日曬加速老化測試中焦耳數等效存在的問題-光譜

關於實驗室加速老化測試與自然老化時間的換算，有一個誘人的想法——如果用焦耳數等效自然老化環境中的老化情況。就可以很方便的進行老化時間的換算。甚至可以對不同光源的的老化情況進行等價換算。然而，這種想法隻是一種理想化的想法。實際應用中，用焦耳數等效並不能體現光譜對於老化的影響情況。

太陽光與波長對應的光譜持續發生變化。不僅是紫外輻照量，太陽光的光譜功率分布曲線的形狀也在隨著每天時間、年份、雲層遮擋、空氣汙染及緯度的變化而改變。例如，圖1顯示太陽入射角的季節性變化引起波長漂移。可見，冬天的光譜功率分布缺少了最短的也是破壞性最強的那段波長小於310nm的。

圖1-太陽光紫外譜線的季節性波長漂移，從夏至中午的太陽光到冬至中午的太陽光。

不同的實驗室暴露設備之間的光譜功率分布也存在很大差異。熒光紫外試驗機可使用3種類型的燈管，氙燈試驗箱可使用不同的過濾器，碳弧試驗箱使用 2 種差別非常大的光源。此外，隨著氙燈燈管的使用時間，氙燈的光譜功率分布的形狀也會發生變化。

如果焦耳數可以有效定義暴露時間，它必須能夠體現戶外或實驗室加速測試中的光譜功率分布的差異。然而，數據表明，當用焦耳數定義暴露時間時，光譜功率分布的微小變化就會引起很大的問題。

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波紫外線的破壞力要強。例如，如圖 2 所示，聚烯烴暴露在不同波長的 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定義暴露時間將引起重大錯誤，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。羰基形成(隨光密度變化)與輻照波長的聯係,任一波長的焦耳數是1MJ/m2。

為了直觀說明波長不同引起的錯誤，幾種材料的樣品按照 ASTM G53進行暴露測試，ASTM G53是關於光照和冷凝暴露設備(熒光紫外類型)的一個測試標準。每次暴露都是使用熒光紫外燈管，選擇圖 3 中兩個不同波長光譜中的一個。G53中規定的設備是 Q-Lab公司的 QUV/se型號。這種設備安裝有反饋控製係統，可以精確控製紫外光的輻照度，在這次研討會的另外一篇文章中有介紹。在這些試驗中，340nm處輻照度控製在1.35W/m²/nm。熒光紫外設備為測試光譜功率分布的作用提供了一個理想的工具，因為不像其它類型的燈管，這種設備的燈管在其使用壽命之內的光譜功率分布的形狀不發生變化。

圖3－熒光紫外燈管的光譜功率分布

為了排除濕度的影響，暴露過程中隻是連續紫外光照，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隻偏移了10nm，這是一個很小的變化，比圖1中夏天和冬天的太陽光光譜之間的差別小很多。然而，下麵的測試顯示，相同焦耳數引起的老化性能的差異可以高達 2:1。

圖4－波長對聚苯乙烯薄片產生黃變老化的影響

圖4顯示，對透明聚苯乙烯薄片進行測試時,要想對材料產生預期的黃變(delta b*)效果,較長波長的燈管UVA- 351比UVA-340要多照射大約80%的總紫外焦耳數。如果研究者依靠焦耳數來定義這些測試，將會引起很大的錯誤。

圖5－用總紫外焦耳數計算時間，研究波長對環氧塗層失光的影響。相同焦耳數，不同光譜功率分布的燈管引起不同的失光速率

圖5顯示了波長對環氧塗層失光老化的類似影響。在這個試驗中，UVA-351燈管需要大約兩倍於UVA-340燈管的總紫外焦耳數才能達到材料預期的失光效果。

圖6-用340nm 處的紫外焦耳數計時，研究波長對環氧塗層失光的影響。在340nm 測量紫外焦耳數並不比測量總紫外焦耳數更精確

有時人們斷言，在 340nm測量焦耳數來定義測試時間比用總紫外焦耳數來定義時間更精確。圖6與圖5的數據相同，隻是使用 340nm處的紫外焦耳數而不是總紫外焦耳數來表示。但這並沒有提高測試計時的精確性。UVA-351仍需要大約兩倍於UVA-340的焦耳數才能達到預期的失光效果。所得數據與圖5 一致。

圖7－波長對聚氨酯塗料失光的影響。在相同焦耳數下，不同光譜功率分布的燈管並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產生很大影響，但有時影響也很小。在這個測試中，UVA-340和UVA-351燈管，盡管光譜功率分布不同，但在相同焦耳數下顯示大致相同的失光效果。

以上數據表明，相同焦耳數下，光譜功率分布的很小變化造成的材料老化的差異會達到 2 比 1。換句話說，對於曝曬測試，如果光譜功率分布不同，用焦耳數來定義測試時間引起的誤差會達到200%以上。不管是用總紫外焦耳數還是某一波長(如340nm處)的焦耳數來表示，都會引起以上錯誤。

自然太陽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。太陽紫外線的光譜功率分布隨著時間、季節、雲層和汙染(如圖1所示)的不同而發生顯著變化。那麼由焦耳數引起的材料發生的老化理所當然地會隨著光譜功率分布的不同變化。然而當用焦耳數來定義戶外曝曬的測試時間時，就胡亂地混淆了夏天和冬天的焦耳數、上午10點和中午的焦耳數，而不顧光譜功率分布之間的差別。

初次之外，焦耳數等效中同時還未考慮到溫度、濕度等對於老化的影響，因此在實驗室加速老化試驗與自然老化的時間換算中，無法用焦耳數進行等效。更多關於實驗室加速老化測試與自然老化時間換算的問題，詳見《試驗機加速老化時間與戶外老化時間應該如何換算？》