實驗室老化設備
Rudy Leber
(美國ATLAS 材料測試集團)
摘要: 介紹人工老化試驗設備中*常用的幾種光源的產生、發展、結構和特點,并從與自然光源相似程度的角度,分析了幾種光源的優缺點。
　由于需要比室外自然老化測試較為快速地評估材料的抗老化性能,以及需要可控的測試環境,通常采用帶人工光源的測試設備來加速老化過程。這些設備包括碳弧燈、過濾的氙弧燈、金屬鹵化物燈和熒光紫外線燈。這些“試驗室加速老化”測試設備在某些情況下可能*適合于“人工老化”
試驗工作。“實時”老化加速方法的采用有幾個原因。首先,這種測試可以在自然的或比日光更強的輝光下工作,不受日常循環、季節變化和氣候條件的影響。材料暴露的溫度、熱循環、濕度和水份也可以控制到*大值,但是不會影響應力問題。樣品可以暴露在超過自然水平的光譜能量下,雖然在此過程中必須仔細操作,以防止產生非自
然的老化機制。除了可以根據要求加速和控制老化條件的能力,實驗室測試的另一個主要優點是其**性和可重復性,而在自然測試中,實際氣候是無法控制的和多變的。另外,每個老化因素都可以獨立控制,這樣,研究工作可以簡化為研究各種老化條件對材料性能的特定影響,而這是在戶外的自然條件下很難或無法進行的。人工老化設備通常按照使用的光源類
型分類。*常見的光源類型有碳弧燈、熒光紫外線燈以及金屬鹵化物光源。每種光源都有自己的優點及缺點,每個老化實驗人員都必須懂得這一點。由于曝露材料所吸收的輻射能是至關重要的,我們將著重討論光源的質量,即每種光源與自然日光的相似程度。
碳弧燈
碳弧儀器*初被德國合成染料化學家用來評估被染紡織品的耐光度。**臺阿特拉斯Color Fade - OmeterR○ 于1919 開始投入使用,作為一種封閉式碳弧( ECA) 光源,它是在以前的一種阿特拉斯產品上重新設計開發的。前一種產品本身是在更早的阿特拉斯日光碳弧舞臺燈基礎上開發的。當時芝加哥是世界電影之都,而舞臺燈光正是阿特拉斯的主要業務。對于這種舞臺燈光的使用者來說,演員所穿的某些紡織布料和衣飾會逐漸掉色。今天,封閉式碳弧燈有單弧和雙弧兩種;電弧封閉在一個PyrexTM球中,這個球可以具有某些過濾功能,并可提供一個無氧環境。1930 年發明了一種開放式碳弧燈,即帶CorexR○ 過濾的阿特拉斯日光碳弧Weather- OmeterR○ ,它可以比自然日光提供更多的
波長小于300 nm 的紫外線,但是在300 nm- 340 nm 波段上更接近自然光,并且比封閉式碳弧燈在更長的波段上的偏離性更小。如果不使用過濾裝置來進行更快速測
試,那么與戶外自然測試相比,某些材料的穩定性可能發生變化。日光碳弧燈使用三對碳棒,不受空氣流動的影響,電弧在碳棒之間旋轉,以模擬每天的日光變化,弧光由
周圍的平面Corex 濾鏡組過濾。這種燈的紫外線光譜與日光相差較大。它的兩個強力發射波段峰值分別在358 nm 和386 nm ,是日光強度的4 倍和20倍。對于只吸收短波紫外線輻射的材料來說,這種光源比日光的老化效果要弱,但是對于既吸收長波紫外線又吸收可見光的材料來說,這種光源的效果要比日光強。所
以,對于評估材料的相對光穩定性來說(既包括吸收短波紫外線的材料,也包括吸收長波紫外線的材料) ,與暴露在日光下的老化結果相比,封閉式碳弧燈的結果可能會
不準確。這兩種碳弧技術都需要每日更換碳棒和清潔球罩的濾鏡。濾鏡和球罩老化很快,必須定期更換。同時,必須**累積的碳灰。使用碳弧燈的歷史時間很長,至今在某些測試中仍舊使用這種光源。而且對于某些材料來說,這種燈的效果與日光的
效果很近似。現在,這種技術已經被氙弧所代替。描述使用碳弧光源的設備性能的主要文獻是:ISO 4892 - 塑料- 實驗室光源的方法- 第四部分: 開放式碳弧燈, ASTMG152 ,使用開放式碳弧光源照射非金屬材料的操作方法以及G153 ,使用封閉式碳弧光源照射非金屬材料的操作方法。
熒光紫外線光源         實驗室老化設備
四腳長熒光紫外線燈與家用和商用照老化性能,那么這種燈還是很有用的。但是無法預測材料的使用壽命和與自然條件
的對應關系。這種燈*適合用作通用放映工具,例如,使用人工粗側檢查總體公式錯誤等。總之,這些設備為潮氣模擬提供了凝結變化過程(在無光情況下) 。測試表面暴露到一種空氣和水蒸汽的加熱飽和混合環境中(在黑暗情況下,相對濕度幾乎達到100 %) ,而測試板的背面暴露到正常空氣中,這樣,板的溫度會降到露點以下,導致在此面上形成水珠(露水) 。紫外線變化過程和凝結過程都的順序和時間都可人工調整并實現自動控制。同樣地,在紫外線和凝結變化過程中,溫度也可控制(在一定范圍內) 。
實驗室老化設備