陽(yáng)光是損壞暴露在戶(hù)外的材料的一個(gè)重要原因。陽(yáng)光的波長(zhǎng)越短，傷害越大。陽(yáng)光中波長(zhǎng)最短的是紫外線。雖然紫外線只占落在地球表面的太陽(yáng)能總量的5%，但它幾乎會(huì)對(duì)暴露在戶(hù)外的耐用材料造成所有的損害。
玻璃像過(guò)濾器一樣過(guò)濾陽(yáng)光。它對(duì)可見(jiàn)光基本上是透明的，但過(guò)濾掉了大部分紫外線。汽車(chē)玻璃是一種比普通窗戶(hù)玻璃更有效的過(guò)濾器，因此可以過(guò)濾掉更多有害的紫外線。然而，紫外線仍然是損壞汽車(chē)內(nèi)部材料的一個(gè)重要原因。
陽(yáng)光的侵蝕只是老化的一個(gè)方面。對(duì)于許多材料來(lái)說(shuō)，濕度和溫度可能更為重要。沒(méi)有一臺(tái)設(shè)備可以復(fù)制不同環(huán)境中的所有變量。因此，任何測(cè)試參數(shù)的選擇都有些武斷。加速測(cè)試結(jié)果總是相對(duì)的。即使是最精密的老化測(cè)試儀也應(yīng)被視為篩選設(shè)備。
圖1顯示了夏季陽(yáng)光的光譜能量分布(SED)與冬季陽(yáng)光的SED的對(duì)比。夏季陽(yáng)光的低端紫外線截止波長(zhǎng)為295納米。
從夏天到冬天，陽(yáng)光的強(qiáng)度和光譜都有變化。最重要的是在冬季短波長(zhǎng)紫外線輻射的損失。
陽(yáng)光能量通常分為紅外光、可見(jiàn)光和紫外光。紅外線由可見(jiàn)紅光以外的波長(zhǎng)組成(長(zhǎng)于760納米)。可見(jiàn)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。
紫外光譜的波長(zhǎng)區(qū)域 | ||
名稱(chēng) | 波長(zhǎng) | 重要性 |
UVA | 400~ 315 nm | 導(dǎo)致聚合物損壞 |
UVB | 315 ~ 280 nm | 包括在地球表面發(fā)現(xiàn)的被汽車(chē)玻璃吸收的最短波長(zhǎng)，這是造成嚴(yán)重聚合物損壞的原因 |
UVC | 280~ 100 nm | 只存在于外層空間-被地球大氣層過(guò)濾掉-殺菌 |
光化學(xué)降解是由光的光子破壞化學(xué)鍵引起的。對(duì)于每種類(lèi)型的化學(xué)鍵，都有一個(gè)臨界波長(zhǎng)的光，其能量足以引起反應(yīng)。任何波長(zhǎng)短于閾值的光都可以打破這種結(jié)合，但更長(zhǎng)波長(zhǎng)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(gè)概念對(duì)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(duì)低于295納米(太陽(yáng)截止點(diǎn))的紫外光敏感，它在戶(hù)外永遠(yuǎn)不會(huì)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(huì)變質(zhì)。正如將要顯示的，通過(guò)汽車(chē)玻璃過(guò)濾的太陽(yáng)光的光譜截止約為315 nm。任何光譜包含短于315 nm波長(zhǎng)的測(cè)試儀都不可避免地會(huì)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(cè)試速度和準(zhǔn)確性往往是對(duì)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(cè)試儀是很危險(xiǎn)的。這是實(shí)驗(yàn)室測(cè)試人員面臨的挑戰(zhàn)——在不對(duì)材料施加不自然應(yīng)力的情況下加速。
兩種類(lèi)型的加速老化測(cè)試儀廣泛用于預(yù)測(cè)老化損傷:氙燈老化試驗(yàn)箱和熒光紫外老化箱?；⌒蜏y(cè)試儀試圖重現(xiàn)陽(yáng)光的整個(gè)光譜。熒光測(cè)試人員并不試圖復(fù)制陽(yáng)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(guó)首次將氙弧燈用于實(shí)驗(yàn)室加速老化。一些型號(hào)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(shí)，應(yīng)該理解兩個(gè)重要的概念。
1. 輻照度水平的影響-氙弧的常見(jiàn)輻照度設(shè)置為340 nm時(shí)0.35或0.55 W/m2。出于實(shí)用的原因，大多數(shù)非汽車(chē)用戶(hù)選擇0.35的設(shè)置。如圖2所示，0.55與夏天的陽(yáng)光相比相當(dāng)不錯(cuò)，但是0.35更像冬天的陽(yáng)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(lái)減少不需要的輻射。最常見(jiàn)的是硼硅酸鹽內(nèi)外過(guò)濾器。這種在0.55輻照度水平下工作的組合可以用來(lái)模擬整個(gè)太陽(yáng)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(zhǎng)輻射。
汽車(chē)測(cè)試通常指定石英/硼硅酸鹽過(guò)濾器。這種組合允許更不現(xiàn)實(shí)的短波長(zhǎng)紫外線攻擊樣本。圖3顯示了與夏季陽(yáng)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(cè)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(yáng)光的對(duì)比圖。在太陽(yáng)光的臨界短波紫外線部分，從大約365納米到295納米的太陽(yáng)截止波長(zhǎng)，UVA-340比氙弧更接近直接太陽(yáng)光的再現(xiàn)。
玻璃對(duì)陽(yáng)光的過(guò)濾作用
普通的窗玻璃-玻璃對(duì)可見(jiàn)光基本上是透明的，但過(guò)濾掉了太陽(yáng)光中的大部分紫外線。波長(zhǎng)越短，過(guò)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(guò)濾掉(圖5)。
汽車(chē)玻璃
擋風(fēng)玻璃——汽車(chē)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(guò)濾效率。圖6顯示了直射陽(yáng)光與透過(guò)汽車(chē)擋風(fēng)玻璃的陽(yáng)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(guò)濾掉了。該數(shù)據(jù)與Robbins和Donald等人先前報(bào)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(chē)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(chē)側(cè)窗和后窗的陽(yáng)光直射對(duì)比。過(guò)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。
用于下面比較的汽車(chē)玻璃是過(guò)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(chē)玻璃。
封閉式碳弧
自1918年以來(lái)，封閉式碳弧一直用于實(shí)驗(yàn)室氣候和耐光性測(cè)試。一些測(cè)試方法仍然需要使用它。
封閉碳弧的UV光譜主要由兩個(gè)非常大的能量尖峰組成，在350 nm以下幾乎沒(méi)有輸出。圖8將封閉的碳弧與透過(guò)汽車(chē)玻璃過(guò)濾的陽(yáng)光進(jìn)行了比較。由于最短的紫外線波長(zhǎng)是最具破壞性的，封閉的碳弧對(duì)大多數(shù)材料的測(cè)試非常慢，對(duì)短波長(zhǎng)紫外線敏感的材料的相關(guān)性很差。
陽(yáng)光碳弧
自1933年以來(lái)，陽(yáng)光碳弧一直用于實(shí)驗(yàn)室老化。
陽(yáng)光碳弧光譜最嚴(yán)重的問(wèn)題在于短波。這種碳弧發(fā)出低至(有時(shí)低于)260納米的大量UVC能量。這遠(yuǎn)低于汽車(chē)玻璃后截止點(diǎn)315 nm，與實(shí)際汽車(chē)內(nèi)部暴露相比，可能會(huì)導(dǎo)致不真實(shí)的結(jié)果。圖9顯示了陽(yáng)光碳弧(使用Corex D過(guò)濾器)與透過(guò)汽車(chē)玻璃的陽(yáng)光的對(duì)比。
氙弧燈
目前用于紡織品和軟裝飾的汽車(chē)測(cè)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(guò)汽車(chē)玻璃的陽(yáng)光與氙弧燈的對(duì)比。如圖所示，氙燈的短波長(zhǎng)截止約為280納米。透過(guò)汽車(chē)玻璃的陽(yáng)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(cè)試。圖11顯示了透過(guò)汽車(chē)玻璃的陽(yáng)光與UVA-351的對(duì)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(guò)玻璃的陽(yáng)光的315 nm截止波長(zhǎng)，但UVA-351是透過(guò)玻璃的陽(yáng)光的良好模擬。
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(huì)有爭(zhēng)議。使用短波長(zhǎng)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(cuò)了，他們通常是錯(cuò)誤的。相反，消除低于使用環(huán)境的光譜截止波長(zhǎng)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(jià)是加速度的降低。用戶(hù)(或指定者)必須教育自己做出選擇。
