旋轉(zhuǎn)鼓型和平板型氙燈試驗(yàn)箱的區(qū)別

文討論兩種常見的、不同類型,、測(cè)試條件一致的氙燈試驗(yàn)箱,。詳述了其不同的配置對(duì)光譜、輻照度控制,、顧慮器類型,、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)備維護(hù)保養(yǎng)等實(shí)際操作方面的問(wèn)題以及老化測(cè)試標(biāo)準(zhǔn),。

*每年因老化而造成的產(chǎn)品損失達(dá)熟億美元,，材料的老化包括推色、失光,、氧化,、開裂、粉化和強(qiáng)度下降等現(xiàn)象,。目前,，評(píng)價(jià)材料的老化主要通過(guò)2種方法：戶外暴曬和人工加速老化。其中人工加速老化主要有開放式碳弧等,、紫外光和氙弧等,。文中主要討論2種常用的氙燈試驗(yàn)箱。

旋轉(zhuǎn)鼓型和平板型氙燈試驗(yàn)箱

1918年,，世界上出現(xiàn)了第1臺(tái)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(guò)濾系統(tǒng),。測(cè)試樣品面向光源安裝，并像傳達(dá)帶一樣圍繞中心燈旋轉(zhuǎn),。自*場(chǎng)世界大戰(zhàn)以來(lái),，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(méi)有改變,。zui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”。

今年來(lái),，出現(xiàn)了新型的靜態(tài)樣品安置的氙燈試驗(yàn)箱，在測(cè)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(guò)濾器是平板型的,且被置于燈管下部,同時(shí)在測(cè)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(cè)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(wú)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(duì)濕度的控制系統(tǒng)，

    氙燈試驗(yàn)箱廣泛用來(lái)測(cè)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（IR）太陽(yáng)光譜。為獲得準(zhǔn)確的,，重復(fù)性好的測(cè)試結(jié)果,，所有的光穩(wěn)定性或老化性能測(cè)試必須控制光線的質(zhì)量，光強(qiáng)的改變則會(huì)影響材料損壞速度,，面光譜能量分布的改變則會(huì)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(guò)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(duì)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(guò)濾器

     未經(jīng)光的氙弧燈發(fā)射過(guò)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(guò)濾器來(lái)減少不必要的短波射線.過(guò)濾器的選擇取決于被測(cè)試的材料和使用環(huán)境.大多數(shù)過(guò)濾器型號(hào)都對(duì)光譜的短波部分進(jìn)行有效地過(guò)濾.

     平析型氙燈試驗(yàn)箱給每一個(gè)氣冷氙燈配備了一塊或多塊平面玻璃過(guò)濾器.水冷旋轉(zhuǎn)鼓式試驗(yàn)箱使用不同的過(guò)濾系統(tǒng),包括圍繞氙燈放置的圓柱形內(nèi)\外過(guò)濾器.期

     目前,氙燈試驗(yàn)箱中采用3種不同的過(guò)濾器系統(tǒng).ASTM G155標(biāo)準(zhǔn)中,它們分別被命名為日光過(guò)濾器'窗玻璃過(guò)濾器和延伸紫外線過(guò)濾器,。ISO標(biāo)準(zhǔn)使用不同的命名法,。對(duì)于日光光譜、透過(guò)窗玻璃的陽(yáng)光光譜,，ISO 11341 （顏料）中分別稱做“方法1”和“方法2”,；ISO 4892-2（塑料）中分別稱做“方法A”和“方法B”。ISO標(biāo)準(zhǔn)中沒(méi)有提到延伸紫外線光譜,，但有幾個(gè)SAE標(biāo)準(zhǔn)則對(duì)此有要求,。

     這些過(guò)濾器之間的zui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(lái)給各類過(guò)濾和過(guò)濾器系統(tǒng)命名,。

      日光過(guò)濾器是應(yīng)用的氙燈過(guò)濾器，它可產(chǎn)生非常類似夏日下午陽(yáng)光的光譜（有時(shí)稱作陽(yáng)光zui大值）,。平板氙燈試驗(yàn)箱的制造商把這一類型的過(guò)濾器簡(jiǎn)稱作日光過(guò)濾器,。可以產(chǎn)生類似的日光過(guò)濾作用的過(guò)濾器組合，稱作“硼硅酸鹽/硼硅酸鹽”（Boro/Boro)和“CIRA/碳酸石灰",。

      太陽(yáng)光,、日光過(guò)濾器、Boro/Boro及CIRA/碳酸石灰的過(guò)濾器光譜能量分布,，如圖3所示,。大部分的過(guò)濾器都能很好地匹配太陽(yáng)光的光譜。

不同的過(guò)濾器在超短紫外波長(zhǎng)區(qū)域有著顯著的差別,。雖然平板日光過(guò)濾器和旋轉(zhuǎn)鼓式CIRA/SL過(guò)濾器都能很好地與陽(yáng)光吻合,，但旋轉(zhuǎn)鼓式Boro/Boro過(guò)濾器在280nm處有著不真實(shí)的低截止波長(zhǎng)（遠(yuǎn)比陽(yáng)光的295nm截止點(diǎn)更為嚴(yán)格）。也就是意味著樣品所受的紫外光暴露遠(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(wèn)題。窗玻璃過(guò)濾器模擬透過(guò)玻璃的太陽(yáng)光譜,，通常用于室內(nèi)產(chǎn)品的老化測(cè)試,。用于平板型氙燈試驗(yàn)箱簡(jiǎn)稱“窗玻璃過(guò)濾器”。用于旋轉(zhuǎn)鼓型試驗(yàn)箱的過(guò)濾器則為“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(guò)濾器的SPD,與通過(guò)窗玻璃過(guò)濾的陽(yáng)光進(jìn)行的比較。兩種類型的窗玻璃過(guò)濾器都可很好地與通過(guò)窗玻璃的實(shí)際陽(yáng)光吻合,。

   平板型窗玻璃過(guò)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(duì)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zui普通的問(wèn)題,。由于褪色和變色通常為長(zhǎng)波紫外線和可視光降解的結(jié)果,，這一差異會(huì)嚴(yán)重地影響測(cè)試結(jié)果。

1.2輻照度控制

   任何類型的氙燈燈管的輸出都會(huì)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(duì)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(cè)試室中的輻照度傳感器對(duì)光線進(jìn)行測(cè)量,。當(dāng)燈管老化導(dǎo)致輸出衰減時(shí)，系統(tǒng)會(huì)通過(guò)增加氙燈的功率來(lái)進(jìn)行自動(dòng)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，但通過(guò)使用的只是為數(shù)不多的幾個(gè)波段,。一般在材料zui為敏感的光譜區(qū)域進(jìn)行輻照度控制（例如,，預(yù)計(jì)會(huì)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(cè)試中，對(duì)于戶外耐久性產(chǎn)品的老化測(cè)試?yán)险f(shuō),，短波紫外線區(qū)域危險(xiǎn)性,。340nm的控制要求帶有一個(gè)裝備有過(guò)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(guò),。通常，這對(duì)于涂料,、塑料,、屋面材料等是理想的控制點(diǎn)。zui常見的輻照度控制點(diǎn)是0.35或0.55W/㎡/nm@340nm.

   420nm控制點(diǎn)一般與窗玻璃過(guò)濾器配套用于材料的室內(nèi)光穩(wěn)定性測(cè)試,。對(duì)420nm的控制,，要求紫外線傳感器裝備有一個(gè)過(guò)濾器，它只允許以420nm為中心的紫外線窄帶通過(guò),。該系統(tǒng)測(cè)試的對(duì)象,，通常是這些主要由長(zhǎng)波紫外線和可視光造成損壞的材料。例如針織品中的燃料和色素,、紙張和油墨,。室內(nèi)模擬的zui常見的輻照度設(shè)置點(diǎn)是1.10W/㎡/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(hào),。某些歐洲測(cè)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(huì)對(duì)紫外線的相對(duì)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(dòng)的關(guān)鍵降解機(jī)制帶來(lái)問(wèn)題,。

   總而言之，平板型和旋轉(zhuǎn)鼓型試驗(yàn)箱帶有,、等量的反饋回路輻照度控制系統(tǒng),。建議定期更換燈管會(huì)減少燈管老化的影響。通過(guò)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(huì)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(guò)向測(cè)試樣品噴淋水來(lái)模擬戶外潮濕的效果。這一方法對(duì)于模擬熱沖擊或機(jī)械腐蝕特別有效,。

    在平板型氙燈試驗(yàn)箱內(nèi),，測(cè)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(huì)很塊流走,，使得樣品在整個(gè)潮濕循環(huán)周期中都保持潮濕,。

      旋轉(zhuǎn)鼓型氙燈試驗(yàn)箱有一個(gè)噴淋條和噴嘴,，當(dāng)旋轉(zhuǎn)的樣品經(jīng)過(guò)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)箱裝有兩個(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(huì)很快從表面流走,。在潮濕間歇,，樣品有可能在轉(zhuǎn)離噴淋位置后變干。

 1.4相對(duì)濕度控制

    對(duì)于許多材料而言,，相對(duì)濕度（RH）的控制是很關(guān)鍵的,，大多數(shù)的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)都有相對(duì)濕度控制的要求。旋轉(zhuǎn)鼓型氙燈試驗(yàn)箱和平板型氙燈試驗(yàn)箱都可以裝相對(duì)濕度控制系統(tǒng),。因?yàn)榇罅康目諝獗仨氃跍y(cè)試室中流動(dòng)以保持測(cè)試溫度,，所以對(duì)相對(duì)濕度的度控制是比較困難的。要控制相對(duì)濕度,，必須監(jiān)控測(cè)試室空氣的溫度,。

 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(cè)試參數(shù)。旋轉(zhuǎn)鼓式和平板型試驗(yàn)箱通常通過(guò)控制黑板溫度來(lái)控制測(cè)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ISO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(hào)都可以控制測(cè)試室環(huán)境溫度和黑板溫度。

二 實(shí)際操作

    一臺(tái)真正有用的氙燈試驗(yàn)箱應(yīng)該能夠提供測(cè)試所需的所有暴露條件，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(wú)論其技術(shù)有多先進(jìn)，但他難于使用、購(gòu)買、操作及維護(hù)的費(fèi)用太高,，它任不能算是有用的。

 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(cè)試室的容量很多,。它的暴露區(qū)域是501㎡（3232c㎡),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。

 2.2  樣品按照

   平板型氙燈試驗(yàn)箱的滑出式樣品盤,，樣品的按照要比在旋轉(zhuǎn)鼓型的塊得多,、容易得多,、也靈活得多。按照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。平面樣品盤還可對(duì)測(cè)試在溫度升高時(shí)流動(dòng)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(duì)平面板進(jìn)行立式按照。必須使用特制的固定器,，以便將樣品掛在暴露夾上

2.3 維護(hù)保養(yǎng)

    平板型氙燈試驗(yàn)箱維護(hù)保養(yǎng)方便,，燈管的安裝和更換均很方便，且其過(guò)濾器無(wú)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)鼓型是試驗(yàn)箱中,，水冷燈管和過(guò)濾器的更換很不方便,，必須移開測(cè)試樣品以進(jìn)行常規(guī)的燈管和過(guò)濾器更換。

2.4  風(fēng)冷式與水冷式

     除了光線,，氙弧燈還會(huì)在可視光和IR射線產(chǎn)生很多熱量,，這給操作和維護(hù)帶來(lái)了一定的問(wèn)題。平板型試驗(yàn)箱避免了因通過(guò)燈管夾排出大量的空氣而產(chǎn)生過(guò)多的熱量,，這一簡(jiǎn)單,、經(jīng)濟(jì)的裝置被稱為風(fēng)冷。

   旋轉(zhuǎn)鼓式使用水冷燈系統(tǒng),。由于水是*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)也有以下一些缺點(diǎn),。

  1  燈管/過(guò)濾器裝置比較復(fù)雜,，帶有內(nèi)部、外部過(guò)濾器等,。

  2冷卻水與高壓電流近似,，所以，為安全起見,，連接器的密封必須非常并高度耐用,。

  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(guò)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(cè)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(cè)量燈管輸出并發(fā)送信號(hào)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(dòng)相應(yīng)地調(diào)節(jié)校準(zhǔn),。在轉(zhuǎn)錄或調(diào)換數(shù)字過(guò)程中不會(huì)出現(xiàn)人為錯(cuò)誤。所有的校正過(guò)程,，都無(wú)需移動(dòng)燈管或過(guò)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(cè)試樣品必須被移開,。

  2,、操作燈和過(guò)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(cè)量值與校準(zhǔn)值一至。

  6,、經(jīng)校準(zhǔn)的燈管必須被移開,。

  7、操作燈和過(guò)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(cè)試樣品,。

  3 測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)

   在過(guò)去10年中,，幾乎所有的主要測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)都已由對(duì)基于硬件要求（如水冷燈管VS風(fēng)冷燈管）描述轉(zhuǎn)變?yōu)閷?duì)基于性能的測(cè)試樣品暴露環(huán)境（亦即測(cè)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)去測(cè)量和控制嚴(yán)格的測(cè)試條件,。由于不能控制,，所以我們的標(biāo)準(zhǔn)只能簡(jiǎn)單的描述裝置。希望曝曬試驗(yàn)的樣品因?yàn)槭褂孟嗤挠布?，能達(dá)到相同的應(yīng)力和結(jié)果,，但常常事與愿違。