討論兩種常見的、不同類型、測試條件一致的氙燈試驗(yàn)箱。詳述了其不同的配置對光譜、輻照度控制、過濾器類型、潮濕、濕度控制、溫度控制和校準(zhǔn)等的影響。闡述了樣品安置、設(shè)備的維護(hù)保養(yǎng)等實(shí)際操作方面的問題以及老化測試標(biāo)準(zhǔn)。
關(guān)鍵詞：旋轉(zhuǎn)鼓：平板；過濾器；輻照；標(biāo)準(zhǔn)
中圖分類號：TM923.323
文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A
文章編號：1672-9242(2005)04-0088-06
全世界每年因老化而造成的產(chǎn)品損失達(dá)數(shù)億美元，材料的老化包括褪色、失光、氧化、開裂、粉化和強(qiáng)度下降等現(xiàn)象。目前，評價(jià)材料的老化主要通過2種方法：戶外曝曬和人工加速老化。其中人工加速老化主要有開放式碳弧燈、紫外光和氙弧燈。文中主要討論2種常用的氙燈試驗(yàn)箱。
1918年，世界上出現(xiàn)了第1臺旋轉(zhuǎn)鼓式氙燈老化試驗(yàn)箱，它使用1個(gè)碳弧燈作為光源，光源或燈管垂直放置在儀器的中央，周圍帶有1個(gè)過濾系統(tǒng)。測試樣品面向光源安裝，并像傳送帶一樣圍繞中心燈旋轉(zhuǎn)。自第一次世界大戰(zhàn)以來，這種試驗(yàn)箱也不斷地改進(jìn)，但其基本設(shè)計(jì)原理一直沒有改變。最為常見的試驗(yàn)箱的燈管冷卻系統(tǒng)采用水冷卻，這種類型的水冷氙弧試驗(yàn)箱被稱為“旋轉(zhuǎn)鼓型”。
近年來，出現(xiàn)了新型的靜態(tài)樣品安置的氙燈試驗(yàn)箱，在測試室的頂部安裝了一個(gè)或多個(gè)氣冷氙燈管。在這一系統(tǒng)中，過濾器是平板型的，且被置于燈管下部，同時(shí)在測試室的頂部和側(cè)部裝有反射系統(tǒng)以增強(qiáng)輻照度的均勻性。測試樣品被安裝在燈管下方的樣品盤上。托盤略微傾斜小角度，以便使水流走，這種類型的試驗(yàn)箱被稱為“平板型”。
無論哪種類型的試驗(yàn)箱 ,都帶有控制光線強(qiáng)度(輻照度)、溫度和相對濕度的控制系統(tǒng) , 如圖 1、2 所示。
氙燈試驗(yàn)箱廣泛用來測試材料和產(chǎn)品的光穩(wěn)定性和抗老化性，因?yàn)殡舭l(fā)出的光譜很接近完整的包括紫外線(UV)、可視光和紅外線(R)太陽光譜。為獲得準(zhǔn)確的，重復(fù)性好的測試結(jié)果，所有的光穩(wěn)定性或老性能測試必須控制光線的質(zhì)量，光強(qiáng)的改變會影響材料損壞的速度，而光譜能量分布的改變則會影響材料降解的速度和類型。
氙弧燈的發(fā)射情況是比較復(fù)雜的，因?yàn)樗鼱砍稁讉€(gè)變量，包括過濾器傳輸、輻照度控制點(diǎn)、發(fā)光強(qiáng)度以及燈管老化等。輻照度控制系統(tǒng)對光強(qiáng)和光譜都有影響。下面將分別就氙燈試驗(yàn)箱的幾個(gè)主要控制參數(shù)分別討論。
1.1 光學(xué)過濾器
未經(jīng)濾光的氙弧燈發(fā)射過多的短波紫外線，以至于不能很好的模擬地球表面自然暴露，因此，試驗(yàn)箱使用各種類型的過濾器來減少不必要的短波射線。過濾器的選擇取決于被測試的材料和使用環(huán)境。大多數(shù)過濾器型號都對光譜的短波部分進(jìn)行有效地過濾。
平板型氙燈試驗(yàn)箱給每一個(gè)氣冷氙燈配備了一塊或多塊平面玻璃過濾器。水冷旋轉(zhuǎn)鼓式試驗(yàn)箱使用不同的過濾系統(tǒng)，包括圍繞氙燈放置的圓柱形內(nèi)、外過濾器。
目前，氙燈試驗(yàn)箱中采用3種不同的過濾器系統(tǒng)。ASTM G155標(biāo)準(zhǔn)中，它們分別被命名為日光過濾器、窗玻璃過濾器和延伸紫外線過濾器。IS0標(biāo)準(zhǔn)使用不同的命名法。對于日光光譜、透過窗玻璃的陽光光譜，IS0 11341（顏料）中分別稱做“方法1”和“方法2”；IS04892-2（塑料）中分別稱做“方法A”和“方法B”。IS0標(biāo)準(zhǔn)中沒有提到延伸紫外線光譜，但有幾個(gè)SAE標(biāo)準(zhǔn)則對此有要求。
這些過濾器之間的最重要的區(qū)別是短波紫外線傳輸和光譜截止點(diǎn)。不同數(shù)量的短波紫外線可顯著地影響降解的速度和類型。老化試驗(yàn)箱的制造商經(jīng)常使用他們自己的命名法來給各類過濾器和過濾器系統(tǒng)命名。
日光過濾器是應(yīng)用最為廣泛的氙燈過濾器，它可產(chǎn)生非常類似夏日正午陽光的光譜（有時(shí)稱作陽光最大值）。平板氙燈試驗(yàn)箱的制造商把這一類型的過濾器簡稱作“日光過濾器”?？梢援a(chǎn)生類似的日光過濾作用的過濾器組合，稱作“硼硅酸鹽/硼硅酸鹽”（Boro/Boro和“CIRA/碳酸石灰”）。
太陽光、日光過濾器、Boro/Boro及CIRA/碳酸石灰的過濾器光譜能量分布，如圖3所示。大部分的過濾器都能很好地匹配太陽光的光譜。
不同的過濾器在超短紫外波長區(qū)域有著顯著的差別。雖然平板日光過濾器和旋轉(zhuǎn)鼓式CIRA/SL過濾器都能很好地與陽光吻合，但旋轉(zhuǎn)鼓式Boro/Boro過濾器在28Onm處有著不真實(shí)的低截止波長(遠(yuǎn)比太陽光的295nm截止點(diǎn)更為嚴(yán)格)。也就意味著樣品所受的紫外光曝露遠(yuǎn)短于實(shí)際的使用環(huán)境，他可以加速材料的老化，但并不真實(shí)并可以導(dǎo)致一些材料的相關(guān)性問題。
窗玻璃過濾器模擬透過窗玻璃的太陽光譜，通常用于室內(nèi)產(chǎn)品的老化測試。用于平板型氙燈試驗(yàn)箱簡稱“窗玻璃過濾器”。用于旋轉(zhuǎn)鼓試驗(yàn)箱的過濾器則稱為“硼硅酸鹽/蘇達(dá)石灰”（也叫做Boro/蘇達(dá)石灰，Boro/SL等）。圖4顯示了一個(gè)平板型和旋轉(zhuǎn)鼓式窗玻璃過濾器的SD,與通過窗玻璃過濾的陽光進(jìn)行的比較。兩種類型的窗玻璃過濾器都可很好地與通過窗玻璃的實(shí)際陽光吻合。
平板型窗玻璃過濾器在關(guān)鍵短波紫外線區(qū)域里更為真實(shí)一些。這一差異對于一些材料的黃變和物理性能變化是非常重要的。褪色和變色是暴露在室內(nèi)的材料的最普遍的問題。由于褪色和變色通常為長波紫外線和可視光降解的結(jié)果，這一差異會嚴(yán)重地影響測試結(jié)果四。
1.2 輻照度控制
任何類型的氙燈燈管的輸出都會隨著時(shí)間而衰減。先進(jìn)的氙燈試驗(yàn)箱使用一個(gè)反饋回路控制系統(tǒng)對此進(jìn)行補(bǔ)償。有了該系統(tǒng)，操作人員可預(yù)設(shè)輻照度水平，而測試室中的輻照度傳感器對光線進(jìn)行測量。當(dāng)燈管老化導(dǎo)致輸出衰減時(shí)，系統(tǒng)會通過增加氙燈的功率來進(jìn)行自動補(bǔ)償。
理論上，光線強(qiáng)度可以在氙燈光譜的任意位置進(jìn)行監(jiān)控，但通常使用的只是為數(shù)不多的幾個(gè)波段。一般在材料最為敏感的光譜區(qū)域進(jìn)行輻照度控制(例如，預(yù)計(jì)會出現(xiàn)降解的區(qū)域)。此外，輻照度控制點(diǎn)還因行業(yè)、應(yīng)用的不同而改變。
340nm控制，點(diǎn)廣泛應(yīng)用于加速老化測試中，對于戶外耐久性產(chǎn)品的老化測試來說，短波紫外線區(qū)域最具危險(xiǎn)性。340nm的控制要求帶有一個(gè)裝備有過濾器的紫外線傳感器，它只允許以340nm為中心的狹窄波段通過。通常，這對于涂料、塑料、屋面材料等是理想的控制點(diǎn)。最常見的輻照度控制點(diǎn)是0.35或0.55W/m2/nm@340nm。
420nm控制點(diǎn)一般與窗玻璃過濾器配套用于材料的室內(nèi)光穩(wěn)定性測試。對420nm的控制，要求紫外線傳感器裝備有一個(gè)濾光器，它只允許以420nm為中心的紫外線窄帶通過。該系統(tǒng)測試的對象，通常是那些主要由長波紫外線和可視光造成損壞的材料，例如針織品中的染料和色素、紙張和油墨。室內(nèi)模擬的最常見的輻照度設(shè)置點(diǎn)是1.10W/m2/nm@420nm。
平板型和旋轉(zhuǎn)鼓型試驗(yàn)箱通常裝有340nm或420nm窄帶輻照度控制系統(tǒng)。根據(jù)不同的型號，某些歐洲測試箱可使用一個(gè)寬帶TUV(完整紫外線，300~400nm),或一個(gè)極寬帶完整輻照度傳感器(280~800nm)。寬帶傳感器不會對紫外線的相對小的變化做出反應(yīng)，這一非敏感性可能給由光譜短波紫外線部分驅(qū)動的關(guān)鍵降解機(jī)制帶來問題。
總而言之，平板型和旋轉(zhuǎn)鼓型試驗(yàn)箱帶有高效、等量的反饋回路輻照度控制系統(tǒng)。建議定期更換燈管會減少燈管老化的影響。通過使用將輻照度控制在340nm或者420nm的傳感器，在特定區(qū)域的光譜改變量會被進(jìn)一步減小。
1.3潮濕
平板型氙燈試驗(yàn)箱和旋轉(zhuǎn)鼓型氙燈試驗(yàn)箱都能通過向測試樣品噴淋水來模擬戶外潮濕的效果。這一方法對于模擬熱沖擊或機(jī)械腐蝕特別有效。在平板型試驗(yàn)箱內(nèi)，測試樣品被安裝在一個(gè)平面樣品托盤上，水平傾斜5°。噴淋水能均勻地噴灑到樣品的表面，同時(shí)由于樣品放置接近水平，水不會很快流走，使得樣品在整個(gè)潮濕循環(huán)周期中都保持潮濕。
旋轉(zhuǎn)鼓型試驗(yàn)箱有一個(gè)噴淋條和噴嘴，當(dāng)旋轉(zhuǎn)的樣品經(jīng)過時(shí)，向其噴水。每分鐘內(nèi)，樣品約有3s處于潮濕狀態(tài)。某些試驗(yàn)箱裝有2個(gè)噴淋條，可以在樣品的正反面同時(shí)噴水。由于樣品垂直放置，水會很快從表面流走。在潮濕間隙，樣品有可能在轉(zhuǎn)離噴淋位置后變干。
1.4相對濕度控制
對于許多材料而言，相對濕度（R田的控制是很關(guān)鍵的，大多數(shù)的測試標(biāo)準(zhǔn)都有相對濕度控制的要求。旋轉(zhuǎn)鼓型氙燈試驗(yàn)箱和平板型試驗(yàn)箱都可加裝相對濕度控制系統(tǒng)。因?yàn)榇罅康目諝獗仨氃跍y試室中流動以保持測試溫度，所以對相對濕度的精確控制是比較困難的。要控制相對濕度，必須監(jiān)控測試室空氣的溫度。平板型氙燈試驗(yàn)箱精確的相對濕度
控制系統(tǒng)(美國Q-lab公司專利)-超過了IS0,ASTM,AATCC和SAE測試標(biāo)準(zhǔn)的要求，并廣泛地運(yùn)用在戶外曝曬測試中。
1.5溫度控制
溫度控制是一個(gè)關(guān)鍵的卻經(jīng)常被忽視的測試參數(shù)。旋轉(zhuǎn)鼓式和平板型試驗(yàn)箱通常通過控制黑板溫度來控制測試環(huán)境。黑板溫度計(jì)是一塊涂有黑色涂層的金屬面板，它帶有附著在表面的溫度傳感元件，這些元件被稱作“非絕緣黑板”。
兩種類型的試驗(yàn)箱中都可裝有絕緣的黑板溫度計(jì)(在IS0標(biāo)準(zhǔn)中被叫做“黑標(biāo)溫度”)。這些被裝在一個(gè)絕緣塑料座上，通常絕緣的黑板比非絕緣黑板高5°~10°。
許多旋轉(zhuǎn)鼓型和平板型的試驗(yàn)箱型號都可控制測試室環(huán)境溫度和黑板溫度。
一臺真正有用的氙燈試驗(yàn)箱應(yīng)該能夠提供測試所需的所有曝露條件，且同時(shí)還要考慮其實(shí)際使用情況。此外，如果某個(gè)氙燈試驗(yàn)箱，無論其技術(shù)有多先進(jìn)，但他難于使用、購買、操作及維護(hù)的費(fèi)用太高，它仍不能算是有用的。
2.1樣品容量和占地面積
平板型試驗(yàn)箱體積小巧，但其測試室的容量很多。它的暴露區(qū)域是501m3232cm3,這比類似“構(gòu)造”的旋轉(zhuǎn)鼓型試驗(yàn)箱多出了近50%的暴露區(qū)域，見表2。
2.2樣品安裝
平板型氙燈試驗(yàn)箱的滑出式樣品盤，樣品的安裝要比在旋轉(zhuǎn)鼓型的快得多、容易得多，也靈活得多。安裝盤可容納不同尺寸的平面板或三維樣品，例如部件、瓶子和試管等(如圖5所示)。平面樣品盤還對測試在溫度升高時(shí)流動的材料、暴露在石化盤中的物質(zhì)以及在屋頂應(yīng)用中的蓄池很有幫助。旋轉(zhuǎn)鼓型試驗(yàn)箱只能對平面板進(jìn)行立式安裝。必須使
用特制的固定器，以便將樣品掛在暴露夾上（如圖6所示）。
2.3維修保護(hù)
平板型氙燈試驗(yàn)箱維修保養(yǎng)方便，燈管的安裝和更換均很方便，且其過濾器無需更換。平時(shí)經(jīng)常性的維修保護(hù)均可從設(shè)備的正面進(jìn)行。在旋轉(zhuǎn)鼓型的試驗(yàn)箱中，水冷燈管和過濾器的更換很不方便，必須移開測試樣品以進(jìn)行常規(guī)的燈管和過濾器更換。
2.4氣冷燈與水冷燈
除了光線，氙弧燈還會在可視光和R射線產(chǎn)生很多的熱量，這給操作和維護(hù)帶來了一定的問題。平板型氙燈試驗(yàn)箱避免了因通過燈管夾排出大量的空氣而產(chǎn)生過多的熱量，這一簡單、經(jīng)濟(jì)的裝置被稱為氣冷。
旋轉(zhuǎn)鼓式使用水冷燈系統(tǒng)。由于水是很好的熱量傳導(dǎo)載體，因此旋轉(zhuǎn)鼓式燈可以在一個(gè)非常高的瓦數(shù)進(jìn)行操作以產(chǎn)生高輻照度。水冷系統(tǒng)也有以下些缺點(diǎn)。
1)燈管/過濾器裝置比較復(fù)雜，帶有內(nèi)部、外部過濾器等。
2)冷卻水與高壓電流近似，所以，為安全起見，連接器和密封必須非常精確并高度耐用。
3)由于使用的特殊連接件，因而燈管非常昂貴。
4)冷卻水必須非常純凈以便減輕任何在燈管和過濾器上積聚的雜質(zhì)。
5)冷卻水本身必須由一個(gè)冷卻器進(jìn)行冷卻。
6)水泵有維護(hù)的需要。
2.5輻照度校準(zhǔn)
平板型的輻照度校準(zhǔn)系統(tǒng)使用獨(dú)立的輻射計(jì)，校正僅需要幾分鐘時(shí)間。要校準(zhǔn)平板型傳感器，輻射計(jì)的傳感元件被置于安裝盤中通常放測試樣品的位置。其數(shù)據(jù)傳送電纜被插入儀表盤前面的校準(zhǔn)端口。當(dāng)輻射計(jì)測量燈管輸出并發(fā)送信號到面板上的控制系統(tǒng)時(shí)，只需一次按鍵就可完成校準(zhǔn)，它自動相應(yīng)地調(diào)節(jié)校準(zhǔn)。在轉(zhuǎn)錄或調(diào)換數(shù)字過程中不會出現(xiàn)人為錯誤。所有的校正過程，都無需移動燈管或過濾器。
在旋轉(zhuǎn)鼓型氙燈試驗(yàn)箱中，輻照度校正是一個(gè)多階段步驟，它必須使用一個(gè)特制的校準(zhǔn)燈。
1)多數(shù)測試樣品必須被移開。
2)操作燈和過濾器必須被移開。
3)必須安裝一個(gè)經(jīng)校準(zhǔn)的燈管。
4)經(jīng)校準(zhǔn)燈管的輻照度必須與預(yù)定值（經(jīng)校準(zhǔn)的值）進(jìn)行比較。
5)操作員必須調(diào)節(jié)儀器以使測量值與校準(zhǔn)值一致。
6)經(jīng)校準(zhǔn)的燈管必須被移開。
7)操作燈和過濾器必須重新安裝。
8)在暴露重新開始時(shí)，必須重新安裝測試樣口。
在過去10年中，幾乎所有的主要測試標(biāo)準(zhǔn)都已由對基于硬件要求(如水冷燈管s風(fēng)冷燈管)描述轉(zhuǎn)變?yōu)閷谛阅艿臏y試樣品暴露環(huán)境（亦即測試條件）的描述。舊式標(biāo)準(zhǔn)的制定是因?yàn)楫?dāng)時(shí)缺乏有效的技術(shù)去精確測量和控制嚴(yán)格的測試條件。由于不能控制，所以我們的標(biāo)準(zhǔn)只能簡單的描述裝置。希望曝曬試驗(yàn)的樣品因?yàn)槭褂孟嗤挠布苓_(dá)到相同的應(yīng)力和結(jié)果，但常常事與愿違。
目刖，隨看技術(shù)的進(jìn)步，大多數(shù)標(biāo)準(zhǔn)化組織，包括IS0和ASTM,都傾向于發(fā)展以性能為基礎(chǔ)的測試手段和方式。這些方式定出了測試條件（如輻照、光譜、溫度、濕度等）以及可接受的性能范圍事實(shí)上，S0的指導(dǎo)綱領(lǐng)這樣要求，“只要可能，就應(yīng)以性能的方式，而不是設(shè)計(jì)或描述特征來表達(dá)要求”。與此類似，美國國家標(biāo)準(zhǔn)學(xué)會（ANS對標(biāo)準(zhǔn)作出了這樣的規(guī)定“基于性能，而不是詳細(xì)設(shè)計(jì)來指定核心特征?！?/p>
這些新的、以性能為基礎(chǔ)的測試手段則為使用者帶來最大的利益。它只是規(guī)定了詳細(xì)的測試條件，允許使用新技術(shù)和控制方法，還允許有競爭（可以為使用者節(jié)約成本）。IS0指導(dǎo)綱領(lǐng)意識到這些優(yōu)越性，并申明，“這一方法給技術(shù)發(fā)展帶來了最大的自由空間”。
列出部分代表性的以性能為基礎(chǔ)的國際標(biāo)準(zhǔn)：IS04892,塑料-實(shí)驗(yàn)室光源暴露方法：IS011341,色漆和清漆的人工加速老化：IS011431,建筑密封劑、膠粘劑的人工加速老化：IS018909,成像材料、膠卷和印刷品、圖像穩(wěn)定性；IS012040,顏料和打印油墨的光穩(wěn)定性：AATCCTM16,顏色的光穩(wěn)定性；AATCC TM169,針織品的抗老化性；ASTM C1442,密封劑耐老化性標(biāo)準(zhǔn)；ASTM D2565,塑料氙弧曝曬試驗(yàn)：ASTM D3424,評估打印材料光穩(wěn)定性的測試方法；ASTM D4303,評估藝術(shù)家顏料光穩(wěn)定性的測試方法：ASTM D4459,室內(nèi)用塑料的氙燈老化標(biāo)準(zhǔn)：ASTM D4798,瀝青材料的人工加速老化（氙燈曝露）標(biāo)準(zhǔn)；ASTM D5071,可光學(xué)降解塑料的氙燈老化標(biāo)準(zhǔn)：ASTM G151,非金屬材料的人工加速老化測試：ASTM G155,非金屬材料的氙燈人工加速老化測試。
結(jié)合圖表，文中討論了氙燈測試的關(guān)鍵參數(shù)，包括光譜、光線強(qiáng)度（輻照度）、測試室溫度、黑板溫度以及相對濕度等，都可以通過不同的硬件配置進(jìn)行控制。
新的、以性能為基礎(chǔ)的測試標(biāo)準(zhǔn)對業(yè)界具有明顯的優(yōu)越性，它們詳細(xì)描述了暴露環(huán)境，為實(shí)驗(yàn)室老化在技術(shù)和控制方面的進(jìn)步拓展了空間，允許用戶靈活地選擇氙燈試驗(yàn)箱。