紫外荧光老化试验QUV采用荧光紫外灯为光源,通过模拟自然阳光中的紫外辐射和冷凝,对材料进行加速耐候性试验,以获得材料耐候性的结果。氙灯试验箱Q-Sun采用能模拟全阳光光谱的氙弧灯来再现不同环境下存在的破坏性光波,用来进行老化的环境模拟和加速试验。QUV和Q-Sun同属加速老化和测试材料光稳定性的设备,能提供快速且可重复的测试结果。本文论述了这两种仪器的特点和相关主要标准,并比较了两者之间差别。

一、引言

高分子材料在日常生活中应用广泛,在其长期使用过程中,经常出现变色、粉化、起泡、裂纹、脱落等老化现象,严重影响产品的机械性能、外观表现等特性。因此,如何高效、准确地评价高分子材料及其制品的耐老化性能,对高分子材料的应用和发展极其重要。

老化试验的研究方法主要有两种,自然环境老化和人工加速老化。自然环境老化是评定材料实际寿命的最好方法,但试验周期长,环境条件不可控,因此其实际应用受到限制。为了缩短试验时间,通常采用人工加速老化试验方法,在室内或设备内模拟大气环境条件或某种特定的环境条件,其中光老化是较常采用的老化方法。

加速检测老化和光稳定性的设备较常见的有紫外老化箱(QUV)和氙灯试验箱(Q-Sun),这些检测设备被广泛用于研究开发、质量控制和材料检定,能提供快速且可重复的老化测试结果,适用于食品接触材料、医用材料等的老化研究。

QUV紫外老化箱是模拟老化的具有破坏效果的实验室仪器,它可用于预测材料暴露在室外环境下的耐久性。QUV自带的冷凝系统可模拟雨雾,荧光紫外灯模拟阳光的损害现象,暴露温度可自动控制。几天或几周后,QUV会造成几个月或几年在室外才可能发生的破坏效果。观察到的材料的变质情况包括褪色、风化、开裂、模糊、起泡、光泽消失、强度减小以及脆化等。

Q-Sun氙灯试验箱是模拟气候腐蚀效果的实验室设备,用来测试材料的耐候性能。它能在几天或数周内产生户外几个月甚至几年的老化效果。能观察到的效果包括褪色、白化、龟裂、破裂、雾化、水泡、光泽降低、强度降低和脆化等。

二、仪器介绍

本文介绍的QUV紫外老化箱由美国Q-LAB公司生产,型号为Q-LabQUV/spray(喷淋)。该老化试验箱具备喷淋、辐照强度闭环自动控制功能、黑板温度的直接设定和闭环自动控制功能以及水温加热自动控制功能,可进行循环温度控制和冷凝温度控制,具有精密的太阳眼光照控制系统,能选择合适的辐照度(辐照在单位面积上的光的比率)。太阳眼自动保持正确的照度,控制器通过4个传感器监控UV强度,相比替补/轮换系统可弥补灯的差别,从而更好地控制辐照度。可供选择不同的光照情况,例如,UVA-340可以设定以下几种光照情况:

(1)太阳最大值(相当于夏季正午日光),得到快速效果;

(2)UV最大值(高于无太阳眼控制的照度的75%),得到快速效果;

(3)平均最优值(相当于三月/九月的日光),平均或低于UV照射。

使用UVB-313灯,能以最大的UV值进行快速试验,进行质量控制或非常耐久的材料的试验。

本文介绍的Q-Sun氙灯试验箱由美国Q-LAB公司生产,型号为Q-Sun Xe-3。Q-Sun配备了辐照控制、相对湿度和黑板温度(X-10235-X)及箱体温度的控制与监控,并带有水喷淋系统。该仪器用氙灯模拟阳光的破坏效果,用喷淋功能(可选项)模拟雨和露,其曝晒、黑暗、喷淋的次序是被自动控制的。可设置循环程序控制温度和相对湿度,并具有精密的太阳眼光照控制系统,可选择光强(照射在平面上光能的比率)的强弱,太阳眼自动保持正确的光强。

三、主要标准

QUV试验标准参考QUV紫外光加速老化试验机测试标准列表；

SUN试验标准参考Q-SUN常用标准列表

四、QUV和Q-Sun的比较

Q-Sun模拟太阳光的所有光谱,包括紫外线UV、可见光和红外线,氙灯光谱在295~800nm范围内基本上与太阳光的光谱相吻合。Q-Sun常被用来测试对紫外线的长波段、可见光及红外线较敏感的样品。

QUV则无法模拟全光谱太阳光。在紫外线的短波区域,即从365nm到太阳光的最低波段,QUV能很好地模拟太阳光,却无法模拟长一点的波长。对于曝露在室外的经久耐用的材料,紫外线的短波段300~400nm是引起老化损害的最主要原因,因此QUV常用来测试暴露在室外的样品。

通常,在涂层、粘合剂、屋面材料和纺织品等材料的老化试验中较多选用QUV,在印刷油墨类、塑料制品中较多选用Q-Sun。在进行人工加速老化试验时,应当根据光源特点、试验目的、受试材料的种类和应用领域来选取不同的人工加速光老化试验方法和适当的试验条件、评判参数。测试的最佳方法依赖于测试需要,选对方法和仪器能使实验结果更为有效。

五、试验结果比较

国内对QUV和Q-Sun两种老化试验方法的对比研究较少。利用QUV和Q-Sun对7种不同基料不同颜色的漆进行老化试验,发现在失光试验方面,200h内两种方法有较好的可比性,而200h后缺乏规律性。在变色试验方面,QUV没有Q-Sun的对比系数高。在粉化模拟性方面,QUV相对Q-Sun更具优异性。薛一心等[10]利用QUV和Q-Sun对PVC-U异型材进行老化变色分析,结果发现,QUV在1000h内展现了PVC-U异型材老化的3个阶段。按国标利用Q-Sun进行老化用时6000h与QUV老化800h变色量相当。在对一定的配方体系及老化条件建立一定的对比模型后,利用QUV可在一定程度上预测Q-Sun的老化结果。

综上所述,QUV与Q-Sun有很好的互补性,二者各有所长,在具体应用中,可以根据对材料性能要求的侧重不同,选择合适的老化试验方法。

六、结束语

尽管目前人工加速老化试验与自然环境老化之间的相关性不能用简单的相关系数、变换关系来表述,但是人工加速光老化试验仍是有意义的。由于自然气候条件变化千差万别,所以实验室设备主要用于可控的、可重现的和技术允许的条件。虽然对许多材料来说, 很多测试方法的结果与自然户外老化结果非常相近, 但是仍然无法等同。它们的主要作用是为材料性能比较提供一种一致的基础, 现在人们采用这些试验方法所得到的结果在特定的试验条件下可以用来评价材料的老化性能。