實(shí)驗(yàn)室老化儀器選擇技巧

2010-08-24

實(shí)驗(yàn)室老化儀器選擇技巧
 　 雖然應(yīng)用由于像熱，濕度和機(jī)械改變會(huì)加速老化并影響材料性能的改變，但對(duì)暴露在戶外的材料使用壽命的限制主要是太陽(yáng)光的紫外輻射，所以我從實(shí)驗(yàn)室老化試驗(yàn)中使用的各種光源開(kāi)始我的討論。

一． 封閉式碳弧燈
       這種燈已使用大約70年之久了，在1918年首先使用在紡織品曝曬牢度試驗(yàn)，成為AATCC (American Association of Textile Chemists and Colorists)的光源，現(xiàn)在許多舊的規(guī)范仍要求用它。
封閉式碳弧燈由一隊(duì)碳棒組成，這碳棒密封在一金屬氣體檢塊板( metal gas check plate)和硼硅玻璃球形成的氣密封套中，當(dāng)電流在碳棒之間流過(guò)，產(chǎn)生弧光。由于碳電極的成份，決定它燃燒時(shí)產(chǎn)生的光的品質(zhì)，對(duì)碳棒的任何改變將改變它們的光譜能量分布(SPD)，從而改變測(cè)試條件。
      封閉式碳弧燈的SPD顯示，它的主要能量集中在3個(gè)相當(dāng)窄的波帶中。在低于345nm處還有相對(duì)小的能量可采用，在這一段聚合物有大吸收靈敏度。但封閉碳弧燈的光譜功率分布與自然日光相差較大。碳弧燈既沒(méi)有自然日光中的短波紫外輻射，在400~800nm間也沒(méi)有日光的高強(qiáng)度能量。由于這種燈在光譜上與日光存在較大差異，要比較自然氣候老化和使用碳弧燈的實(shí)驗(yàn)室老化相關(guān)性就困難了。
二． 日光碳弧燈
     日光碳弧燈與封閉碳弧燈一樣是星期老化試驗(yàn)使用的光源，早始于1933年?；」庠谌?duì)碳棒中的一對(duì)產(chǎn)生，用八塊玻璃濾光片環(huán)繞弧燈，它主要用在涂料工業(yè)中，許多規(guī)范中規(guī)定使用此種光源。
由于封閉碳弧燈的缺陷，日光碳弧燈碳棒的成份改變，使它的SPD較類似于日光方面有明顯的改進(jìn)。但是與日光的SPD比較在350nm和50nm之間的很大差別仍可引起相關(guān)性差。
三． 熒光紫外燈
      在理論上進(jìn)短波能量是主要的。如果它的很少能量就能導(dǎo)致材料的老化。為什么不顯著增加這能量，達(dá)到快速試驗(yàn)的效果呢？比較FS-40熒光燈的SPD和Florida太陽(yáng)光的SPD，可以看出達(dá)到了增加紫外線能量的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，不僅是UV能量水平增加，而且光譜范圍也增加到自然光中沒(méi)有的UV能量。這能量分布的急劇改變可以使許多產(chǎn)品加速損壞。
　　由于熒光裝置中存在在地球表面測(cè)量時(shí)自然日光中沒(méi)有的輻射能量，熒光裝置可以引起非自然的破壞。另外熒光光源除了很窄的水銀光譜線外，沒(méi)有高于375nm的能量，這樣對(duì)較長(zhǎng)波長(zhǎng)的UV能量敏感的材料就可能不會(huì)使曝曬在自然日光下那樣變化。
　　由于這些固有缺陷，不僅在光譜分布上，而且還有無(wú)法控制的其他因素，從而得出不規(guī)則的結(jié)果。Atlas公司一般不考慮使用這種光源。我們認(rèn)為它的主要用途是作為一個(gè)紫外篩選裝置，限于質(zhì)量控制應(yīng)用。 四． 氙弧燈
新的，也是更好的光源是氙弧燈，它在50年代首次引入使用時(shí)為空氣冷卻系統(tǒng)，隨后在60年代使用水冷。這種光源對(duì)本世紀(jì)初形成加速老化的原始概念時(shí)期使用密封碳弧燈加速老化試驗(yàn)裝置以很大沖擊。
無(wú)論是空氣冷卻還是水冷卻，氙燈都有相同的基本光譜能量分布(SPD)，冷卻的方式不同，則燈的源光玻璃裝置和結(jié)構(gòu)不同。下面我們只限于討論Atlas產(chǎn)品采用的水冷系統(tǒng)。
     水冷氙燈系統(tǒng)由石英，燃燒管，內(nèi)，外濾光裝置和不銹鋼裝配組件組成，不銹鋼部件使各部份裝配成一個(gè)系統(tǒng)。安裝后，將去離子水或蒸餾水泵入這系統(tǒng)冷卻燈管和吸收長(zhǎng)波紅外能量。當(dāng)用硼硅玻璃，內(nèi)，外濾光時(shí)，氙燈系統(tǒng)近似于自然日光，將外濾光玻璃該為鈉鈣玻璃，則接近經(jīng)過(guò)玻璃窗過(guò)濾后的自然日光。
     初始開(kāi)發(fā)的2500W和6000W氙燈，由于隨著點(diǎn)燃時(shí)間的增加，有黑色沉積物在電極區(qū)形成，隨著繼續(xù)使用，沉積從電極區(qū)向燈管中心擴(kuò)大，這些沉積物嚴(yán)重影響了燈的能量輸出，使燈的壽命縮短，當(dāng)時(shí)，在額定輻射水平上使用的6000W氙燈，每300~500小時(shí)就需要更換。Atlas立即開(kāi)始了改進(jìn)氙燈性能的研究。
　　1974年秋，在J.NORTON先生的指導(dǎo)下，研制出了6500W氙燈，這種新的氙燈工作在新的金屬件中，用這種新的金屬?zèng)]有了電極區(qū)，消除了黑色沉積的問(wèn)題。當(dāng)與Atlas的光監(jiān)視系統(tǒng)一起使用時(shí)，6500W的氙燈使用壽命超過(guò)1500小時(shí)，一般可達(dá)2000小時(shí)。但工作在高強(qiáng)度輻射下的氙燈的使用壽命會(huì)受影響。
6500W氙燈現(xiàn)在在Atlas C系列氣候老化儀和褪色試驗(yàn)儀中使用。
     氙弧燈首先用于塑料工業(yè)：許多規(guī)范如AATCC，ASTM，ISO和政府的規(guī)范都將它列入為使用燈。紡織工業(yè)是傳統(tǒng)使用碳弧燈的用戶，現(xiàn)在也改變他們的規(guī)范使用氙燈。AATCC不僅規(guī)定了使用氙燈，而且規(guī)定了使用的輻射水平，以及輻射曝露劑量(每平方米多少焦耳)以便產(chǎn)生一個(gè)期望的顏色變化。
     使用碳弧燈的另一傳統(tǒng)工業(yè)是汽車工業(yè)，近國(guó)際工業(yè)纖維協(xié)會(huì)IFAI強(qiáng)調(diào)氙弧燈方法已發(fā)展作為汽車內(nèi)部裝備，裝飾產(chǎn)品的老化試驗(yàn)方法。
事實(shí)上，在Ci35和Ci65氙燈老化儀中試驗(yàn)，證明許多產(chǎn)品與曝露在Florida試驗(yàn)基地的自然老化試驗(yàn)結(jié)果相關(guān)性高達(dá)98%。
　　我們已經(jīng)討論了光源，下面我們將看看除光源以外的許多其他因素的影響。這些因素在我們選擇儀器時(shí)也應(yīng)當(dāng)考慮，從而產(chǎn)生很高的試驗(yàn)相關(guān)水平。
水份
　　無(wú)論是直接噴水(雨)，潮濕，還是凝結(jié)水(露水)都是實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)中要模擬的影響因素。但是不像溫度或輻射可以增加水份來(lái)加速光化學(xué)反應(yīng)。樣品的濕度是不能增加的。但是我們能做的是增加干變濕，濕變干，以及熱沖擊周期的頻率。Papenroth博士在一篇有機(jī)涂料的論文中報(bào)告說(shuō)："在老化試驗(yàn)中不僅水的存在是主要的適當(dāng)增加濕潤(rùn)和干燥周期的頻率，并駁斥所有其他條件恒定的情況下，能加速老化過(guò)程。"雖然在樣品表面的有效相對(duì)濕度和樣品室的相對(duì)濕度之間的關(guān)系上還存在某些不同意見(jiàn)，但濕度是一個(gè)重要影響因素，這一點(diǎn)大家是一致的。
溫度控制
　　簡(jiǎn)單的加速老化反應(yīng)的方法是加熱，但必須小心調(diào)整溫度不超過(guò)導(dǎo)致不同試驗(yàn)結(jié)果的溫度點(diǎn)。原油精練是一個(gè)例子，在蒸餾過(guò)程中要加熱，當(dāng)小心地調(diào)整控制加熱時(shí)，原油可分解為它的各種成份，但加太多熱就將發(fā)生大災(zāi)難。
　　相類似，加速老化程序中，在錯(cuò)誤的溫度上試驗(yàn)將引起不規(guī)則的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。所以重要的是要知道產(chǎn)品使用溫度是多少，以便將他們編入加速試驗(yàn)周期程序。
傳統(tǒng)上，用一個(gè)黑板溫度計(jì)測(cè)量試驗(yàn)溫度。在理論上，黑板溫度代表大的樣品溫度。雖然在傳感器的結(jié)構(gòu)上有某些不同意見(jiàn)，溫度控制的極端重要性是一致公認(rèn)的。
     在美國(guó)，實(shí)際上所有老化試驗(yàn)規(guī)范都按ASTM建議實(shí)行的G26和G23所說(shuō)明的要求使用黑板溫度。一個(gè)例外是ASTM G53，這里使用熒光裝置，使用一不同幾何結(jié)構(gòu)的溫度計(jì)。
在德國(guó)，通過(guò)他們的標(biāo)準(zhǔn)組織DIN發(fā)展了一種用于塑料工業(yè)的不同溫度計(jì)，他們認(rèn)為裝在金屬板上的傳感器不能準(zhǔn)確代表塑料暴露的溫度，所以建議要用一個(gè)裝在塑料物體上的傳感器。這種溫度計(jì)也能用在Atlas C系列儀器中。
　   傳感器裝在與樣品相連的曝露架上，并通過(guò)一采集系統(tǒng)達(dá)到電子系統(tǒng)，連續(xù)控制和監(jiān)視溫度。
亮/暗周期
　　交替亮/暗周期是多數(shù)老化試驗(yàn)循環(huán)的一個(gè)重要部份，已被證明對(duì)汽車內(nèi)部的裝備，飾物產(chǎn)品試驗(yàn)很有意義。在暗周期，儀器可以編程設(shè)置到類似在晚上一個(gè)汽車中的高濕度情況或與對(duì)產(chǎn)品背面噴水結(jié)合在油漆板？？？？撒謊能夠產(chǎn)生結(jié)露。
某些儀器旋轉(zhuǎn)樣品，使樣品對(duì)光源旋轉(zhuǎn)，交替地面向光或背向光，這雖然使樣品的暴露類似亮/暗的狀態(tài)，它并沒(méi)有使樣品暴露于不同的濕度和溫度條件，樣品基本上仍保留在與樣品面對(duì)光時(shí)的相同環(huán)境條件，不同的只是樣品沒(méi)有被輻射。為了有一個(gè)真實(shí)的亮/暗條件，光源以某個(gè)預(yù)定的時(shí)間間隔，周期的開(kāi)和關(guān)。在亮/暗時(shí)期儀器必須有獨(dú)立的溫度和濕度控制。
大氣污染
　　建立材料在工地污染空氣中暴露老化的標(biāo)準(zhǔn)方法的工作還做得很少。Sherwin William公司對(duì)二氧化氮和二氧化硫?qū)τ推岚宓挠绊懽隽艘恍┗A(chǔ)的研究。同時(shí)也將材料暴露于溫度，水份和用氙燈模擬的日光下。AATCC也做了在工業(yè)污染與氙弧燈曝曬相結(jié)合來(lái)評(píng)價(jià)對(duì)紡織品的組合作用。很明顯隨著時(shí)間的繼續(xù)，評(píng)價(jià)工業(yè)污染和陽(yáng)光的結(jié)合作用將更為重視。所以老化儀也應(yīng)當(dāng)有使用污染氣體，諸如二氧化氮，二氧化硫和臭氧的能力。
輻射的檢測(cè)和控制
　　在我們前面討論光源時(shí)，已知光源的質(zhì)量在設(shè)計(jì)一加速老化試驗(yàn)程序中是極為重要的，必須記住大多數(shù)試驗(yàn)是要模擬戶外自然條件，所以光源應(yīng)當(dāng)盡可能緊密近似自然日光。記住，將材料暴露在一個(gè)不是使用所經(jīng)受的環(huán)境中，可能產(chǎn)生反常的結(jié)果。
　　我們對(duì)四種光源的簡(jiǎn)短選擇已清楚說(shuō)明配有硼硅玻璃內(nèi)，外濾光套的氙燈是自然光的更好模擬裝置。所以ATLAS選擇集中它的技術(shù)在氙燈系統(tǒng)上。
　　改變達(dá)到樣品的輻射能量的質(zhì)量，可以通過(guò)改變內(nèi)，外濾光套。例如，將外濾光套的硼硅玻璃該為鈉鈣玻璃，將使輻射類似無(wú)過(guò)濾的日光改變成過(guò)濾過(guò)的日光。用石英代替內(nèi)玻璃套，保留硼硅玻璃作為外玻璃套，將稍增加短波(UVB)能量而不犧牲光譜的分布。內(nèi)，外玻璃套都該為石英，產(chǎn)生的UV輻射可低到180nm，所以氙燈系統(tǒng)非常靈活。
　　我們已討論了光的質(zhì)量，數(shù)量的重要，自然會(huì)產(chǎn)生這樣的問(wèn)題：如何能控制這兩個(gè)重要因素？我們已說(shuō)過(guò)改變用在氙燈的濾光套可以改變光的質(zhì)量，也即SPD可以改變，但是一旦做了這些，如何能補(bǔ)償電極老化，濾光玻璃在陽(yáng)光下老化的作用，如何能保證在整個(gè)試驗(yàn)時(shí)間樣品暴露到相同的能量水平。
實(shí)驗(yàn)證明，在一固定電壓瓦數(shù)下，工作過(guò)120小時(shí)的氙燈的輻射比工作過(guò)1500小時(shí)后的氙燈的輻射能量多得多。也就是，如果一個(gè)樣品總暴露時(shí)間為1500小時(shí)，那么在前數(shù)百小時(shí)，氙燈新的時(shí)候樣品就接受日光能比用舊后多。但如果我們引入輻射自動(dòng)控制系統(tǒng)，樣品無(wú)論在新燈和舊燈情況下都接收到相同的能量。控制光源的輸出不僅是需要，對(duì)研究發(fā)展老化試驗(yàn)也是必要的。
　　為了達(dá)到恒定的輻射，ATLAS的CI(Constant Irradiance)系列儀器中裝有窄帶光監(jiān)視器。這系統(tǒng)接收氙燈的輻射能量通過(guò)一石英光棒傳到測(cè)試室外的一個(gè)檢測(cè)盒。在檢測(cè)盒中首先通過(guò)一窄帶濾光片(340nm或420nm)后照射到光電檢測(cè)器上，變換為電信號(hào)，該信號(hào)送到檢測(cè)電路與設(shè)定值比較，如果測(cè)量值小于設(shè)定值，也即輻射低于要求的水平，功率調(diào)整器接受控制信號(hào)增加燈管的功率，使輻射達(dá)到設(shè)定點(diǎn)。如果輻射高于要求的水平，系統(tǒng)將自動(dòng)減小功率，直到輻射到達(dá)設(shè)定點(diǎn)。
　　除了自動(dòng)控制輻射能量恒定外，光監(jiān)測(cè)器，將輻射功率對(duì)時(shí)間積分得出樣品已接收到多少輻射能量。通過(guò)使用一可復(fù)位的倒數(shù)計(jì)數(shù)器，可以對(duì)預(yù)定的輻射總能量編程。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，積分電路將驅(qū)動(dòng)計(jì)數(shù)器，以0.1千焦耳的增量累積，使計(jì)數(shù)器從設(shè)置點(diǎn)逐漸減為零，當(dāng)?shù)竭_(dá)零點(diǎn)時(shí)，儀器自動(dòng)關(guān)閉。這樣曝光的結(jié)束是由樣品接收到的累計(jì)總能量決定，而不是由時(shí)鐘。
　　水冷氙燈的靈活性結(jié)合恒定輻射控制系統(tǒng)使ATLAS CI系列老化儀成為一卓越的加速老化試驗(yàn)工具。
　　正象我們?cè)陂_(kāi)始就提到的，自然氣候現(xiàn)象是很復(fù)雜的過(guò)程，所以必須小心選擇選擇在實(shí)驗(yàn)室中能模擬該過(guò)程的系統(tǒng)。它應(yīng)當(dāng)有能力控制像水份，溫度，亮/暗周期這樣的條件。并且重要的是它應(yīng)當(dāng)提供一個(gè)光源，這光源能模擬樣品在使用條件下曝露所獲得的輻射能量。儀器能更進(jìn)一步重復(fù)暴露的條件，使去年做的老化評(píng)價(jià)能與今天做的老化評(píng)價(jià)相比較。
　　在這里我們主要集中在加速氣候老化試驗(yàn)儀器的要求和功能，但請(qǐng)記住，在氣候老化或褪色老化試驗(yàn)儀中的試驗(yàn)，可能不是，或許應(yīng)當(dāng)不是評(píng)價(jià)一個(gè)材料性能的方法。這評(píng)價(jià)當(dāng)然是很重要的部份，但其他因素像冷凍和鹽霧也需要考慮。例如評(píng)價(jià)用于油井平臺(tái)上的油漆的老化試驗(yàn)可以輪流在老化儀，冷凍室和鹽水噴霧試驗(yàn)中進(jìn)行。ATLAS 也已選出極端氣候老化試驗(yàn)儀，在這里試驗(yàn)溫度可低到零下40C。
     后請(qǐng)記住，在選擇一個(gè)加速老化儀中重要的因素是您所要評(píng)價(jià)的產(chǎn)品的知識(shí)。這是設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)室加速老化試驗(yàn)程序使實(shí)現(xiàn)和實(shí)際使用條件下將發(fā)生的結(jié)果有更好相關(guān)的總依據(jù)。