氙燈老化試驗(yàn)機(jī)和紫外熒光老化機(jī)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(qiáng)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)。可見光在400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(jìn)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(qiáng)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(diǎn))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(shí)驗(yàn)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(shí)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(shí)驗(yàn)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(yàn)箱和熒光紫外老化箱。弧型測試儀試圖重現(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(shí)驗(yàn)室加速老化。一些型號的氙弧燈具有光監(jiān)控系統(tǒng)，以補(bǔ)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(shí)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(shí)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(shí)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(qiáng)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(qiáng)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(kuò)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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(jìn)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(shí)驗(yàn)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(diǎn)315 nm，與實(shí)際汽車內(nèi)部暴露相比，可能會導(dǎo)致不真實(shí)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(yùn)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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(shí)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。