LU0822-CN_太阳光、耐候性和光稳定性测试

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1、N_1 山"nnm-J<0一 NH。山一2.01.5太阳光、耐候性和光稳定性测试太阳光是造成很多材料 包括塑料.纺织品.涂料和其他有机材料降解的一个主要因素"降解 的类型.如物理性能下降、粉化、开裂.起皮.褪色及颜色变化等与材料的敏感度和光谱有关c每 种材料对光谱响应不同。对于耐久材料.如大部分涂料和塑料.短波紫外线是造成聚合物老化的 主要原因.然而.对于不是特别耐久的材料.如很多染料和颜料.长波紫外线甚至短波可见光. 造成最主要的破坏"对于许多制造商而言生产的产品能够经受光照是非常重要的.加速老化试验箱用于模拟自 然太阳光.并广泛用于研究开发、质量控制和产

2、品认证。这些试验箱可以提供快速.可重复、可 再现的试验结果"为了定量表示太阳光中紫外部分的巨大墓异.测量了4种光谱辐照度。包括夏天直射太阳光. 冬天太阳光.普通窗玻璃透射太阳光和汽车玻璃透射太阳光。为了定量表示不同实验室测试设备的光谱.测量了不同类型加速试验箱的光谱辐照度.包括 QUV紫外加速老化试验机（即.荧光紫外和冷凝试验机）和氤灯试验箱.另外还计算了户外加 速曝晒装置.如巳知的Q-Trac自然太阳光跟踪聚能装置的光谱。不同加速测试设备的光谱之间存 在很大差异。这些测量为不同应用条件使用何种试验箱或光源提供了建议。太阳光光谱太阳光中的电磁辐射通常被分为紫外线、可见光和红外线.如图

3、1所示-紫外光由低于400纳 米的辐照组成.可见光定义为400到760纳米之间的辐照红外能量由比可见红光更长的波长组 成 从大约760纳米开始"QLAB0.5O.OJ-w250450波长(nm)图1 太阳光太阳光的可变性.因为紫外线很容易被气团云层.污染物等过 滤掉所以自然紫外线暴謬的数量和光谱是非常 不稳定的.一天中太阳光每时每刻都在发生变 化图2显示了一天中不同时刻全光谱太阳光的 光谱功率分布（地点和时间）.外线在320纳米处的强度.夏夭和冬天的比值是 8比另外.短波太阳光的截止点从夏天的大约 295纳米.变为冬天的大约310纳米。因此.对 低于310纳米的紫外线敏感的材料在冬天

4、的几个 月只有轻微的降解这些变化对聚合物材料.如 聚氯乙烯影响特别大.ttTs0.2哉尼A ll cwom Homaa tour> «M« <*n*HAM夏天太阳OTHW2502702&0310330* 长（nm）350370390图2 天中太阳光的变化太阳光的光谱功率分布还随着季节发生变 化一变化最大的是紫外波段。图3显示了不同时 期在美国俄亥俄州克里夫兰中午测试的太阳光 中紫外波段的比较：夏至（一年中白天最长的一天）冬至（一年中白天最短的一天）春分光谱敏:这些测屋基本上与其他研究老的数据一致-ASTM G173中给出了有用的参照光谱"图3-

5、太阳光中紫外波段的李节变化因为冬天时太阳在天空中的位置比较低所 以被更多的大气过滤（如图4所示）。因此夏天 和冬天的太阳光之间产生了两个明显差异：光强 和光谱的变化.更重要的是 在冬天.较短的、 更具有破坏性的紫外波长被过滤掉了。例如紫材料发生降解的程度和类型.取决于这种材 料的光谱敏感性.光谱敏感性用于测量单位光能 星造成的破坏作用.不同波长的光的破坏作用不 同。每种材料的光谱敏感性都不同.用途相同的 相似材料的光谱敏感性可能差异很大.光谴敏感 性决定一种材料是对短波长敏感还是对长波长敏 感或者对两者都敏感.短波长截止点的重要性-光化学反应是由光子破坏 化学键引起的.每种化学键.都对应一个阈

6、值波 长这种波长有足够的能量使化学键发生反应。 比阈值波长短的波长可以破坏化学键.而比之长 的波长无论光强多大都不能破坏化学犍。因此 光源的短波截止点非常重要例如.某种特殊聚 合物只对波长小于295纳米（太阳光截止点）的 紫外线敏感.那么它在户外不会发生光化学反 应。如果把这种聚合物暴露于裁止点是280纳米 的实验室光源中.它将会发生老化。长波的重要性对于户内材料如油墨和染料.长 波紫外和短波可见光往往对其造成重大影响。 因蟻热的形成.外能量也会对材料造成老化。 另外.红外线也会对某些材料造成热老化。尽管红外线不会造成光致化学反应.但由此引起的离 温会影响后继化学反应的速率。加速光源与太阳光的

7、比较下列加速光源的讨论只限于光谱问题.不 涉及光谱稳定性.潮湿的影响、曝晒循环的影 响或结果的再现性。为了分护模拟太阳光的有效性.大部分实 验室光源应该与我们称之为太阳光最大值条件 进行对比：全球.中午太阳光.垂直入射.夏 至.太阳光最大值是户外测试要符合的最为严 酷的条件.并且正因为如此.它将决定哪些材 料会失效.如果将实验室光源与所谓的"平均 适合太阳光"进行比较.容易引起误解.它仅 是破坏性大大减弱的春分和秋分曰光数值的平 均值，另一种误解是与"迈阿密平均值"进行 比较它仅表示迈阿密一年中太阳光照的平均 值，本文所有图中标注的"太阳光&q

8、uot;指的是太 阳光的最大值，尽管太阳光中紫外线存在固有的可变性. 我们的测量令人惊讶地显示了不同位置太阳光 量大值的微小变化。图5显示了在3个差别很大 的位置所测量的结果，两种不同的方法QUV加速老化试验机和氤灯是最常用的加 速老化和光稳定性试验设备这些试验设备基 于两种完全不同的机理.価灯试验箱.如Q-Sun 灯试验箱.模 拟全光谱太阳光-包括紫外线、可见光和红外 线.氤灯试图模拟太阳光本身.QUV试验机并不试图模拟全光谱太阳光. 但是.却模拟太阳光的破坏作用通过把荧光 灯管的主要辐射控制在太阳光谱的紫外波段来 实现"这种方法是有效的.因为短波紫外线是 造成户外权料老化的最主妾

9、因素 图6显示了 太阳光、氤灯光谱和荧光紫外线之间的比较图6-太阳光、鼠灯光谱和荧光紫外线之间的比较图7-日光过滤器产生的鼠灯光谱除了技术方面的考虑-这两种不同的方法 在实际应用中也存在不同.氤灯试验箱需要很 多电量输入以产生全光谱，因此.光谱中的可 见光和红外线同时产生大量的热。这些热量必 须由水冷或风冷系统排出.因此.这两种试验 设备的运行费用相差很大、详细信息请参考 Q丄ab技术文章LU-8009 'QUV和Q-Sun：加 速老化和光稳定性测试的两种有效方法之间的 比较"图7A-日光过滤器产生的食灯光谱的紫外波段0.02S030035040045050055060065

10、0700A 怪（nm）.5Q.61.P1. ；O.-EC-U«零39全光谱颌灯(ISO 4892-2. ISO 11341, ASTM G155, SAE J2412 )可为使用者提供由短波紫外 线造成的破坏作用.也能提供长波破坏作用. 如褪色和颜色变化当使用氤灯试验箱时.需 要考虑两个主要的因素:过滤器的作用和辐照 度控制。模拟户外条件的気灯过滤器因为未经过滤的繚灯辐射包含很多短波紫外 线.而不能很好模拟地球表囱的自然曝晒条件. 所以氤灯试验箱配备不同类型的过滤器以减少不 必要的辐射并得到合适的光诸，大部分过滤器 的作用是针对光谱中的短波段.因为紫外线的破 坏作用与它的波长成反比.

11、所以截止波长与实际 应用环境是否符合非常重要，过滤器的类型和测 试材料即最终应用环境有关.有三大类过滤器用于氤灯试验箱中在每 种类型中.可能又分为几种不同的过滤器.每 种过滤器都是由特殊玻璃制成的.它们的透射 率也不同。日光过滤器产生的光谱与夏天中午直射太阳 光的光谱接近.并符合ISO 4892, ISO 11341, ASTM G155, SAE J1960 和 SAE J2527 标准对 光谱的要求。它被逹议用来测试户外使用的材 料.而且它与户外自然曝晒的相关性最好，如 图7和7A所示"阳光的截止点的波长短的紫外线透过。紫外 延展过滤器常常用来产生比日光过滤器更快 的老化结果.在

12、许多汽车测试方法中.要求 使用这种过滤器。它们还被用来产生太空应 用环境中的宇宙谱线“如图&和8A所示"紫外延展过滤器允许比地球表商自然太图&紫外延展过滤器产生的仮灯光谱25077F375350375 Mfrvn)o o O400图8A-紫外迪展过滤器产生的乱灯光谱的紫外波段性。然而.低于太阳光截止点的短波长的输岀 会偎尔引起反常结果特别是在测试塑料及纺 织品的色牢度的时侯.UVB-313灯管于1984年问世 UVB-313灯管 实质上是第二代FS-40o有着与FS40相同的 光谱功率分布.但具有更高.更稳定的输出。图10显示了太阳光.UVB-313和FS-40的光谱

13、 功率分布的比较对于大多数材料而言.由于 UVB-313具有更高的输出.所以它比FS-40对HE260270»6310MOJ503703«Cft * <«n|图 10- UVB-313和FSYO灯管辐照度控制.为了控制光强.现在的氤灯试验箱有一个光 强检测系统以补偿因灯管老化造成的不可避免 的输出衰减。在340纳米辐照度通常设置为 0.35或0.55 W/mJ图9显示了这两种设置与太 阳光最大值之间的比较.0.55与夏天的太阳光对 照的比较好.0.35更像冬天的太阳光°然而.由 于历史原因.0.35经常被使用。另一种可被使用的辐照度设置是-在 34

14、0nm 0.68W/m2,这一辐照度与太阳光最大 值最匹配、材料的测试更快。这种灯管尤其适合用于质量 控制和研究开发。USV340灯管用来增强与户外暴露结果之间的相 关性。UVA-340巳经广泛用于测试塑料和涂料. 并且大大提离了QUV设备的相关性。图11显示了 UVA-340与太阳光最大值之间的比较。这种灯 管能够非常好地模拟从370纳米到太阳光截止 点295纳米的太阳光。图11-UVA-340灯管和太阳光图9辐照度设豆的彫响荧光紫外线不像氤灯设备QUV试验机(ISO 4892-3, ISO 11507, ASTM G154, SAE J2020)使用不 同类型的紫外灯管产生不同的光谱.以符

15、合不同 暴露条件的要求.FS-40灯筲在二十世纪70年代初期FS-40灯 管就成为第一种用于QUV中.并得到广泛应 用的荧光紫外灯管、该灯管目前经常被列入一 些汽车测试规范中.特别是汽车涂料一该灯管 在测试涂料的光泽保持率及塑料的老化性测试 方面 已经显示了与户外暴露结果良好的相关图13窗玻踽透射太阳光QTrac自然太阳光跟踪聚能装置户外加速老化装置使用自然太阳光作为光 源.已经有几十年的历史了。早期的简单装置是 用来从早到晚跟踪太阳以使户外曝晒样品获得 尽可能多的太阳光"后来 增加了反射镜.把太 阳光会聚到测试样品上一进一步加逮老化。这 种太阳光聚能加速技术巳经在ISO 877,

16、ASTM G90和SAE J1961等标准中规范化"Q-Trac及其它太阳光聚能装置使用10面反 射镜反射全光谱太阳光。测试样品实际接收到的 光谱受一个事实的影响-这种装置只反射直射太 阳光而且镜于的反射率并不是完美的。田12显 示了自然太阳光和Q-Trac光谱之间的比较.图12-Q-Trac和太.阳光玻璃对太阳光的过滤作用任何类型的玻璃都起到太阳光光谱过滤器的 作用。较短的、更具破坏性的波长最易受到影 响.图13显示了直射太阳光与通过普通的.密 度均匀的.无色的、0一 125英寸厚窗玻璃的透射 太阳光之间的比较 普通玻璃对大约370纳米 以上的光线实质上是透明的，但是.过滤作用随

17、着波长的减小而逐渐明显.事实上.大多数低于 310纳米的破坏性波长都被完全过滤棹.图14 挡风玻璃透射太阳光汽车玻璃比窗玻璃要厚，汽车玻璃通常是有 色的而旦挡风玻璃常常包含塑料增强层。图 14显示了直射太阳光与窗玻璃透射太阳光及挡 风玻璃透射太阳光之间的比较.所有这些因素都 增强了汽车玻璃的过滤作用.而且几乎所有的破 坏性紫外光都被过滤掉。图15显示了4种不同类 型的汽车玻璃的光谱功率分布.这些玻璃的厚 度.颜色都不同。2002803001203405«05504003 长（nmlEWUMA pMrJ加速光源和玻璃透射阳光氤灯一图16-窗玻璃过滤器透射竄灯光谱适当过滤的氤灯光源(IS

18、O 4892-2, ISO 105 B02, ASTM G155, SAE J2527, AATCC TM 16- 3)可最佳模拟窗玻璃透射太阳光.然而.不存 在"标准窗玻璃"。因为玻璃的透射率因厚度、 化学成分等fit不同而不同.几种类型的窗玻璃过 滤器已研发出来用于Q-Sun®灯试验箱。图16A-窗玻埼过滤器透射鼠灯光谱的紫外部分配备窗玻璃过滤器的繚灯试验箱产生的光谱 中也包含大部分室内人造光源中的波长(冷白荧 光灯等).所以它也适合大部分室内应用.如图 17所示。图17-通帑室内光源与Q-Sun光源的 光谱功率分布之间的比较注意：有些汽车内饰件如纺织品和柔软

19、饰件的 测试方法依然要求使用紫外延展过滤器，SAE J1885和SAE J2412是其中的两个例子.图 18显示了这种氛灯测试方法与普通玻璃透射太 阳光之间的比较。显然.紫外延展过滤器允许大 量的短波紫外线通过与真实结果之间的相关性 应该谨慎考虑"280300320340360380400<1 *<nm|图18-氮灯与玻璃透射太阳光之间妁比较结论和注意事项致谢实验室暴謬与自然暴謬测试结果的相关性可 能会一直存在争议。使用者必须加强自身培训 善于作出选择。因为实验室加速设备有好几种类型.而且灯 管和过滤器也有好几种选择没有一种试验箱适 合所有的应用。短波紫外线通常测试聚合物

20、的老 化.而全光谱谱线常常更适合测试颜料和染料的 颜色变化。短波紫外线加速光源能够快速给出测试结 果-但是可能不总是精确的。通常它们出错的 原因.是因为测试条件太严酷了。过滤掉低于太 阳截止点295纳米的波长将给出一个更精确的测 试结果但是提高相关性的代价就是减慢测试速 度.如Fischer指出的.测试速度和准确性之间 总是存在矛盾”另外.我们要指出.尽管目前人们对光能量 比较感兴趣但测试仪器的光谱只是整个测试的 一部分-对于任意加速测试设备.都有许多测 试参量：光谱、潮湿.相对湿度.温度和测试 循环.另外.参量的选择在一定程度上是随意 的。没有一种测试循环或仪器可以再现所有的户 外暴需条件包

21、括不同的气候.海拔和纬度.因 此甚至是最精确的测试设备实际上也只是一种 筛选设备。加速测试设备的真正作用是.在某种 持殊的条件下能够给出材料性能的可靠的.相关 的测试结果.作者对本文的准确性负责.同时非常感谢以下单位的协助：Kit Peak国家观测站俄亥俄光谱服务中心3M公司BASF公司Americhem 公司参考注释本文之前发表在1987年的"Society of Plastics Engineers Automotive RETEC” 上.后来又 在1994年.作为Q-Panel公司技术文童-太阳 光.紫外线和加速老化“发表本文在2007年修改后.以”太阳光.耐候性和 光稳定性测

22、试"为题目发表。内萱碳弧灯（ASTM G153）内置碳弧灯自1918年就已经用在加速老化和光稳定性测 试设备中以模拟太阳光。当用这种灯管的输 出与太阳光比较时.它的一些缺点就显露出来 了.图19显示了夏天太阳光（太阳光最大值） 与内置碳弧灯的紫外光谱功率分布（SPD）的 比较。内碳弧灯的紫外输出主要由两个非常 大的能量峰组成.在低于350纳米时.输出量 则很小。图20显示了与图19相同的光谱功率 分布的比较.绘制于不同的纵坐标范围以包含 尖峰所有输出。既然最短波长的紫外波长最具 有破坏性.内達碳弧灯对于大多数材料的測试 非常慢.并且对短波长紫外线敏感的材料的相 关性很差，太阳碳弧灯在

23、其光谴的短波长处存在一个 更为严重的问题 为了解释这点.需要把短波 段部分进行放大。图22显示了太阳光最大值在 260纳米和320纳米之间与太阳碳弧灯的比较。 碳弧灯在UV-C光诺部分发射大量能量.远低于 自然太阳光的截止点295纳米。这种类型的辐 射在外太空是存在的但在地球表面还没有发 现"当和自然暴露比较时.短波长可能产生非 实际的隆解图19内莊碳弧灯与太阳光之间的比较图21-太阳碳弧灯与太阳光之间的比较00eE9图20内笠碳弧灯与太阳光之间的比较2G0280»0320340it图22太阳碳弧灯与太阳光之间的比校2B0300a M(nm)320太阳碳弧灯（ISO 489

24、2-4, ASTM G152）. 1933年发明的太阳碳弧灯（有时也被称作"开 放式碳弧灯）是对内置碳弧灯的改进，图 21显示了太阳碳弧灯（装有透紫外线玻璃D型 过滤器）的紫外光谱功率分布。太阳碳弧灯与 太阳光的匹配优于内置碳弧灯.在大约390纳 米一仍然有一个非常大的能量尖峰.远离于太 阳光。附录2图23 分光辐射度计的示意图实验的.用分光辐射度计来测量暴露于太阳光或加速测试设备中的样品所接收的光谱辐照 度。辐照度指照射在单位面积農面上的光能 量。光谱辐照度是与波长有关的辐照度分布。 本文中.在相关的波长区域中测量辐照度的间 彌为1纳米（nm）0光谱功率分布（SPD）曲线 被绘制成

25、辐照度和波长的关系曲线图-太阳光 的测量是在中午进行.通过一个装在太阳光跟 踪系统上的传感器来保持太阳光垂直入射.传 感器面向天空.所以各个方向的太阳光都能够 被测量，测量加速光源时传感器的位置与测 量昔通样品一样因此所浣得的辐照皮应该 与样品接收到的一样"所有测量都使用相同设备.以保证各种光 谱功率分布曲线之间可严格比较。由于分光辐 射度计的输入光路不同、波长带通不同或者 仅由于校准时未考虑到散射紫外光源（如天空 或荧光灯）的辐照度试图比较由不同分光辐 射度计测量的光谱功率分布曲线.是这个领域 中常常会犯的错误“所用设备是国际光学组织IL700分光辐射 度计.NO.504由下列部件

26、组成如下所示：光学输入系统：IL-2WE Double Wide Eye,大视角的石英双 精度型透镜余弦散射器.单色仪：Kratos GM-200.精确到1.0纳米带通的双光 栅单色仪.光线偏离小于百万分之一。探测仪匚PM 270C光电倍增器S5响应.从IL760电源供电"皮可安培计：IL 700A辐照度计。校准1微瓦/平方厘米/纳米.源于美国国家标准 局-校准证：404045901.11Q-Lab CorporationQ-LAB吳国dLab公诃中国代农处中国上海i|j共和新路3388号水鼎大厦1001室 邮编：200436电话：+86-21-58797970传貞：4-86-21-

27、58797960Q-Lab Headquarters& Instruments Division800 Canterbury Road Westlake. OH USATel.+1-440-835-8700Fax+1-440-835-8738www.q-infoq-Q-Lab Europe, Ltd.Express Trading Estate Stone Hill Road, Farnworth Bolton BL4 9TP England Tel.+44 (0)1204-861616 Fax +44 (0)1204-861617LU-0822.2-CN©2008 Q-Lab Corporation.版权所有.