淺析QUV和Q-SUN加速候測(cè)試方法的比較

測(cè)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(kāi)裂、脫皮、脆化、拉伸力變?nèi)跫胺謱拥取＜词故覂?nèi)的光照及玻璃窗透射太陽(yáng)光都會(huì)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(duì)于多數(shù)制造商來(lái)說(shuō)，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(cè)試設(shè)備被廣泛用于研究和開(kāi)發(fā)、質(zhì)量控制和材料檢測(cè)，這些測(cè)試設(shè)備提供快速，并且可重復(fù)的測(cè)試結(jié)果。

兩種不同的方法

近年來(lái)，價(jià)格低廉且使用方便的實(shí)驗(yàn)室測(cè)試設(shè)備已經(jīng)開(kāi)發(fā)出來(lái)，包括?QUV?加速老化試驗(yàn)機(jī)（符合?ASTM?G154?標(biāo)準(zhǔn)）和?Q-Sun?氙燈試驗(yàn)箱（符合?ASTM?G155?標(biāo)準(zhǔn)）。

本文研究以上兩種測(cè)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(cè)試設(shè)備的優(yōu)缺點(diǎn)，包括購(gòu)買(mǎi)價(jià)格和運(yùn)行成本。給出針對(duì)不同特殊材料或應(yīng)用，選擇哪種設(shè)備的建議。

圖1  太陽(yáng)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(yáng)光截止點(diǎn)，QUV?都能*地模擬太陽(yáng)光。然而，對(duì)于更長(zhǎng)的波長(zhǎng)它將無(wú)能為力。Q-Sun? 模擬全光譜太陽(yáng)光，它被用來(lái)測(cè)試對(duì)長(zhǎng)波紫外線、可見(jiàn)光及紅外線較敏感的產(chǎn)品。

歷史觀點(diǎn)

很顯然，對(duì)許多產(chǎn)品來(lái)說(shuō)，抗老化和光穩(wěn)定性是很重要的。測(cè)試的*方法經(jīng)常引發(fā)爭(zhēng)議。

幾年來(lái)，各種各樣的方法都被使用過(guò)。現(xiàn)在大部分研究者用自然暴露方法、QUV?加速老化試驗(yàn)機(jī)或?Q-Sun? 氙燈試驗(yàn)箱進(jìn)行測(cè)試。自然暴露測(cè)試方法有很多優(yōu)點(diǎn)：真實(shí)、便宜、易于操作。然而，大部分制造商不愿意等上幾年時(shí)間來(lái)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(yàn)箱和?QUV?紫外線加速老化試驗(yàn)機(jī)。這兩種測(cè)試設(shè)備的測(cè)試原理*不同。氙燈試驗(yàn)箱模擬全光譜太陽(yáng)光，包括紫外線(UV)，可見(jiàn)光和紅外線(IR )。氙燈光譜在? 295nm?到?800nm?波長(zhǎng)范圍內(nèi)基。

另一方面，QUV 并不試圖模擬全光譜太陽(yáng)光，僅模擬太陽(yáng)光中300nm?到?400nm?波段對(duì)材料的破壞作用。它基于的原理是，對(duì)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(cè)試的*方法是什么？這個(gè)問(wèn)題并不好回答。這要取決于您的測(cè)試需要，兩種方法可能都非常有效。您應(yīng)該根據(jù)被測(cè)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(lái)選擇合適的測(cè)試設(shè)備。

為了弄清?Q-Sun和?QUV?之間的差別，有必要先來(lái)更詳細(xì)了解材料為什么會(huì)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(gè)因素引起：光照，高溫和潮濕。

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

其中任一因素單獨(dú)作用所造成的。

光照

不同的材料對(duì)光的敏感性也不同。對(duì)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(duì)于不

是那么經(jīng)久耐用的材料，如某些顏料和染料，長(zhǎng)波紫外線甚至可見(jiàn)光也會(huì)對(duì)其造成嚴(yán)重的危害。

高溫

當(dāng)溫度升高時(shí)，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(shí)驗(yàn)室老化測(cè)試必須提供的溫度控制，通常還通過(guò)升溫的方法來(lái)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(zhǎng)時(shí)間處于潮濕狀態(tài)（平均每天?8 －12?個(gè)小時(shí)）。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?yàn)樗街诓牧仙系臅r(shí)間更長(zhǎng)，形成更為嚴(yán)重的潮濕吸收。

當(dāng)然，雨水對(duì)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(gè)炎熱夏日溫度升高卻突然因陣雨而急劇散熱，以上所說(shuō)的雨水會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力侵蝕。雨水沖刷引起的洗滌作用也會(huì)使材料發(fā)生老化，如木材涂層，因?yàn)楸砻胬匣瘜颖粵_刷，繼而暴露未老化的里層，進(jìn)而受到太陽(yáng)光的進(jìn)一步老化。對(duì)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(gè)重要因素。在戶外，環(huán)境相對(duì)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(lái)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(yáng)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(duì)特別經(jīng)久耐用材料的測(cè)試或質(zhì)量控制非常有用。

QUV老化試驗(yàn)機(jī)

QUV紫外線加速老化試驗(yàn)箱利用熒光紫外燈管來(lái)模擬太陽(yáng)光對(duì)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(jiàn)光或紅外光。

對(duì)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(yáng)光。UVA-340? 的光譜功率分布(SPD )在太陽(yáng)光的截止點(diǎn)到大約?360nm?范圍內(nèi)與太陽(yáng)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(yáng)光截止點(diǎn)更短的波長(zhǎng)對(duì)許多材料可能產(chǎn)生不切實(shí)際的結(jié)果。

圖4 QUV太陽(yáng)眼輻照度控制

輻照度控制

為了達(dá)到且可重復(fù)的測(cè)試結(jié)果，有必要控制輻照度（光強(qiáng)）。大多數(shù)?QUV?型號(hào)裝備有太陽(yáng)眼輻照度控制器，太陽(yáng)眼靠調(diào)整燈管的功率來(lái)自動(dòng)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(yàn)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(jiǎn)化。隨著燈管的老化，所有光源的輸出都會(huì)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(huì)隨時(shí)間發(fā)生漂移。這提高了測(cè)試結(jié)果的可重復(fù)性，也是用?QUV?進(jìn)行測(cè)試的一個(gè)主要優(yōu)點(diǎn)。

圖5

圖?5? 所示為在有輻照度控制的?QUV?中燈管使用?2? 小時(shí)和?5600?小時(shí)之后的光譜之間的比較。新燈管和長(zhǎng)時(shí)間使用的燈管光譜輸出之間的差別微乎其微。太陽(yáng)眼輻照度控制器用來(lái)保持光強(qiáng)。另外，因?yàn)樽贤鉄艄芄逃械墓庾V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(diǎn)外，太陽(yáng)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(gè)zui大的優(yōu)點(diǎn)是，它能zui真實(shí)地模擬戶外潮濕侵蝕。在戶外，材料每天有12個(gè)小時(shí)處于潮濕狀態(tài)。因?yàn)槌睗裰饕怯陕端鸬模?/span>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(guò)程中，測(cè)試室底部的水盤(pán)被加熱用來(lái)產(chǎn)生蒸汽。在較高溫度下，熱蒸汽使測(cè)試室內(nèi)保持?100%?的相對(duì)濕度。QUV ? 中，測(cè)試樣品實(shí)際上形成測(cè)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(duì)較冷的空氣使得測(cè)試樣品的表面比測(cè)試室內(nèi)的熱蒸汽的溫度低好幾度。

圖6 QUV?通過(guò)真實(shí)的、熱凝露系統(tǒng)來(lái)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(cè)試結(jié)果的可重復(fù)性，排除了水的玷污問(wèn)題，并簡(jiǎn)化了?QUV?的安裝和操作。

因?yàn)椴牧显趹敉饨?jīng)受潮濕侵蝕的時(shí)間很長(zhǎng)，所以?QUV?紫外線加速老化試驗(yàn)箱要達(dá)到相同的效果，冷凝循環(huán)過(guò)程至少需要?4?個(gè)小時(shí)。另外，冷凝過(guò)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(zhǎng)時(shí)間的熱凝結(jié)循環(huán)過(guò)程，來(lái)模擬戶外的潮濕現(xiàn)象比其他一些方法，比如水噴淋、潤(rùn)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(lái)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(yùn)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(yàn)箱

陽(yáng)光模擬

氙燈試驗(yàn)箱被認(rèn)為可模擬全光譜太陽(yáng)光，因?yàn)樗鼈兛僧a(chǎn)生紫外線，可見(jiàn)光和紅外線。

氙燈光譜受兩個(gè)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(guò)濾來(lái)減少不必要的光譜成分。使用不同類型的玻璃過(guò)濾器可得到不同的光譜。過(guò)濾器的使用取決于被測(cè)材料和zui終使用條件。不同類型的過(guò)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(guò)濾器：日光、窗玻璃和紫外延展過(guò)濾器。

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

圖8配備有窗玻璃過(guò)濾器的?Q-Sun? 光譜和透過(guò)玻璃的太陽(yáng)光譜之間的比較。用來(lái)測(cè)試室內(nèi)光穩(wěn)定性，這種過(guò)濾器產(chǎn)生的光譜與透過(guò)玻璃的太陽(yáng)光譜非常相似。這種光譜在模擬一般照明條件時(shí)也非常有用，因?yàn)樗嗤挠衅茐淖饔玫墓庾V。

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

從圖7到圖9?展示了這些過(guò)濾器產(chǎn)生的光譜。日光、窗玻璃和紫外延展過(guò)濾器又分別有幾個(gè)不同的類型，詳細(xì)介紹請(qǐng)參考技術(shù)手冊(cè)?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(yàn)箱一般裝備有輻照度控制系統(tǒng)。Q-Sun老化試驗(yàn)箱使用的太陽(yáng)眼系統(tǒng)如圖??所示。

在氙燈測(cè)試系統(tǒng)內(nèi)，輻照度控制非常重要，因?yàn)殡療舯旧淼墓庾V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(guò)1500?小時(shí)的燈管的光譜之間的差異。很明顯，在長(zhǎng)波段，光譜隨時(shí)間發(fā)生明顯的變化。然而，當(dāng)這些數(shù)據(jù)描繪為隨時(shí)間而變的百分比變化時(shí)(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(lái)很明顯。不過(guò)，控制器在?340nm?控制點(diǎn)對(duì)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(lái)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(shí)，在?340 ? nm或?420 ? nm利用傳感器來(lái)控制輻照度，那么在一個(gè)特定區(qū)域，光譜的變化量將達(dá)到zui小。

盡管燈管老化會(huì)引起光譜漂移，氙燈在抗老化和光穩(wěn)定性的測(cè)試中已被證明是一種合適的且實(shí)際的光源。除了以上優(yōu)點(diǎn)外，太陽(yáng)眼系統(tǒng)使得校準(zhǔn)簡(jiǎn)單，并符合?ISO? 標(biāo)準(zhǔn)且可溯源至?NIST 。輻照度校準(zhǔn)計(jì)和溫度計(jì)應(yīng)每年寄回Q-Lab?的?A2LA?校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)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(yàn)箱通過(guò)水噴淋或濕度控制系統(tǒng)來(lái)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(cè)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(cè)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?yàn)橄鄬?duì)濕度會(huì)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(cè)試標(biāo)準(zhǔn)中都建議控制相對(duì)濕度。Q-Sun?氙燈老化試驗(yàn)箱可選配相對(duì)濕度控制功能。

實(shí)際考慮

當(dāng)然，無(wú)論測(cè)試設(shè)備如何有效，如果它的購(gòu)買(mǎi)價(jià)格和運(yùn)行成本太高的話，那它也沒(méi)有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

這就是為什么購(gòu)買(mǎi)價(jià)格、運(yùn)行成本、維護(hù)費(fèi)用是一些不容忽視的重要因素的原因。在考慮測(cè)試設(shè)備的優(yōu)點(diǎn)時(shí)也應(yīng)考慮到這些因素。

購(gòu)買(mǎi)價(jià)格

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

樣品容量

QUV/se?和?Q-Sun?Xe-1 的價(jià)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?jī)H為?QUV?的?72%。

樣品安裝

QUV?的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試樣品架可安裝扁平的、相對(duì)較薄的測(cè)試板或樣品，盡管也會(huì)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(cè)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(yàn)設(shè)備都是全自動(dòng)的，且能一天24小時(shí)，一周7 天連續(xù)工作。測(cè)試可根據(jù)設(shè)定在任何特定的時(shí)間停止。利用?Auto? Cal?系統(tǒng)和輻照度校準(zhǔn)儀來(lái)進(jìn)行校準(zhǔn)也很簡(jiǎn)單。當(dāng)儀器自動(dòng)測(cè)量燈管輸出從而自動(dòng)調(diào)整控制面板上的控制系統(tǒng)時(shí)按下按鈕，校準(zhǔn)即完成。在此過(guò)程中，測(cè)試樣品和燈管均處于待機(jī)狀態(tài)。

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

維護(hù)費(fèi)用

QUV和Q-Sun 的維護(hù)費(fèi)用都較低。Q-Sun 每年更換燈管的費(fèi)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(lái)水，而?Q-Sun  要求用純的去離子水。

總之，QUV 每年的運(yùn)行成本比?Q-Sun  少的多。