氙灯老化箱和紫外老化箱的比较分析

气候和阳光辐照是损害涂料、塑料、油墨及其他高分子材料的主要原因，这种损害包括失光、褪色、黄变、开裂、脱皮、脆化、强度降低及分层。即使是室内的光及通过玻璃窗透射的太阳光也都会使一些材料老化，比如引起颜料、染料等褪色或变色。
   对许多制造商而言，产品的耐老化和耐光性是极其重要的。加速检测老化和光稳定性的设备被广泛用于研究开发、质量、控制和材料检定，这些检测设备提供快速并且可重复的测试结果。近年来，低价位且使用方便的实验室检测设备已经开发出来，包括QUV紫外加速老化设备符合ASTMG154）Q-Sun氙灯试验箱符合ASTMG155。
   测试抗老化和光稳定性的*方法经常引起争论。几年来，各种各样的方法都被应用过，现在大部分研究者使用自然曝露方法,Q-Sun氙弧灯或QUV加速老化试验设备。自然曝露测试方法有很多优点，实际、便宜、易于操作，然而大部分制造商不愿意等上几年的时间来观察一种新的改良的产品设计是否真的得到改进。
   Q-Sun氙弧灯试验箱和QUV紫外加速老化试验箱是应用zui广泛的加速老化检测设备，这两种检测设备的测试原理*不同。Q-Sun氙灯试验箱模拟太阳光的所有光谱，包括紫外线（UV）、可见光和红外线（IR），氙灯光谱在295nm到800nm范围内基本上与太阳光的光谱相吻合（如图1所示）。Q-Sun被用来测试许多产品，这些产品对紫外线的长波段、可见光及红外线较敏感。
  QUV不能模拟全光谱太阳光。它的原理是，对于曝露在室外的经久耐用的材料，紫外线的短波段300~400nm是引起老化损害的zui主要原因（如图1所示）。从中可以看出，在紫外线的短波区域，即从365nm到太阳光的zui低波段，QUV能很好地模拟太阳光，然而，对于长一点的波长它将无能为力。
  测试的*方法依赖于测试需要，每种方法都可能非常有效。应该根据被测产品或材料、zui终的应用条件、所考虑的降解模式和预算来选择合适的检测设备。
  1老化的3要素
  光照、高温和潮湿，这3个因素中的任何一个都会引起材料的老化损害，但它们往往同时发生作用，所造成的危害将大于其中任一因素的单独作用。
   1.1光照
   不同材料对光的敏感性不同。对于经久耐用的材料，如大多数涂料、塑料，紫外线的短波段是引起大部分聚合物老化的原因。然而，对于不是那么经久耐用的材料，比如一些颜料和染料，紫外线的长波段甚至可见光也会使其产生严重的老化。
   1.2高温
  当温度升高时，光的破坏作用也将随之增大。尽管温度不影响主要的光致反应，但却影响次要的化学反应。实验室老化测试必须提供的温度控制，通常还通过升温的方法来加速老化过程。
   1.3潮湿
  露水、雨水及高湿度是引起潮湿危害的主要原因。研究表明，放在室外的物品每天都将长时间（平均每天8-12h处于潮湿状态。研究发现，由潮气形成的露水是室外潮湿的主要因素，露水造成的危害比雨水更大，因为它附着在材料上的时间更长，引起更为严重的潮湿吸收。当然，雨水对材料的危害也很大，雨水将引起热冲击。比如一辆在炎热夏日里温度升高的汽车突然因阵雨而急剧降温，就会产生冲击现象。雨水冲刷引起的机械侵蚀也会加速材料发生老化，如木材涂层因雨水冲洗去除了表面老化层，将未老化的里层暴露于太阳光下，从而产生进一步老化。

近年来，人们越来越关心涂料中颜料的耐候老化性能。当室外涂料受到大气条件下光照、温度、潮湿等因素的影响，会产生褪色、色迁移、色强度变化等老化现象。自然户外曝晒[1]和加速老化试验箱是测试材料耐候老化性能的主要方法。国内外涂料行业长期开展了户外大气老化测试。国内在海南、广州、敦煌等地都有规模不等的户外曝晒场，上通常作为基准曝晒地点的有美国的佛罗里达和亚利桑那、澳大利亚的阿伦加(Allunga)等。户外曝晒测试有很多优点，如真实、便宜、易于操作等。户外曝晒的测试时间相对较长，所以有必要进行试验室加速老化测试。在加速老化测试方面，除少数的日本企业仍沿用碳弧灯外，主要的测试方法有紫外光照和氙灯两种。然而，氙灯加速老化试验箱不能模拟所有的老化参数，而且有一些测试变量容易引起错误的试验结果，从而导致错误的结论。但是可以利用户外曝晒的结果作为参考来检验加速老化测试的真实性，从后使得加速老化试验更具有实际使用价值。

    1试验目的

    本文试验目的是比较自然户外曝晒与氙灯试验室加速老化测试方法[2]之间的结果，并通过试验数据及数学计算，找出两者之间的对应关系。

    2两种测试方法简介

    2.1Allunga自然户外曝晒

    本文所做研究的自然户外曝晒在澳大利亚的Allunga(纬度19°，南半球)进行，样品架朝北，与水平面之间的夹角为19°。曝晒时间为24个月，并在不同时间段取出样品，测试它们的颜色变化。测试样品架及曝晒场如图1所示。测试期间2007年及2008年的气候条件如表1所示。

[表12007及2008年度Allunga的气候情况]

表12007及2008年度Allunga的气候情况

[图1Allunga户外曝晒场]

图1Allunga户外曝晒场

    2.2Q-Sun试验室加速测试

    2.2.1氙灯试验箱的老化原理

    氙灯试验箱可以模拟全光谱太阳光，包括紫外线、可见光和红外线。其优点是1a中任何时候都有重现性，快速，它是与日光源zui接近的人工光源。氙灯产生的光谱必须经过过滤来减少不需要的光谱成分。使用不同类型的玻璃过滤器可得到不同的光谱。有经常使用的3种类型过滤器：日光、窗玻璃和紫外延伸过滤器。本次试验中，采用日光过滤器，图2显示了这种过滤器产生的光谱，同时也显示了295??400nm的紫外线短波段的光谱图。可以看出该光谱较好地模拟了太阳光谱。大多数氙灯检测设备通过水喷淋或湿度控制系统来模拟湿度的影响。水喷淋可很好地模拟热冲击和机械侵蚀。在测试系统中，为了防止水对样品的污染，试验用高纯度的去离子水。氙灯试验箱的工作示意图如图3所示。

[图2配备有日光过滤器的Q-Sun光谱和太阳光谱之间的比较]

图2配备有日光过滤器的Q-Sun光谱和太阳光谱之间的比较

[图2配备有日光过滤器的Q-Sun光谱和太阳光谱之间的比较]

图2配备有日光过滤器的Q-Sun光谱和太阳光谱之间的比较
 

    2.2.2氙灯试验箱测试条件

    按照表2测试条件对测试样板进行曝晒，同样在不同时间段取出待测样板，观察它们的颜色变化。

    2.3样板制备及评估方法

    将待检测的COLORTREND??1、2、3、4、5、6#共6种不同的建筑涂料用色浆，按一定的比例加入到标准检测用平光外墙涂料中，使之达到1/25颜色标准深度。在震荡机上震荡3min混匀，在预涂了底漆的铝板上用100μm线棒涂布2道。在室温放置5d后进行曝晒试验。每种颜色的同一试验各制备4块样板，3块投入试验，1块作为标准板室内放置。自然户外曝晒共24个月，在6个月、9个月、12个月、18个月、24个月各评估一次；氙灯试验室加速测试按表2试验条件运行2000h，样板评估间隔周期为500h。用分光光度计在D65标准光源下与标准板对比检测颜色，记录色差DE值。目测涂膜表面是否有失光、粉化、开裂、脱落及斑点等现象[3]。本试验中使用了高耐候的平光外墙涂料，经2000h氙灯及24个月自然曝晒，涂膜表面均无失光、粉化、开裂、脱落及斑点等现象，不影响颜色评判。

    3户外曝晒与氙灯试验室加速测试之间的比较

    根据所得评估结果的数据，分别计算了自然户外曝晒与氙灯试验室加速测试方法之间的相关系数rs[4](spearman)。该相关系数指的是利用两种不同的测试方法对一组样品进行测试，所得试验结果之间的相关性。

    相关系数rs的计算公式为其中，n是样品的个数，di是两列排序中每一组排位数之间的差值。rs越接近于1，相关性越好。通过以上方法求出自然户外曝晒与氙灯试验室加速老化测试结果之间的相关系数，并对试验数据进行评估，解决大家通常比较关心的问题——对于不同颜料类型，如果试验室加速测试与户外曝晒结果的相关性足够好，那么在氙灯试验箱中测试多少小时相当于在户外曝晒多少个月的结果。6种样品在户外曝晒的颜色变化(DE)的值如图4所示。氙灯试验室加速测试的颜色变化(DE)的值如图5所示。观察图4、图5的数据，可以看出，不管是户外曝晒还是氙灯加速测试，每种样品的颜色均发生变化，而且随着试验时间的增长，DE的值都在增加。在计算氙灯测试2000h相当于户外曝晒多少个月之前，我们需要知道它们之间的相关性如何。只有在相关性好的情况下，计算氙灯测试2000h相当于户外曝晒多少个月才有意义。

    由2/[n(n2-1)]计算，得出Allunga自然户外曝晒与氙灯试验室加速测试之间的相关系数。以500h氙灯与6个月自然曝晒之间的相关性为例，相关系数rs的计算方法如表3。

[表2氙灯实验室加速测试程序参数]

表2氙灯实验室加速测试程序参数

    表3500h氙灯与6个月自然曝晒颜色变化DE排序表

[表3500h氙灯与6个月自然曝晒颜色变化DE排序表]

表3500h氙灯与6个月自然曝晒颜色变化DE排序表

    依据公式rs=1-6×[(1-1)2+(6-6)2+(4-5)2+(3-2)2+(5-4)2+(2-3)2]/6×(62-1)

    则rs=0.89

    所有相关系数的数值如表4所示。

    从表4可以看出，Allunga户外曝晒6个月、9个月、12个月、18个月、24个月的结果与氙灯试验箱500h、1000h、1500h、2000h各时间段的相关性都比较好。

    根据图4、图5的颜色变化数据可知，在氙弧灯试验箱中测试2000h，其样品的颜色变化没有户外曝晒24个月的颜色变化大。我们以在氙弧灯试验箱中测试1000h、1500h、2000h样品发生的颜色变化为基准，计算每种样品在氙弧灯试验箱中测试1000h、1500h、2000h分别相当于户外曝晒多少个月，然后取其算术平均值。通过计算，其对应关系如表5所示。

[图4自然爆晒后样品的颜色变化]

图4自然爆晒后样品的颜色变化

[图5氙灯试验室加速测试的颜色变化]

图5氙灯试验室加速测试的颜色变化

    表4Allunga自然户外曝晒与氙灯实验室加速测试之间的相关系数

[表4Allunga自然户外曝晒与氙灯实验室加速测试之间的相关系数]

表4Allunga自然户外曝晒与氙灯实验室加速测试之间的相关系数
 

[表llunga自然户外曝晒]

表llunga自然户外曝晒

    4结论

    户外测试是试验室加速老化测试的基础。通过本文研究，我们认为两者试验数据间有一定的关联性。我们也进一步认识到积极开展户外老化测试，并用以指导试验室加速测试的重要性。当然两者之间的对应关系会因户外测试的地理位置、气候变化、底材种类的变化等而有所不同。更重要的是颜料与涂料作为一个整体进行试验。不同的涂料体系会得到不同的结果。如果涂料体系、颜料类型、或颜料含量等任意一项发生改变，我们只能对zui终结果作推测。因为这些改变可能对zui终结果产生较大的影响。