸鹽濾光器組合在340 nm下以0.55 W/m²運行。圖10顯示了透過汽車玻璃的陽光與氙弧燈的對比。如圖所示，氙燈的短波長截止約為280納米。透過汽車玻璃的陽光在315納米處被切斷。

UVA-351熒光燈

UVA-351用于熒光紫外線老化測試。圖11顯示了透過汽車玻璃的陽光與UVA-351的對比。這種燈在大約305 nm處具有短的截止端。雖然這略低于透過玻璃的陽光的315 nm截止波長，但UVA-351是透過玻璃的陽光的良好模擬。

結(jié)論

關(guān)于實驗室和自然照射之間的相關(guān)性，可能永遠(yuǎn)會有爭議。使用短波長紫外線的實驗室光源提供了很大的加速度，但并不總是精確的。但是當(dāng)他們錯了，他們通常是錯誤的。相反，消除低于使用環(huán)境的光譜截止波長的光源將給出更準(zhǔn)確的結(jié)果。但是增加真實感的代價是加速度的降低。用戶(或指定者)必須教育自己做出選擇。