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實驗室老化儀器選擇技巧

2010-08-24

實驗室老化儀器選擇技巧
 　 雖然應用由于像熱，濕度和機械改變會加速老化并影響材料性能的改變，但對暴露在戶外的材料使用壽命的限制主要是太陽光的紫外輻射，所以我從實驗室老化試驗中使用的各種光源開始我的討論。

一． 封閉式碳弧燈
       這種燈已使用大約70年之久了，在1918年首先使用在紡織品曝曬牢度試驗，成為AATCC (American Association of Textile Chemists and Colorists)的光源，現在許多舊的規范仍要求用它。
封閉式碳弧燈由一隊碳棒組成，這碳棒密封在一金屬氣體檢塊板( metal gas check plate)和硼硅玻璃球形成的氣密封套中，當電流在碳棒之間流過，產生弧光。由于碳電極的成份，決定它燃燒時產生的光的品質，對碳棒的任何改變將改變它們的光譜能量分布(SPD)，從而改變測試條件。
      封閉式碳弧燈的SPD顯示，它的主要能量集中在3個相當窄的波帶中。在低于345nm處還有相對小的能量可采用，在這一段聚合物有大吸收靈敏度。但封閉碳弧燈的光譜功率分布與自然日光相差較大。碳弧燈既沒有自然日光中的短波紫外輻射，在400~800nm間也沒有日光的高強度能量。由于這種燈在光譜上與日光存在較大差異，要比較自然氣候老化和使用碳弧燈的實驗室老化相關性就困難了。
二． 日光碳弧燈
     日光碳弧燈與封閉碳弧燈一樣是星期老化試驗使用的光源，早始于1933年?；」庠谌犔及糁械囊粚Ξa生，用八塊玻璃濾光片環繞弧燈，它主要用在涂料工業中，許多規范中規定使用此種光源。
由于封閉碳弧燈的缺陷，日光碳弧燈碳棒的成份改變，使它的SPD較類似于日光方面有明顯的改進。但是與日光的SPD比較在350nm和50nm之間的很大差別仍可引起相關性差。
三． 熒光紫外燈
      在理論上進短波能量是主要的。如果它的很少能量就能導致材料的老化。為什么不顯著增加這能量，達到快速試驗的效果呢？比較FS-40熒光燈的SPD和Florida太陽光的SPD，可以看出達到了增加紫外線能量的設計標準，不僅是UV能量水平增加，而且光譜范圍也增加到自然光中沒有的UV能量。這能量分布的急劇改變可以使許多產品加速損壞。
　　由于熒光裝置中存在在地球表面測量時自然日光中沒有的輻射能量，熒光裝置可以引起非自然的破壞。另外熒光光源除了很窄的水銀光譜線外，沒有高于375nm的能量，這樣對較長波長的UV能量敏感的材料就可能不會使曝曬在自然日光下那樣變化。
　　由于這些固有缺陷，不僅在光譜分布上，而且還有無法控制的其他因素，從而得出不規則的結果。Atlas公司一般不考慮使用這種光源。我們認為它的主要用途是作為一個紫外篩選裝置，限于質量控制應用。 四． 氙弧燈
新的，也是更好的光源是氙弧燈，它在50年代首次引入使用時為空氣冷卻系統，隨后在60年代使用水冷。這種光源對本世紀初形成加速老化的原始概念時期使用密封碳弧燈加速老化試驗裝置以很大沖擊。
無論是空氣冷卻還是水冷卻，氙燈都有相同的基本光譜能量分布(SPD)，冷卻的方式不同，則燈的源光玻璃裝置和結構不同。下面我們只限于討論Atlas產品采用的水冷系統。
     水冷氙燈系統由石英，燃燒管，內，外濾光裝置和不銹鋼裝配組件組成，不銹鋼部件使各部份裝配成一個系統。安裝后，將去離子水或蒸餾水泵入這系統冷卻燈管和吸收長波紅外能量。當用硼硅玻璃，內，外濾光時，氙燈系統近似于自然日光，將外濾光玻璃該為鈉鈣玻璃，則接近經過玻璃窗過濾后的自然日光。
     初始開發的2500W和6000W氙燈，由于隨著點燃時間的增加，有黑色沉積物在電極區形成，隨著繼續使用，沉積從電極區向燈管中心擴大，這些沉積物嚴重影響了燈的能量輸出，使燈的壽命縮短，當時，在額定輻射水平上使用的6000W氙燈，每300~500小時就需要更換。Atlas立即開始了改進氙燈性能的研究。
　　1974年秋，在J.NORTON先生的指導下，研制出了6500W氙燈，這種新的氙燈工作在新的金屬件中，用這種新的金屬沒有了電極區，消除了黑色沉積的問題。當與Atlas的光監視系統一起使用時，6500W的氙燈使用壽命超過1500小時，一般可達2000小時。但工作在高強度輻射下的氙燈的使用壽命會受影響。
6500W氙燈現在在Atlas C系列氣候老化儀和褪色試驗儀中使用。
     氙弧燈首先用于塑料工業：許多規范如AATCC，ASTM，ISO和政府的規范都將它列入為使用燈。紡織工業是傳統使用碳弧燈的用戶，現在也改變他們的規范使用氙燈。AATCC不僅規定了使用氙燈，而且規定了使用的輻射水平，以及輻射曝露劑量(每平方米多少焦耳)以便產生一個期望的顏色變化。
     使用碳弧燈的另一傳統工業是汽車工業，近國際工業纖維協會IFAI強調氙弧燈方法已發展作為汽車內部裝備，裝飾產品的老化試驗方法。
事實上，在Ci35和Ci65氙燈老化儀中試驗，證明許多產品與曝露在Florida試驗基地的自然老化試驗結果相關性高達98%。
　　我們已經討論了光源，下面我們將看看除光源以外的許多其他因素的影響。這些因素在我們選擇儀器時也應當考慮，從而產生很高的試驗相關水平。
水份
　　無論是直接噴水(雨)，潮濕，還是凝結水(露水)都是實驗室試驗中要模擬的影響因素。但是不像溫度或輻射可以增加水份來加速光化學反應。樣品的濕度是不能增加的。但是我們能做的是增加干變濕，濕變干，以及熱沖擊周期的頻率。Papenroth博士在一篇有機涂料的論文中報告說："在老化試驗中不僅水的存在是主要的適當增加濕潤和干燥周期的頻率，并駁斥所有其他條件恒定的情況下，能加速老化過程。"雖然在樣品表面的有效相對濕度和樣品室的相對濕度之間的關系上還存在某些不同意見，但濕度是一個重要影響因素，這一點大家是一致的。
溫度控制
　　簡單的加速老化反應的方法是加熱，但必須小心調整溫度不超過導致不同試驗結果的溫度點。原油精練是一個例子，在蒸餾過程中要加熱，當小心地調整控制加熱時，原油可分解為它的各種成份，但加太多熱就將發生大災難。
　　相類似，加速老化程序中，在錯誤的溫度上試驗將引起不規則的實驗結果。所以重要的是要知道產品使用溫度是多少，以便將他們編入加速試驗周期程序。
傳統上，用一個黑板溫度計測量試驗溫度。在理論上，黑板溫度代表大的樣品溫度。雖然在傳感器的結構上有某些不同意見，溫度控制的極端重要性是一致公認的。
     在美國，實際上所有老化試驗規范都按ASTM建議實行的G26和G23所說明的要求使用黑板溫度。一個例外是ASTM G53，這里使用熒光裝置，使用一不同幾何結構的溫度計。
在德國，通過他們的標準組織DIN發展了一種用于塑料工業的不同溫度計，他們認為裝在金屬板上的傳感器不能準確代表塑料暴露的溫度，所以建議要用一個裝在塑料物體上的傳感器。這種溫度計也能用在Atlas C系列儀器中。
　   傳感器裝在與樣品相連的曝露架上，并通過一采集系統達到電子系統，連續控制和監視溫度。
亮/暗周期
　　交替亮/暗周期是多數老化試驗循環的一個重要部份，已被證明對汽車內部的裝備，飾物產品試驗很有意義。在暗周期，儀器可以編程設置到類似在晚上一個汽車中的高濕度情況或與對產品背面噴水結合在油漆板？？？？撒謊能夠產生結露。
某些儀器旋轉樣品，使樣品對光源旋轉，交替地面向光或背向光，這雖然使樣品的暴露類似亮/暗的狀態，它并沒有使樣品暴露于不同的濕度和溫度條件，樣品基本上仍保留在與樣品面對光時的相同環境條件，不同的只是樣品沒有被輻射。為了有一個真實的亮/暗條件，光源以某個預定的時間間隔，周期的開和關。在亮/暗時期儀器必須有獨立的溫度和濕度控制。
大氣污染
　　建立材料在工地污染空氣中暴露老化的標準方法的工作還做得很少。Sherwin William公司對二氧化氮和二氧化硫對油漆板的影響做了一些基礎的研究。同時也將材料暴露于溫度，水份和用氙燈模擬的日光下。AATCC也做了在工業污染與氙弧燈曝曬相結合來評價對紡織品的組合作用。很明顯隨著時間的繼續，評價工業污染和陽光的結合作用將更為重視。所以老化儀也應當有使用污染氣體，諸如二氧化氮，二氧化硫和臭氧的能力。
輻射的檢測和控制
　　在我們前面討論光源時，已知光源的質量在設計一加速老化試驗程序中是極為重要的，必須記住大多數試驗是要模擬戶外自然條件，所以光源應當盡可能緊密近似自然日光。記住，將材料暴露在一個不是使用所經受的環境中，可能產生反常的結果。
　　我們對四種光源的簡短選擇已清楚說明配有硼硅玻璃內，外濾光套的氙燈是自然光的更好模擬裝置。所以ATLAS選擇集中它的技術在氙燈系統上。
　　改變達到樣品的輻射能量的質量，可以通過改變內，外濾光套。例如，將外濾光套的硼硅玻璃該為鈉鈣玻璃，將使輻射類似無過濾的日光改變成過濾過的日光。用石英代替內玻璃套，保留硼硅玻璃作為外玻璃套，將稍增加短波(UVB)能量而不犧牲光譜的分布。內，外玻璃套都該為石英，產生的UV輻射可低到180nm，所以氙燈系統非常靈活。
　　我們已討論了光的質量，數量的重要，自然會產生這樣的問題：如何能控制這兩個重要因素？我們已說過改變用在氙燈的濾光套可以改變光的質量，也即SPD可以改變，但是一旦做了這些，如何能補償電極老化，濾光玻璃在陽光下老化的作用，如何能保證在整個試驗時間樣品暴露到相同的能量水平。
實驗證明，在一固定電壓瓦數下，工作過120小時的氙燈的輻射比工作過1500小時后的氙燈的輻射能量多得多。也就是，如果一個樣品總暴露時間為1500小時，那么在前數百小時，氙燈新的時候樣品就接受日光能比用舊后多。但如果我們引入輻射自動控制系統，樣品無論在新燈和舊燈情況下都接收到相同的能量。控制光源的輸出不僅是需要，對研究發展老化試驗也是必要的。
　　為了達到恒定的輻射，ATLAS的CI(Constant Irradiance)系列儀器中裝有窄帶光監視器。這系統接收氙燈的輻射能量通過一石英光棒傳到測試室外的一個檢測盒。在檢測盒中首先通過一窄帶濾光片(340nm或420nm)后照射到光電檢測器上，變換為電信號，該信號送到檢測電路與設定值比較，如果測量值小于設定值，也即輻射低于要求的水平，功率調整器接受控制信號增加燈管的功率，使輻射達到設定點。如果輻射高于要求的水平，系統將自動減小功率，直到輻射到達設定點。
　　除了自動控制輻射能量恒定外，光監測器，將輻射功率對時間積分得出樣品已接收到多少輻射能量。通過使用一可復位的倒數計數器，可以對預定的輻射總能量編程。實驗過程中，積分電路將驅動計數器，以0.1千焦耳的增量累積，使計數器從設置點逐漸減為零，當到達零點時，儀器自動關閉。這樣曝光的結束是由樣品接收到的累計總能量決定，而不是由時鐘。
　　水冷氙燈的靈活性結合恒定輻射控制系統使ATLAS CI系列老化儀成為一卓越的加速老化試驗工具。
　　正象我們在開始就提到的，自然氣候現象是很復雜的過程，所以必須小心選擇選擇在實驗室中能模擬該過程的系統。它應當有能力控制像水份，溫度，亮/暗周期這樣的條件。并且重要的是它應當提供一個光源，這光源能模擬樣品在使用條件下曝露所獲得的輻射能量。儀器能更進一步重復暴露的條件，使去年做的老化評價能與今天做的老化評價相比較。
　　在這里我們主要集中在加速氣候老化試驗儀器的要求和功能，但請記住，在氣候老化或褪色老化試驗儀中的試驗，可能不是，或許應當不是評價一個材料性能的方法。這評價當然是很重要的部份，但其他因素像冷凍和鹽霧也需要考慮。例如評價用于油井平臺上的油漆的老化試驗可以輪流在老化儀，冷凍室和鹽水噴霧試驗中進行。ATLAS 也已選出極端氣候老化試驗儀，在這里試驗溫度可低到零下40C。
     后請記住，在選擇一個加速老化儀中重要的因素是您所要評價的產品的知識。這是設計實驗室加速老化試驗程序使實現和實際使用條件下將發生的結果有更好相關的總依據。