前言:
有关老化测试的一些常见问题
1:为什么要做日晒、耐候老化试验?
在现实生活中,我们周围的众多材料都在经受环境因素的影响而发生着老化,这些环境因素主要包括日晒、雨淋和温度变化;就老化结果而言,最直观的是产品外观的变化,如褪色、发黄等,进一步的结果是由于内在化学结构变化造成材料强度减小、发脆、失粘等不良状况。
2:老化实验分为几种?
分为2种:室外自然老化实验与实验室加速老化实验
3:实验室加速老化实验的目的?
为了比自然老化更快速地评估材料的抗老化性能,我们可以利用人工老化试验机在实验室进行加速老化实验。
4:怎样保证实验室加速老化实验的结果与室外自然老化实验结果的一致性(即相关性)?
我们需要可重复地精确控制整个实验过程中的各种试验参数,而且必须是独立控制,这样才能在实验过程中防止产生非自然的老化机理。
5:影响老化过程的主要环境因素?
5.1光:
(1)光的质量:
为了能在实验室里进行加速老化试验,而又不违反自然老化的机理,我们必须保证仪器中光线的光谱能量分布(波长和能量值的对应关系,简称SPD)应尽可能地近似于材料自然老化时环境的光线,并且在整个试验过程中保持其分布曲线的稳定。我们需要根据材料的最终使用环境,选用不同组合的过滤光片,对光源的SPD进行适当的裁剪。
(2)光的数量(即强度):
在保证SPD的前提下,我们要采用加强的照射强度来实现加速试验。为了保证试验结果的可重现性,我们需要用闭环控制的方法来保证其辐照强度的恒定,避免了因灯管自然衰减而影响试验结果。另外,我们要求仪器能提供足够大的辐照强度控制范围来面对不同行业、不同发展时期的试验需要。
5.2水:
(3)直接喷淋:
利用材料对水的吸附和解吸附作用,促进材料的老化,同时对正在接受辐照的样品表面产生温度的冲击作用。喷淋的方式有正面喷淋和背面喷淋两种;正面喷淋主要模拟自然界下雨的过程,而背面喷淋模拟夜晚表面结露的现象。在一些汽车厂商的试验标准中(如SAE)明确要求在试验过程中同时进行正喷和背喷。
(4)湿度:
很多材料对湿度较敏感,甚至超过直接的喷淋效果。因此需要人工模拟设备具备湿度控制的功能,其中利用压缩空气激荡水雾进行加湿的方法比加热增湿的效果更稳定和快速,没有滞后的影响。
5.3温度:
(5)样品表面温度:
样品在接受辐照时,其表面吸收了光线中的可见光和红外段的能量而升温,在同等辐照下,温度因样品表面颜色深浅而不同。样品表面温度的高低也直接影响着老化的进行速度,因为根据电化学原理,温度每升高10℃,电化学反应速度会加快一倍。为了统一控制,我们就把黑板温度作为主要的控制参数,对其进行闭环调节控制。
(6)环境温度:
样品在接受光照时,除了表面温度升高对老化的影响,它所处的环境温度也会影响到老化过程,所以我们选用的人工老化试验机也需要对试验箱的箱内温度进行独立控制。
5.6综合作用:
研究表明,以上这些主要影响因素的综合作用将大大超过各个因素影响力的总和,因此要求我们在利用人工老化实验机进行模拟试验时需要同时对以上这些因素进行独立的同步的控制。
6. 纯水的作用?
6.1冷却氙灯灯管
6.2消除氙灯产生的臭氧
6.3吸收1200nm波长以上的光线
6.4加湿
6.5喷淋
美国Atlas公司历史简介:
●毫不谦虚地说,Atlas公司的历史就是整个实验室人工老化测试发展的历史。
●1919年,Atlas在美国芝加哥发明了世界上第一台罩封式碳弧日晒测试仪Atlas Color Fade-Ometer,由此开始了在整个老化测试制造和服务领域长达85年的领导历史。
●1934年,Atlas发明了开放式碳弧耐候老化仪Weather Ometer,在随后的30多年中,它成为实验室人工老化测试的标准仪器。
●1978年,Atlas推出了水冷旋转式氙灯老化仪Ci系列,由此掀起了水冷式氙灯老化测试系统在全球范围的广泛应用。
●1996年,实力雄厚的Atlas公司一举将最大的竞争对手-德国贺利氏公司的老化仪生产部门(Xenotest)整体收购,从此,Atlas成为同时拥有风冷式和水冷式两种类型设备全球最大的老化测试仪器制造商。
●除了生产部门,Atlas更拥有全球最大及最具代表性的户外曝晒场(美国的迈阿密、亚利桑那的凤凰城和荷兰的卢金),不断提供相关的户外曝晒试验的技术参数作为全球性老化测试的真实而重要指标。
●同时,Atlas公司几十年来还帮助世界各国的标准化组织创建和完善了在人工老化领域的测试标准和技术,如ASTM、AATCC、ISO、SAE、DIN等
毫无疑问,Atlas是整个老化测试领域当之无愧的先行者和领导者,它的每一项技术和产品无不闪烁着创新思想的光芒,而不是简单水平上的临摹和抄袭。作为高端产品,它不仅可以覆盖目前所有的测试要求,更是为今后测试标准的发展留出了充分的空间。
★ UV2000紫外老化试验机
从20世纪八十年代的UVCON到21世纪初最新设计的UV2000,Atlas始终在紫外老化试验机领域占有重要的一席之地。UV2000采用中央控制器集成编程控制辅以触摸屏界面,彻底颠覆了以往多窗口参数设定的控制方法。它利用四个光能传感器分别对二根/组共四组的紫外灯管进行监控,通过编程可以对辐照度进行定量的设置,运行过程中一旦偏离设置值,机器会自动闭环增流补偿。产品按喷淋与否分为二种,可提供潮湿凝露及下雨的模拟环境。UV2000在很多细微的设计部分,都体现了人性化的概念,如下拉式开门、喷淋均匀性的人工控制、故障的自动识别和报警提示。另外,它的辐照强度校准装置自带读数显示,能在不依靠机器内部电路,更加独立地对机器进行校准。
★ SF,BCX和CCX循环腐蚀试验箱
Atlas公司旗下的Autotech公司位于克利夫兰市,几十年来专业致力于腐蚀试验箱的生产,总裁Kevin Smith先生目前是美国ASTM B117标准委员会的副主席,而ASTM B117则是全世界各国采用的盐雾腐蚀标准的基础。
在SF基本型盐雾试验箱外(可以做盐雾、干燥和保持,其它如SO2等气体注入腐蚀循环选配功能),Autotech公司开发了BCX基本型循环和CCX先进型循环腐蚀试验箱,BCX可自动循环于盐雾、高湿、干燥、保持的任意时间组合,喷淋盐水和湿度控制等的选配功能也可以自动循环;CCX在其基础上,采用更先进的PC控制,更能完成SO2、喷淋、浸润、干燥、湿度控制、冷冻(至-30℃)等测试条件的循环试验。
值得一提的是,Atlas的腐蚀试验机采用的倒锥形喷雾塔技术,其喷射平面高于样品表面高度,保证了盐雾只在自由下落过程中接触到样品表面,严格地符合了ASTM B117标准中关于不允许盐雾在有水平冲力的情况下撞击样品表面的最基本要求,其试验结果更具可信性。
而其它品牌的产品,经常采用的是低位置的喷射口,在盐雾扩散过程中,不可避免地横向撞击到样品表面,造成试验结果的不真实性,不能真正地符合标准的要求。
★ 氙灯老化试验仪:
(1)风冷式产品:
1954年,德国贺利氏公司研发了第一台风冷式氙灯试验机Xenotest 150SCE,它后来成为ISO纺织品标准ISO105 B02发展的基础。最新的产品系列包括:Suntest 台式产品(CPS+/XLS+)、150S+、ALPHA和BETA,其中150S+、ALPHA和BETA三种产品均为旋转样品架,ALPHA和BETA为全功能闭环控制,能实现辐照强度、黑板温度、箱内温度、箱内湿度、明暗周期和喷淋等闭环控制功能。它们在欧洲被广泛认可和使用,主要针对欧洲的相关标准,如ISO、DIN等。
就目前状况和发展趋势而言,由于风冷系统存在的弱点(以下将详述),风冷式产品较局限应用于一些欧洲标准,相比之下,水冷式产品有着更广阔的前景。
(2)水冷式产品:
1978年研发后在全球应用,1997年推出最新系列全自动控制的Ci3000、Ci4000和Ci5000产品,均能实现辐照强度、黑板温度、箱内温度、箱内湿度、明暗周期和喷淋等闭环控制功能。
它们均采用旋转鼓式样品架、水冷式氙灯,由两块同轴圆柱形光学滤片内外围住氙灯,利用纯水在灯管表面、内过滤片和外过滤片之间流动,循环冷却,冷却效果好;同时不同内、外滤片的组合,可更精确模拟不同真实环境下的日光光谱,符合各种不同标准要求。
Ci3000、Ci4000和Ci5000机型的区别主要在于样品的数量,分别为20个、65个和110个(70x145mm)。从目标用户来看,Ci3000主要用于生产型企业内部质量控制和研发,而Ci4000和5000更适合于大型测试机构提供测试服务。目前,中国国内的各个行业的权威检测部门基本上都采用了这三种水冷式机型,包括商检、技监、商业性检测机构。
★ 风冷式和水冷式系统的存在和比较:
1. 存在的历史背景:
风冷式和水冷式是在不同历史时期和时常环境下诞生的,风冷式在欧洲诞生并被广泛使用,水冷式是由Atlas推出并在美国范围内普遍使用,它们从一开始就对各自的时常和用户产生重要影响,同时针对不同的试验标准。
但是随着Atlas公司对这两种类型产品的兼容,在1997年,AATCC制订16E新标准,将水冷式产品作为指定型号,随后,ISO立即颁布了ISO 105 B02新标准,也认可了水冷系统的适用性,由此水冷式记性已逐渐接近满足所有氙灯方面的试验标准。
2.性能比较:
(1)由于风冷系统依靠抽风机,通过空气转换达到冷却目的,但在这个过程中会产生臭氧,而臭氧会污染整个测试环境,极大地危害人员健康。根据美国健康委员会(OHSA)规定,抽样含量不得超过每分钟0.1PPM,所以有效的室内排风系统是非常必需的。
而有其它品牌的风冷产品声称不需要额外的排风系统的说法,其实是建立在需要用户提供足够大的实验室空间的基础上的。
(2)风冷式氙灯老化仪采取的是一种简单的冷却方式,相对于氙灯灯管的温度而言,冷却效果显然是不够的,为了避免由于高温而影响样品测试结果和仪器工作的安全稳定,就不允许也不可能采用高能量的氙灯灯管(风冷式氙灯的单支功率不超过2200W,而水冷式的单支功率均超过4500W,甚至达到12000W)。
(3)既然风冷式先等的功率相对水冷式要低得多,就光照强度的控制范围来说,风冷式的缺陷是非常明显的。而水冷式氙灯由于冷却效果好,设备能采用较大功率的灯管,来模拟2倍甚至3倍的太阳光进行高辐射加速实验,由此来获得较大的光照能量,缩短测试时间,减低测试成本。现在,有许多汽车行业的新标准已要求2个太阳以上的高辐照试验,这些要求是风冷机器所不能企及的。
(4)除了冷却功能外,水还吸收了1200nm波长以上的光线,减少了氙灯中过多的红外线能量。这种减少足以使样品表面温度保持一个可接受的稳定状态,而且,使用红外线吸收滤片还可以进一步减少红外能量。
3. 水冷式Ci系列耐候老化试验箱符合的部分标准:
3.ASTM G151 “Stanard Practice for Exposing Nonmetallic Materials in Accelerated Test Devices That Use Laboratory Light Sources”
4.ASTM G155 “Standard Practice for Operating Xenon Arc Light Appartus for Exposure of Nonmetallic Materials”
这两个标准只是氙灯老化试验的最基础入门标准,只是必要条件。从1997年起,ASTM 标准从原来规定试验机结构为基础,发展为以规定试验具体性能为基础,不再专门指定某个厂家的产品,实际上是放宽了用户的选择范围。但是近几年来,许多国外大公司如GM、FORD反而更坚定地制定了企业内部更加严格的实验标准,并且要求有额外的配置来强化试验方法,因为他们知道这些专项的试验设备不同于一般的分析仪器,其中有许多控制参数需要严格实现,没有历年的数据积累和应用,他们是不可能轻易接受改变的,同时也为了避免鱼龙混杂的低端市场的产品。
5.ISO 4892-2 “Plastics—Methods of Exposure to Laboratory Light Sources, Part 2: Xenon Arc Sources”
塑料老化的基本标准,其中严格规定了旋转式样品架来保证辐照的均匀性。
6.AATCC 16 “Colorfastness to Light—General Method”
美国市场最常用的是其中的16E方法,严格指定了水冷式氙灯。虽然在2003年AATCC对其有所修改,不再限定水冷要求。但修改后的新标准不再是AATCC 16E,而只是AATCC TM16。然而由于标准的应用和数据比对不是朝夕的事,所以绝大多数用户从目前到未来的几年中,仍将采用原来水冷式机器要求。这种预计可以从2003年版的AATCC标准测试本脱销的情况得到佐证,大批用户已大量购进此版本供分发给供应商做测试蓝本。
7.SAE J1885 “Accelerated Exposure of Automotive Interior Trim Using a Controlled Irradiance Water-Cooled Xenon Arc Apparatus”
8.SAE J1960 “Accelerated Exposure of Automotive Exterior Trim Using a Controlled Irradiance Water-Cooled Xenon Arc Apparatus”
美国汽车工程师协会关于汽车内饰件和外饰件的氙灯老化标准,指定Ci水冷机型。另外,美国三大汽车生产商(通用、福特和克莱斯勒)已在原来的SAE J1885基础上,进一步提升额外选件和辐照强度的要求,要求达到2.20W/m2@420nm, 已是2~3个太阳的强度要求。Ci机型完全可以满足这些新的要求。
9.PV1303德国大众汽车内饰件氙灯日晒标准
10.PV3929、PV3930德国大众汽车外饰件干、湿氙灯耐候试验标准
均指定Ci系列产品
由上介绍可看到,Ci系列不仅仅满足ASTM和ISO最基本的标准要求,更进一步地得到不同行业和企业标准的认可,而这些标准的研究和制定并不是朝夕的事,要获得这些标准的认可,是需要连续不断的数据积累和比对,而不是简单地通过5,6台仪器的试验就能轻易证明的。举例来说,在1996年,Atlas的战略合作伙伴,全球化工颜料巨头—德国CIBA公司用了30台Atlas的Weather-Ometer Ci系列的水冷氙灯老化仪,对100例样品进行重复性测试,最后只有3例,即3%达不到重复性要求。这个比例足以说明Ci系列的稳定性能。
★ Ci系列产品的详细技术性能及参数:
以Ci3000+为例,
1.氙灯光源:
为了保证试验结果的可重现性,我们必须要使氙灯的光谱能量分布SPD和辐照强度在试验过程中保持恒定可控。SPD中的每段波长的光波都在老化过程中起着独特的作用,虽然在全光谱能量中,紫外线部分所占的比例很小,但它是使物质内部化学键断裂而发生老化的主要原因;可见光和红外部分能使材料的温度上升,从而加快整个老化过程,所以要实现重复性的老化过程,就必须保证试验过程中光源的SPD保持稳定,SPD发生变化,就有可能会影响实验结果。对于SPD的稳定,它实际上与机器的控制无关,只与灯管本身的质量有关,有些品牌仪器所选用的是类似于复印机中的氙灯,灯管内的氙气含量较低,杂质含量大,在经受高电压、高温激发后,容易发生化学反应,使其的SPD发生不可逆的改变。越大的辐照强度,越容易加速这种化学变化。
Ci3000采用4500W水冷式氙灯,其中充注的是化学分析级高纯度氙气,氙灯在受到1万多伏的点灯电压激发时产生的弧光,与真实日光的光谱能量分布十分接近。采用不同组合的内外过滤片对氙弧的SPD进行裁剪,就能模拟不同场合中的日光光谱。由于灯管中的杂质含量低,就保证了SPD曲线的稳定。一般推荐用户每2000小时更换灯管,就是为了严格地保证这个目的。Ci3000控制器可以自动累计灯管使用时间,并提示更换信息。
Ci3000通过光能传感器检测氙灯的辐照强度,一旦由于氙灯的自然衰减而偏离设定值,机器控制器会自动提升灯管的功率,闭环控制保证其稳定。
2.内、外过滤光片组合:
未过滤的氙灯在短波紫外线区有很强辐射强度。因此,滤片的主要目的是获得所需的能量光谱分布。通过水冷系统的两个圆柱形滤片的不同玻璃特性组合,可以产生不同的光谱能量分布。可用的圆柱形滤片有石英、硼硅酸盐玻璃、高硼酸盐硼硅酸盐类玻璃、纳钙玻璃和涂层红外线吸收(CIRA)石英玻璃。假如辅助玻璃滤镜支架放置不同种类的平面玻璃后,可以实现辅助过滤。例如,将内外滤光套为硼硅玻璃和钠钙玻璃,可使辐射从类似无过滤的日光改变成玻璃窗过滤过的日光。而用石英代替内玻璃套,硼硅玻璃作为外玻璃套,将稍增加短波(UVB)能量而不牺牲光谱的分布。内,外玻璃套都改为石英,产生的UV辐射可低到180nm。所以氙灯系统非常灵活。另外ATLAS Ci系列仪器采用的是单根灯管,一个鼓型的样品架绕灯管匀速旋转,保证每块样板都处于相同的辐照条件下。
Ci3000+可选用以下五种主要的过滤片组合:
滤光片长期处于光线照射下,自身也会发生老化,从而影响自身的透光性能,虽然可以通过预老化可使其后的老化过程缓慢和均匀,但始终无法避免其最终的老化,所以需要对其进行定期更换。按材质和试验条件不同,更换时间为400小时到1000小时不等。
3.辐照强度监测和控制:
实验证明,在一固定电压瓦数下,工作过120小时的氙灯的辐射比工作过1500小时后的氙灯的辐射能量多得多。也就是,如果一个样品总暴露时间为1500小时,那么在前数百小时,氙灯新的时候样品接受日光能就比用旧后多。但如果我们引入辐射自动控制系统,样品无论在新灯和旧灯情况下都接收到相同的能量。控制光源的输出不仅是需要,对研究发展老化试验也是必要的。
在保证了氙灯光源SPD曲线稳定的基础上,为了控制氙灯的辐照强度恒定,我们在SPD上选取340nm、420nm波长点和300-400nm段进行控制。光线直接穿过滤光片后,通过一个光路传到测试室外的一个检测盒,在检测盒中首先通过一个特定的光栅滤波器(340nm或420nm)后照射到光电检测器上,变换为电讯号,这讯号送到检测电路与设定值比较,如果讯号小于设
定值,也即辐射低于要求的水平,功率调整器接受控制信号增加能的功率,是辐射达到设定点。如果辐射多于要求的水平,系统将自动减小功率,直到辐射到达要求点。
其中340nm控制点是耐候老化试验常用的,配合相应的过滤片组合,模拟日光的直接照射,一般用于建材、汽车外饰件、涂料等的耐候试验。
420nm控制点日晒试验常用的,配合相应的过滤片组合,模拟透过玻璃窗的日光照射,一般用于纺织品、油墨、汽车内饰件等的试验。
300-400nm控制段是欧洲和GB某些标准要求的,现在的用途范围较窄。
除了自动控制辐射能量恒定外,光监测器将辐射功率对时间积分得出样品已接收到多少辐射能量。试验可以编程预定辐射总能量,实验过程中,积分电路将驱动计数器,使计数器从设置点逐渐减为零,当到达零点时,仪器自动停止试验。
Ci3000辐照控制的特点是可以进行第一、第二双监测点设置,如果用户既可能要进行日晒试验又可能要做耐候试验,他只需选购此功能。仪器在出厂时就会预置双光路和光栅滤波器,分别分离所需波长的能量进行检测,用户在启动测试程序后,机器会根据测试要求,自动选用某个监测点的读值进行辐照强度的闭环控制。另外机器还有自我检查判别功能,如果用户调用未安装的监测点,机器会自动发出提示信息。
辐照强度的控制范围:0.35~1.33W/m2 @340nm(Boro/Boro过滤片下),0.83~3.09W/m2 @420nm(Boro/Soda过滤片下)
可以看到目前常用试验要求的强度只是Ci3000能力的40%,如AATCC 16E的要求只是1.10W/m2 @420nm(Boro/Soda过滤片下)。而这个要求对Q-SUN等其它品牌的产品来说,已是能力极限(0.45~1.1.0W/m2 @420nm),如果它们长期工作在此极限状态,灯管和机器的寿命都会受到严重的影响。对于Q-SUN宣传的所谓太阳眼监测5%报警的功能,实际上在报警时已大大低于标准规定的设置要求,这个装置的存在也从侧面说明Q-SUN 无法严格地闭环控制辐照强度保持恒定。
4.黑板温度控制:
黑板温度也是一个重要控制参数,它的意义是代表着试样在接受辐射时其表面的最高温度。样品在接受照射时,会因为吸收了光线中的红外段能量而使表面温度升高,不同颜色的表面温度会不同。黑板温度计和试样一样,也装在样品夹上,挂在样品架上。美国标准和欧洲标准常用的黑板温度计不同,美标称为BPT,欧标称为BST(黑板标准温度),美标黑板温度计是一块涂有标准涂料的金属板,而欧洲的是在此金属板后附有塑料绝热层,通常情况下,BST的读数会高于BPT
在辐照强度恒定控制的情况下,中央控制器通过变频器自动控制试验箱上方的风机转速,调节流经样品表面的空气流速,从而稳定地闭环控制黑板温度。一般在黑暗周期是不要求控制黑板温度的。
Ci3000还可以选择双通道黑板温度设置,机器会同时有两个黑板温度监测回路,分别安装BST和BPT传感器。用户在调用执行程序后,机器会自动调用所要求传感器数据进行闭环控制。这样的话,客户就可以兼顾美国标准和欧洲标准的要求。
Ci3000的黑板温度计是和样品一起安装在旋转样品架上的,它的读数真实而有代表性。而Q-SUN的黑板温度计只能固定安装在角落位置,由于辐照强度的不均匀性,它的代表性就值得商榷。
5.箱内温度和湿度控制:
Ci3000中央控制器会自动控制机器背部风门的开口程度(Smart-damp功能),引入所需的低温空气,来降低箱内温度,或是开动箱底部的加热器,来对箱内的温度进行闭环控制。
Ci3000通过相对湿度传感器进行自动比例闭环控制箱内湿度,它利用压缩空气激荡纯水通过细小喷嘴形成水雾来进行加湿的,这种加湿方法迅速安全,而且喷嘴的角度可调。
箱内干球温度精度: ≤±2℃。
箱内温度控制范围:40℃~93℃
亮周期湿度范围:10~75%(取决于温度)
暗周期湿度范围:最高可至100%
湿度精度:≤±5%
Q-SUN的加湿方法是利用加热增湿,这种方法的缺陷是反应滞后、偏差大,同时湿气所带入的热量会严重地影响到箱内温度的平衡控制。
6.中央控制系统
Ci3000的中央控制器为微电脑控制器,大屏幕,LCD显示,触摸屏输入,中文或英文界面,大容量编程控制,可储存程序共为20个,出厂预置程序为16个供直接调用,其中包括SAE J1885、SAE J1960、AATCC 16E、AATCC 169-1、ISO 105-B02、04、06、ASTM G155-1、
G155-4、FORD INTERIOR、GMW 3414TM、ISO4892-2-A、ISO11341-1,还有两个分别是辐照强度和功率校准程序,用户根据需要可自编四个程序并储存。
试验设定参数:辐照强度、黑板温度、箱内干球温度、箱内湿度、明暗周期、喷淋周期的独立设定和闭环控制。试验箱可全自动操作,能根据测试时间或累积辐照能量自动停止试验.
客户可以选用六通道的记录仪,对以上的控制参数进行实时的记录;也可选购SmartDAQ软件记录系统,通过电脑屏幕远端监测和记录实际数据,还可根据需要打印记录报告。利用该系统,可以最多同时监视16台Atlas公司的其它类型的日晒老化仪。
7.旋转鼓式样品架和辐照强度、黑板温度的均匀性:
Ci3000旋转鼓式样品架设计是将样品垂直摆放在仪器中央的旋转架上,旋转架由一个圆柱型的样品单层陈列架构成,样品在鼓架上围绕灯源以每分钟1圈的速度旋转,以此获得均衡的光照能量以及温度和湿度。
由于氙灯灯管在工作的同时其本身也会老化,会产生一些黑点,而黑点会影响光照的均匀性,鼓式样品架工作时匀速转动,使黑点的光照平均作用于整个样品空间,最大限度的平衡了这种误差。
Ci3000中在样品表面的辐照强度均匀度为≦±4%,黑板温度的均匀性≦±2°C。
Ci3000样品架上的曝晒面积为2188cm2,Atlas公司可提供近20种不同的样品夹供摆放不同行业的产品,有纺织品、厚地毯、玻璃、薄膜、塑料、管材、化妆瓶、涂板或其它不规则样品。按照最常规的样品夹SL-3T来说,样品架上可放置20个SL-3T(SL-3T的样品尺寸为70x145x3mm;曝晒面积为50x120mm)。
满足氙灯老化测试仪设备的运行条件是:氙灯光谱、辐照强度、黑板温度、试验箱温度和试验箱湿度。其中辐照强度(即光照强度)尤为重要,辐照强度的均匀性是氙灯老化测试的技术核心,它将直接影响到所有的测试结果。
对于有些其它品牌产品平面台式的样品架,它们与旋转鼓式结构的最大差距就体现于辐照强度的不均匀性。请参照下图来了解。
辐照强度的均匀性与相关因素
首先,要明白样品在测试中吸收了多少能量?即辐照强度(Irradiance)与辐射能量R(Radiant Energy)的关系?以下是一个标准换算公式:
辐照强度I(W/m2)× 曝晒时间S(Seconds)= 辐射能量R(J/ m2)
其次,辐照强度是由光源强度I(intensity)和光源与样品之间的距离d (distance)来决定,它们之间的关系会有两种可能:
(1).当光源功率维持不变时,公式表达为:I ∝ 1/d12 或I = k/d2(k是常数)
即I 和d的2次方成反比,随着d的增加,距离越远,强度越弱,I衰减的量是d的2次方。(平面台式属于此类情况)
(2).当距离d保持不变时,则样品直接受光源的功率所影响,显然,功率越大,强度越大。4(旋转鼓式属于此类情况)
平面台式氙灯老化测试仪采用的是较为简单的曝晒方法,将辐射能量直接作用于整个样品盘表面,虽然样品可以得到充分的曝晒,但是由于试验箱的辐射能量/强度是按光源与样品表面的距离来设定和校准的,因此会导致同一样品在不同位置所接受的辐射能量不相同,影响光照强度的均匀性。请见下图所示:
如上图所示,普通的平面台式仪器通过三盏氙灯(L1、L2、L3)对样品盘上的样品(A、B、C、D、E、F、G……)进行光照辐射,这种设计通过前面提到的辐射强度与光源强度和光源与样品之间的距离的关系就可以得出结论:每个样品获得的辐射能量由于其本身与光源的距离不同而存在差异,样品本身以及样品之间所获得辐射能量也存在差异。
而且,由于其机械性能没有完全达到一些测试标准的规定条件,故市场上现有的部份平面台式氙灯老化测试仪都只是被中小企业采用,用于一般性的品质监控,以此来了解产品质量和对产品进行筛选。
根据Atlas 公司的研究,有以下的数据对比:
Atlas单层旋转样品架
E (300-400 nm) = 38 W/m2
最大偏差: - 5%; + 3%
标准偏差: 3.3 %
而平台式样品架
E (340 nm) = 0.68 W/m²
最大偏差: ± 10%
除了辐照强度的不均匀性,平台式样品架上样品表面温度的不均匀性也显而易见。
Atlas 单层旋转样品架
BST = 90°C
最大偏差:± 1.8°C (± 2%)
平台式样品架
BST = 70°C
最大偏差:± 7°C (± 10%)
正因为有了以上的偏差,所以Q-SUN 的操作手册上会建议用户定时对样品的位置进行“Z”型轮换,但是这种轮换给用户增添了额外的负担,需要人工监视和摆放;况且一般纺织品测试的时间较短,机器开关门后重新启动需要稳定时间,如仍计算在试验时间内,肯定会影响试验结果。频繁点灯,机器寿命也会受影响。
除此之外,由于平台式样品架始终曝晒在灯管辐照下,它的表面温度会变得很高,样品背面在与样品台接触的地方会被严重灼伤,从而影响样品的真实老化。而Ci3000的样品是通过样品夹悬空地夹在样品架上,前后都有良好的通风,不会产生此种情况。
8.喷淋控制:
Ci3000箱内提供样品正面喷淋和背面喷淋两种方式,用来模拟下雨和夜晚结露状态。机器的喷嘴位置固定,利用样品每分钟旋转一圈经过喷嘴时,在样品表面均匀喷洒,由于样品处于垂直位置,大水滴会迅速滴落,只在样品表面形成一层水膜,当样品随样架继续旋转,表面会慢慢被晒干,这样样品会持续地被淋湿—晒干—再淋湿,这种吸附和解吸附的循环过程,会比使样品始终处于湿润状态更具有模拟自然和加速老化的意义。
对于Q-SUN等样品平面摆放的仪器,一方面喷淋的大水滴不能迅速离开样品表面,会影响样品对光能的准确吸收,另一方面,20秒的喷淋和40秒的停顿,还是使样品表面始终处于湿润状态,没有吸附和解吸附的循环过程。还有,对于一些汽车行业的标准,如SAE J1960,它们有背喷的要求,Q-SUN 是肯定无法符合的。
CI4400图片