關(guān)于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(shù)等效自然老化環(huán)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，這種想法只是一種理想化的想法。實際應(yīng)用中，用焦耳數(shù)等效并不能體現(xiàn)光譜對于老化的影響情況。
太陽光與波長對應(yīng)的光譜持續(xù)發(fā)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、云層遮擋、空氣污染及緯度的變化而改變。例如，圖1顯示太陽入射角的季節(jié)性變化引起波長漂移?？梢?，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于310nm的。
圖1-太陽光紫外譜線的季節(jié)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(shè)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(fā)生變化。
如果焦耳數(shù)可以有效定義暴露時間，它必須能夠體現(xiàn)戶外或?qū)嶒炇壹铀贉y試中的光譜功率分布的差異。然而，數(shù)據(jù)表明，當(dāng)用焦耳數(shù)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(shù)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(yīng)。羰基形成(隨光密度變化)與輻照波長的聯(lián)系,任一波長的焦耳數(shù)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(guān)于光照和冷凝暴露設(shè)備(熒光紫外類型)的一個測試標(biāo)準(zhǔn)。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(guī)定的設(shè)備是 Q-Lab公司的 QUV/se型號。這種設(shè)備安裝有反饋控制系統(tǒng)，可以精確控制紫外光的輻照度，在這次研討會的另外一篇文章中有介紹。在這些試驗中，340nm處輻照度控制在1.35W/m2/nm。熒光紫外設(shè)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(shè)備的燈管在其使用壽命之內(nèi)的光譜功率分布的形狀不發(fā)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，暴露過程中只是連續(xù)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只偏移了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，下面的測試顯示，相同焦耳數(shù)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(chǎn)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(chǎn)生預(yù)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(shù)。如果研究者依靠焦耳數(shù)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(shù)計算時間，研究波長對環(huán)氧涂層失光的影響。相同焦耳數(shù)，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(huán)氧涂層失光老化的類似影響。在這個試驗中，UVA-351燈管需要大約兩倍于UVA-340燈管的總紫外焦耳數(shù)才能達到材料預(yù)期的失光效果。
圖6-用340nm 處的紫外焦耳數(shù)計時，研究波長對環(huán)氧涂層失光的影響。在340nm 測量紫外焦耳數(shù)并不比測量總紫外焦耳數(shù)更精確
有時人們斷言，在 340nm測量焦耳數(shù)來定義測試時間比用總紫外焦耳數(shù)來定義時間更精確。圖6與圖5的數(shù)據(jù)相同，只是使用 340nm處的紫外焦耳數(shù)而不是總紫外焦耳數(shù)來表示。但這并沒有提高測試計時的精確性。UVA-351仍需要大約兩倍于UVA-340的焦耳數(shù)才能達到預(yù)期的失光效果。所得數(shù)據(jù)與圖5 一致。
圖7－波長對聚氨酯涂料失光的影響。在相同焦耳數(shù)下，不同光譜功率分布的燈管并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(chǎn)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(shù)下顯示大致相同的失光效果。
以上數(shù)據(jù)表明，相同焦耳數(shù)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，對于曝曬測試，如果光譜功率分布不同，用焦耳數(shù)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(shù)還是某一波長(如340nm處)的焦耳數(shù)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(jié)、云層和污染(如圖1所示)的不同而發(fā)生顯著變化。那么由焦耳數(shù)引起的材料發(fā)生的老化理所當(dāng)然地會隨著光譜功率分布的不同變化。然而當(dāng)用焦耳數(shù)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(shù)、上午10點和中午的焦耳數(shù)，而不顧光譜功率分布之間的差別。
初次之外，焦耳數(shù)等效中同時還未考慮到溫度、濕度等對于老化的影響，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(shù)進行等效。更多關(guān)于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(yīng)該如何換算？》
與本文關(guān)聯(lián)的產(chǎn)品:
