關(guān)于實(shí)驗(yàn)室加速老化測(cè)試與自然老化時(shí)間的換算，有一個(gè)誘人的想法——如果用焦耳數(shù)等效自然老化環(huán)境中的老化情況。就可以很方便的進(jìn)行老化時(shí)間的換算。甚至可以對(duì)不同光源的的老化情況進(jìn)行等價(jià)換算。然而，這種想法只是一種理想化的想法。實(shí)際應(yīng)用中，用焦耳數(shù)等效并不能體現(xiàn)光譜對(duì)于老化的影響情況。
太陽(yáng)光與波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)的光譜持續(xù)發(fā)生變化。不僅是紫外輻照量，太陽(yáng)光的光譜功率分布曲線的形狀也在隨著每天時(shí)間、年份、云層遮擋、空氣污染及緯度的變化而改變。例如，圖1顯示太陽(yáng)入射角的季節(jié)性變化引起波長(zhǎng)漂移。可見，冬天的光譜功率分布缺少了最短的也是破壞性最強(qiáng)的那段波長(zhǎng)小于310nm的。
圖1-太陽(yáng)光紫外譜線的季節(jié)性波長(zhǎng)漂移，從夏至中午的太陽(yáng)光到冬至中午的太陽(yáng)光。
不同的實(shí)驗(yàn)室暴露設(shè)備之間的光譜功率分布也存在很大差異。熒光紫外試驗(yàn)機(jī)可使用3種類型的燈管，氙燈試驗(yàn)箱可使用不同的過(guò)濾器，碳弧試驗(yàn)箱使用 2 種差別非常大的光源。此外，隨著氙燈燈管的使用時(shí)間，氙燈的光譜功率分布的形狀也會(huì)發(fā)生變化。
如果焦耳數(shù)可以有效定義暴露時(shí)間，它必須能夠體現(xiàn)戶外或?qū)嶒?yàn)室加速測(cè)試中的光譜功率分布的差異。然而，數(shù)據(jù)表明，當(dāng)用焦耳數(shù)定義暴露時(shí)間時(shí)，光譜功率分布的微小變化就會(huì)引起很大的問(wèn)題。
許多研究表明，一般而言，相同能量的短波紫外線比相同能量的長(zhǎng)波紫外線的破壞力要強(qiáng)。例如，如圖 2 所示，聚烯烴暴露在不同波長(zhǎng)的 1MJ/m2 的紫外照射下，在 280nm形成的羰基是在 340nm的 5 到10 倍。類似的研究表明用焦耳數(shù)定義暴露時(shí)間將引起重大錯(cuò)誤，除非相比較的光源的光譜功率分布完全相同。
圖 2聚烯蟒的光譜響應(yīng)。羰基形成(隨光密度變化)與輻照波長(zhǎng)的聯(lián)系,任一波長(zhǎng)的焦耳數(shù)是1MJ/m2。
為了直觀說(shuō)明波長(zhǎng)不同引起的錯(cuò)誤，幾種材料的樣品按照 ASTM G53進(jìn)行暴露測(cè)試，ASTM G53是關(guān)于光照和冷凝暴露設(shè)備(熒光紫外類型)的一個(gè)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)。每次暴露都是使用熒光紫外燈管，選擇圖 3 中兩個(gè)不同波長(zhǎng)光譜中的一個(gè)。G53中規(guī)定的設(shè)備是 Q-Lab公司的 QUV/se型號(hào)。這種設(shè)備安裝有反饋控制系統(tǒng)，可以精確控制紫外光的輻照度，在這次研討會(huì)的另外一篇文章中有介紹。在這些試驗(yàn)中，340nm處輻照度控制在1.35W/m2/nm。熒光紫外設(shè)備為測(cè)試光譜功率分布的作用提供了一個(gè)理想的工具，因?yàn)椴幌衿渌愋偷臒艄埽@種設(shè)備的燈管在其使用壽命之內(nèi)的光譜功率分布的形狀不發(fā)生變化。
圖3－熒光紫外燈管的光譜功率分布
為了排除濕度的影響，暴露過(guò)程中只是連續(xù)紫外光照，沒有冷凝。為了排除溫度的影響，暴露溫度始終保持在 50°C.
注意到 UVA-340和 UVA-351燈管的光譜功率分布的曲線只偏移了10nm，這是一個(gè)很小的變化，比圖1中夏天和冬天的太陽(yáng)光光譜之間的差別小很多。然而，下面的測(cè)試顯示，相同焦耳數(shù)引起的老化性能的差異可以高達(dá) 2:1。
圖4－波長(zhǎng)對(duì)聚苯乙烯薄片產(chǎn)生黃變老化的影響
圖4顯示，對(duì)透明聚苯乙烯薄片進(jìn)行測(cè)試時(shí),要想對(duì)材料產(chǎn)生預(yù)期的黃變(delta b*)效果,較長(zhǎng)波長(zhǎng)的燈管UVA- 351比UVA-340要多照射大約80%的總紫外焦耳數(shù)。如果研究者依靠焦耳數(shù)來(lái)定義這些測(cè)試，將會(huì)引起很大的錯(cuò)誤。
圖5－用總紫外焦耳數(shù)計(jì)算時(shí)間，研究波長(zhǎng)對(duì)環(huán)氧涂層失光的影響。相同焦耳數(shù)，不同光譜功率分布的燈管引起不同的失光速率
圖5顯示了波長(zhǎng)對(duì)環(huán)氧涂層失光老化的類似影響。在這個(gè)試驗(yàn)中，UVA-351燈管需要大約兩倍于UVA-340燈管的總紫外焦耳數(shù)才能達(dá)到材料預(yù)期的失光效果。
圖6-用340nm 處的紫外焦耳數(shù)計(jì)時(shí)，研究波長(zhǎng)對(duì)環(huán)氧涂層失光的影響。在340nm 測(cè)量紫外焦耳數(shù)并不比測(cè)量總紫外焦耳數(shù)更精確
有時(shí)人們斷言，在 340nm測(cè)量焦耳數(shù)來(lái)定義測(cè)試時(shí)間比用總紫外焦耳數(shù)來(lái)定義時(shí)間更精確。圖6與圖5的數(shù)據(jù)相同，只是使用 340nm處的紫外焦耳數(shù)而不是總紫外焦耳數(shù)來(lái)表示。但這并沒有提高測(cè)試計(jì)時(shí)的精確性。UVA-351仍需要大約兩倍于UVA-340的焦耳數(shù)才能達(dá)到預(yù)期的失光效果。所得數(shù)據(jù)與圖5 一致。
圖7－波長(zhǎng)對(duì)聚氨酯涂料失光的影響。在相同焦耳數(shù)下，不同光譜功率分布的燈管并不總是引起不同的失光速率
圖7顯示盡管光譜功率分布可能會(huì)產(chǎn)生很大影響，但有時(shí)影響也很小。在這個(gè)測(cè)試中，UVA-340和UVA-351燈管，盡管光譜功率分布不同，但在相同焦耳數(shù)下顯示大致相同的失光效果。
以上數(shù)據(jù)表明，相同焦耳數(shù)下，光譜功率分布的很小變化造成的材料老化的差異會(huì)達(dá)到 2 比 1。換句話說(shuō)，對(duì)于曝曬測(cè)試，如果光譜功率分布不同，用焦耳數(shù)來(lái)定義測(cè)試時(shí)間引起的誤差會(huì)達(dá)到200%以上。不管是用總紫外焦耳數(shù)還是某一波長(zhǎng)(如340nm處)的焦耳數(shù)來(lái)表示，都會(huì)引起以上錯(cuò)誤。
自然太陽(yáng)光紫外光譜的平均變化比以上介紹的兩種紫外燈管之間的變化要大。太陽(yáng)紫外線的光譜功率分布隨著時(shí)間、季節(jié)、云層和污染(如圖1所示)的不同而發(fā)生顯著變化。那么由焦耳數(shù)引起的材料發(fā)生的老化理所當(dāng)然地會(huì)隨著光譜功率分布的不同變化。然而當(dāng)用焦耳數(shù)來(lái)定義戶外曝曬的測(cè)試時(shí)間時(shí)，就胡亂地混淆了夏天和冬天的焦耳數(shù)、上午10點(diǎn)和中午的焦耳數(shù)，而不顧光譜功率分布之間的差別。
初次之外，焦耳數(shù)等效中同時(shí)還未考慮到溫度、濕度等對(duì)于老化的影響，因此在實(shí)驗(yàn)室加速老化試驗(yàn)與自然老化的時(shí)間換算中，無(wú)法用焦耳數(shù)進(jìn)行等效。更多關(guān)于實(shí)驗(yàn)室加速老化測(cè)試與自然老化時(shí)間換算的問(wèn)題，詳見《試驗(yàn)機(jī)加速老化時(shí)間與戶外老化時(shí)間應(yīng)該如何換算？》
與本文關(guān)聯(lián)的產(chǎn)品:
