高輻照度紫外光照/冷凝設(shè)備提供更快的加速老化測(cè)試結(jié)果

耐候性是戶外涂料的一個(gè)必要性能。因?yàn)閼敉獗┞对囼?yàn)時(shí)間長(zhǎng)，所以實(shí)驗(yàn)室加速測(cè)試被廣泛應(yīng)用于此行業(yè)。其中最常用的實(shí)驗(yàn)室加速老化測(cè)試設(shè)備，是符合ASTM G154標(biāo)準(zhǔn)的紫外/冷凝設(shè)備，也就是通常所說(shuō)的QUV。 QUV紫外光老化試驗(yàn)箱中，在一定溫度條件下，測(cè)試樣品被反復(fù)暴露在紫外光照和冷凝的交替循環(huán)中。此前，只是熒光紫外燈管、紫外和冷凝暴露多長(zhǎng)時(shí)間及暴露溫度等測(cè)試條件的選擇。本文探討了QUV老化試驗(yàn)機(jī)的改進(jìn)：光強(qiáng)輸出的精確控制和更高輻照度。所列數(shù)據(jù)是幾種常見(jiàn)的聚合物在較高的輻照度條件下的加速老化測(cè)試結(jié)果。

輻照度控制系統(tǒng)

輻照度控制系統(tǒng)，市場(chǎng)上稱“太陽(yáng)眼”，包括一個(gè)可編程的控制器，連續(xù)監(jiān)控四個(gè)安裝在測(cè)試樣板面上傳感器測(cè)得的紫外線強(qiáng)度。一個(gè)四通道反饋回路系統(tǒng)通過(guò)調(diào)整紫外燈管的輸出功率以控制所設(shè)定的輻照度。該輻照度可被

調(diào)整成不同的強(qiáng)度以適應(yīng)不同的應(yīng)用條件。圖1是輻照度控制系統(tǒng)如何工作的示意圖。

太陽(yáng)眼輻照度控制系統(tǒng)示意圖

每個(gè)傳感器監(jiān)控兩根燈管的強(qiáng)度。操作者定期對(duì)每個(gè)傳感器進(jìn)行單獨(dú)校準(zhǔn)。該校準(zhǔn)可溯源至美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)協(xié)會(huì)(NIST)，符合ISO 9000的要求。

之前的數(shù)據(jù) 2 已表明，太陽(yáng)眼控制系統(tǒng)在很大程度上消除了紫外線強(qiáng)度的差異，因而大大降低了測(cè)試結(jié)果的差異。

高輻照度產(chǎn)生更快結(jié)果

可編程的自動(dòng)輻照度控制系統(tǒng)允許操作者，選擇一個(gè)比標(biāo)準(zhǔn)輻照度高的輻照度進(jìn)行紫外線暴露測(cè)試。對(duì)于許多材料，這將加快降解進(jìn)程，因而縮短了測(cè)試時(shí)間。

普遍認(rèn)為?UVA-340 燈管比?UVB-313 燈管能更真實(shí)地模擬太陽(yáng)光 3,4 。自推出以來(lái)，大多數(shù)塑料行業(yè)已換用UVA-340燈管，因?yàn)樗芙o出更切合實(shí)際的結(jié)果。然而，盡管UV-B 管燈有其不足之處，但由于能給出更快的結(jié)果，很多涂料研究人員仍繼續(xù)使用它們。應(yīng)用可編程控制器，現(xiàn)在在更高的輻照度水平下，使用UVA-340燈管可以加快測(cè)試進(jìn)程。圖2顯示了UVA-340 燈管在不同輻照度水平下與太陽(yáng)光光譜的比較。

建議最大輻照度不超過(guò)典型?G154 輻照度的 1.75倍。即使燈管在最大功率時(shí)能夠有更高的輻照度水平，也不建議在高于正常情況1.75倍的輻照度水平下進(jìn)行試驗(yàn)。必須留有一部分功率用于維持現(xiàn)有的設(shè)定值和解決一些諸如因燈管老化和其他因素等引起的輻照度降低的問(wèn)題。應(yīng)該指出的是，在高于正常輻照度下使用燈管，其有效使用壽命將會(huì)縮短。

?不同聚合物的暴露結(jié)果

為了確定增大輻照度對(duì)降解速率的影響, 15 種不同的涂料和塑料樣品，在裝有自動(dòng)輻照度控制的太陽(yáng)眼系統(tǒng)的QUV/se 中分別以正常輻照度和高輻照度進(jìn)行暴露試驗(yàn)。

暴露條件是：UVA-340燈管，只進(jìn)行光照(100%?)紫外線照射，沒(méi)有潮濕，無(wú)黑暗時(shí)間),50°C。輻照度水平分別為0.83和1.35W/m²/nm@340nm，其結(jié)果見(jiàn)圖3到圖17所示?？偨Y(jié)見(jiàn)表1。

表1測(cè)試材料

15種材料中的9種，增大輻照度會(huì)導(dǎo)致降解速率增大。雖然輻照度大約增強(qiáng)60%，但并不是所有材料降解速率的增大值都相同。

應(yīng)該指出的是，這些暴露不包括潮濕和黑暗時(shí)間，因此，在評(píng)估測(cè)試結(jié)果時(shí)，沒(méi)有考慮潮濕的影響和/或任何黑暗時(shí)間降解的影響。

潮濕的影響

對(duì)于對(duì)潮濕比較敏感的材料，當(dāng)在紫外循環(huán)中加入潮濕影響時(shí), 可能產(chǎn)生更快的加速老化。另外，一些材料由于潮濕的存在可能有完全不同的老化方式。為了對(duì)此進(jìn)行測(cè)試，在4種不同的情況下對(duì)材料進(jìn)行暴露測(cè)試。

100% 紫外光照循環(huán) (50℃)

紫外光照 + 潮濕循環(huán) (50°C下4小時(shí)紫外光照，與50°C下4小時(shí)冷凝交替循環(huán))

紫外光照 + 黑暗/干燥 循環(huán) (50°C下4小時(shí)紫外光照，與50°C下4小時(shí)黑暗交替循環(huán)

潮濕 + 黑暗/干燥 循環(huán) (50°C下4小時(shí)黑暗/干燥，與50°C下4小時(shí)冷凝交替循環(huán))

對(duì)于藍(lán)色乙烯薄膜，紫外光照+潮濕循環(huán)使材料降解的最快。盡管100%的紫外光照循環(huán)對(duì)材料的暴露是紫外光照+潮濕循環(huán)中紫外輻照量的兩倍，其老化結(jié)果并不嚴(yán)重。

潮濕對(duì)聚氨酯的影響更大。再次指出，雖然紫外光照+潮濕循環(huán)對(duì)材料的紫外輻照量?jī)H是100%紫外光照循環(huán)的一半，其降解速率卻要快得多。

有時(shí)潮濕不但影響降解速度，還影響降解類型，這體現(xiàn)在圖20中。這種情況下，紫外光照+潮濕循環(huán)中的老化結(jié)果與只有光照循環(huán)的結(jié)果非常不同。

暴露持續(xù)時(shí)間和測(cè)量時(shí)間間隔

一般情況下，暴露應(yīng)該進(jìn)行到材料完全失效為止。這是因?yàn)槿我鈨蓚€(gè)暴露的降解速率之間的感官差異，按照不同的分析方法可能有所不同。

圖21顯示了以預(yù)期降解水平(在本例中，是發(fā)生黃變)進(jìn)行暴露試驗(yàn)會(huì)引起混淆。如果在delta b的值達(dá)到8后終止暴露，較高輻照度的暴露將會(huì)加快48%。如果在delta b的值達(dá)到34后終止暴露，較高輻照度將只加快32%。只有進(jìn)行該試驗(yàn)直到材料完全失效，才能完整地確定兩個(gè)暴露之間的關(guān)系。

圖22顯示了前面圖中用到的相同數(shù)據(jù)。然而，在這里，該暴露是在一個(gè)預(yù)定的時(shí)間后進(jìn)行分析的。如果在500小時(shí)比較這兩個(gè)暴露，其差值為100%。如果在1000小時(shí)比較，其差值為22%。

一個(gè)更加生動(dòng)的例子，如圖23所示。經(jīng)過(guò)1000小時(shí)的暴露，暴露結(jié)果并沒(méi)有差別。然而，1500小時(shí)，就有一個(gè)18比1的差別。這是因?yàn)檩椪斩容^低的試驗(yàn)在樣品完全失效前就已經(jīng)終止了，無(wú)法知道兩個(gè)暴露之間的實(shí)際關(guān)系。

這些例子也說(shuō)明了為什么要在暴露期間每隔一定間隔測(cè)量降解速率，而不只是在預(yù)定時(shí)間都結(jié)束后才進(jìn)行測(cè)量評(píng)估。

綜述和結(jié)論

采用高輻照度暴露，作為一種實(shí)驗(yàn)室加速老化測(cè)試的方法是當(dāng)前的一個(gè)熱點(diǎn)。一個(gè)達(dá)到較高輻照度，通過(guò)可編程自動(dòng)控制系統(tǒng)，現(xiàn)在已經(jīng)可以在QUV/se老化試驗(yàn)機(jī)中實(shí)現(xiàn)。這個(gè)系統(tǒng)地設(shè)計(jì)是用來(lái)在整個(gè)暴露試驗(yàn)中維持一個(gè)精確的紫外線輻照度水平。利用這個(gè)系統(tǒng)，操作者可以在標(biāo)準(zhǔn)QUV設(shè)備的輻照度到1.75倍輻照度水平之間進(jìn)行選擇。

多種材料的實(shí)驗(yàn)室加速老化數(shù)據(jù)表明，一部分材料，在QUV/se中暴露在高輻照度水平下，能夠快速降解。對(duì)于這些材料，應(yīng)用較高輻照度可以減少試驗(yàn)時(shí)間。

但是對(duì)于某些材料，潮濕或者溫度可能在降解中起到關(guān)鍵性作用。15種被測(cè)材料中有5種，測(cè)試周期中的潮濕提高了黃變或失光的速率。此外，試驗(yàn)表明輻照度、潮濕、黑暗周期和溫度往往共同發(fā)生作用。

應(yīng)用高輻照度來(lái)減少試驗(yàn)時(shí)間是一種很有發(fā)展前途的技術(shù)。但是，也可能對(duì)實(shí)驗(yàn)室和戶外測(cè)試所得結(jié)果之間的相關(guān)性有不利影響。