实验室老化设备
RudyLeber
(美国ATLAS材料测试集团)
摘要:介绍人工老化试验设备中最常用的几种光源的产生、发展、结构和特点,并从与自然光源相似程度的角度,分析了几种光源的优缺点。
由于需要比室外自然老化测试较为快速地评估材料的抗老化性能,以及需要可控的测试环境,通常采用带人工光源的测试设备来加速老化过程。这些设备包括碳弧灯、过滤的氙弧灯、金属卤化物灯和荧光紫外线灯。这些“试验室加速老化”测试设备在某些情况下可能最适合于“人工老化”
试验工作。“实时”老化加速方法的采用有几个原因。首先,这种测试可以在自然的或比日光更强的辉光下工作,不受日常循环、季节变化和气候条件的影响。材料暴露的温度、热循环、湿度和水份也可以控制到最大值,但是不会影响应力问题。样品可以暴露在超过自然水平的光谱能量下,虽然在此过程中必须仔细操作,以防止产生非自
然的老化机制。除了可以根据要求加速和控制老化条件的能力,实验室测试的另一个主要优点是其精确性和可重复性,而在自然测试中,实际气候是无法控制的和多变的。另外,每个老化因素都可以独立控制,这样,研究工作可以简化为研究各种老化条件对材料性能的特定影响,而这是在户外的自然条件下很难或无法进行的。人工老化设备通常按照使用的光源类
型分类。最常见的光源类型有碳弧灯、荧光紫外线灯以及金属卤化物光源。每种光源都有自己的优点及缺点,每个老化实验人员都必须懂得这一点。由于曝露材料所吸收的辐射能是至关重要的,我们将着重讨论光源的质量,即每种光源与自然日光的相似程度。
碳弧灯
碳弧仪器最初被德国合成染料化学家用来评估被染纺织品的耐光度。第一台阿特拉斯ColorFade-OmeterR○于1919开始投入使用,作为一种封闭式碳弧(ECA)光源,它是在以前的一种阿特拉斯产品上重新设计开发的。前一种产品本身是在更早的阿特拉斯日光碳弧舞台灯基础上开发的。当时芝加哥是世界电影之都,而舞台灯光正是阿特拉斯的主要业务。对于这种舞台灯光的使用者来说,演员所穿的某些纺织布料和衣饰会逐渐掉色。今天,封闭式碳弧灯有单弧和双弧两种;电弧封闭在一个PyrexTM球中,这个球可以具有某些过滤功能,并可提供一个无氧环境。1930年发明了一种开放式碳弧灯,即带CorexR○过滤的阿特拉斯日光碳弧Weather-OmeterR○,它可以比自然日光提供更多的
波长小于300nm的紫外线,但是在300nm-340nm波段上更接近自然光,并且比封闭式碳弧灯在更长的波段上的偏离性更小。如果不使用过滤装置来进行更快速测
试,那么与户外自然测试相比,某些材料的稳定性可能发生变化。日光碳弧灯使用三对碳棒,不受空气流动的影响,电弧在碳棒之间旋转,以模拟每天的日光变化,弧光由
周围的平面Corex滤镜组过滤。这种灯的紫外线光谱与日光相差较大。它的两个强力发射波段峰值分别在358nm和386nm,是日光强度的4倍和20倍。对于只吸收短波紫外线辐射的材料来说,这种光源比日光的老化效果要弱,但是对于既吸收长波紫外线又吸收可见光的材料来说,这种光源的效果要比日光强。所
以,对于评估材料的相对光稳定性来说(既包括吸收短波紫外线的材料,也包括吸收长波紫外线的材料),与暴露在日光下的老化结果相比,封闭式碳弧灯的结果可能会
不准确。这两种碳弧技术都需要每日更换碳棒和清洁球罩的滤镜。滤镜和球罩老化很快,必须定期更换。同时,必须清除累积的碳灰。使用碳弧灯的历史时间很长,至今在某些测试中仍旧使用这种光源。而且对于某些材料来说,这种灯的效果与日光的
效果很近似。现在,这种技术已经被氙弧所代替。描述使用碳弧光源的设备性能的主要文献是:ISO4892-塑料-实验室光源的方法-第四部分:开放式碳弧灯,ASTMG152,使用开放式碳弧光源照射非金属材料的操作方法以及G153,使用封闭式碳弧光源照射非金属材料的操作方法。
荧光紫外线光源实验室老化设备
四脚长荧光紫外线灯与家用和商用照老化性能,那么这种灯还是很有用的。但是无法预测材料的使用寿命和与自然条件
的对应关系。这种灯最适合用作通用放映工具,例如,使用人工粗侧检查总体公式错误等。总之,这些设备为潮气模拟提供了凝结变化过程(在无光情况下)。测试表面暴露到一种空气和水蒸汽的加热饱和混合环境中(在黑暗情况下,相对湿度几乎达到100%),而测试板的背面暴露到正常空气中,这样,板的温度会降到露点以下,导致在此面上形成水珠(露水)。紫外线变化过程和凝结过程都的顺序和时间都可人工调整并实现自动控制。同样地,在紫外线和凝结变化过程中,温度也可控制(在一定范围内)。
实验室老化设备