氙灯老化试验机和紫外荧光老化机模拟太阳光透过汽车玻璃的老化效果对比

介绍

阳光是损坏暴露在户外的材料的一个重要原因。阳光的波长越短，伤害越大。阳光中波长最短的是紫外线。虽然紫外线只占落在地球表面的太阳能总量的5%，但它几乎会对暴露在户外的耐用材料造成所有的损害。

玻璃像过滤器一样过滤阳光。它对可见光基本上是透明的，但过滤掉了大部分紫外线。汽车玻璃是一种比普通窗户玻璃更有效的过滤器，因此可以过滤掉更多有害的紫外线。然而，紫外线仍然是损坏汽车内部材料的一个重要原因。

阳光的侵蚀只是老化的一个方面。对于许多材料来说，湿度和温度可能更为重要。没有一台设备可以复制不同环境中的所有变量。因此，任何测试参数的选择都有些武断。加速测试结果总是相对的。即使是最精密的老化测试仪也应被视为筛选设备。

阳光

图1显示了夏季阳光的光谱能量分布(SED)与冬季阳光的SED的对比。夏季阳光的低端紫外线截止波长为295纳米。

从夏天到冬天，阳光的强度和光谱都有变化。最重要的是在冬季短波长紫外线辐射的损失。

阳光能量通常分为红外光、可见光和紫外光。红外线由可见红光以外的波长组成(长于760纳米)。可见光在400纳米和760纳米之间。紫外光由低于400 nm²的辐射组成。紫外线区域进一步细分为紫外线-A、紫外线-B和紫外线-C，如下所示。

光谱截止在评估加速曝光和自然曝光中的重要性

光化学降解是由光的光子破坏化学键引起的。对于每种类型的化学键，都有一个临界波长的光，其能量足以引起反应。任何波长短于阈值的光都可以打破这种结合，但更长波长的光不能打破这种结合——不管它们的强度(亮度)如何。这个概念对于理解光谱“截止”的重要性至关重要。

例如，如果一种特定的聚合物仅对低于295纳米(太阳截止点)的紫外光敏感，它在户外永远不会经历光化学退化。如果同样的聚合物暴露在截止光谱为280纳米的实验室光源下，它将会变质。正如将要显示的，通过汽车玻璃过滤的太阳光的光谱截止约为315 nm。任何光谱包含短于315 nm波长的测试仪都不可避免地会导致一些在实际使用中看不到的劣化。正如Fischer所展示的，测试速度和准确性往往是对立的。必须做出妥协。但是，使用光源的光谱截止值远低于材料目标环境的光谱截止值的测试仪是很危险的。这是实验室测试人员面临的挑战——在不对材料施加不自然应力的情况下加速。

与夏季阳光直射相比，加速光源

两种类型的加速老化测试仪广泛用于预测老化损伤:氙灯老化试验箱和荧光紫外老化箱。弧型测试仪试图重现阳光的整个光谱。荧光测试人员并不试图复制阳光，只是它的破坏性影响。它们将输出限制在光谱的紫外线部分。

氙弧

1954年，德国首次将氙弧灯用于实验室加速老化。一些型号的氙弧灯具有光监控系统，以补偿由于灯老化而不可避免的光输出衰减。在检查氙弧时，应该理解两个重要的概念。

1. 辐照度水平的影响-氙弧的常见辐照度设置为340 nm时0.35或0.55 W/m²。出于实用的原因，大多数非汽车用户选择0.35的设置。如图2所示，0.55与夏天的阳光相比相当不错，但是0.35更像冬天的阳光。图2显示了带有硼硅酸盐滤光片的氙弧灯。

2. 滤光器的作用-氙弧需要滤光器的组合来减少不需要的辐射。最常见的是硼硅酸盐内外过滤器。这种在0.55辐照度水平下工作的组合可以用来模拟整个太阳光光谱。然而，它发出一些不现实的，280和295纳米之间的短波长辐射。

汽车测试通常指定石英/硼硅酸盐过滤器。这种组合允许更不现实的短波长紫外线攻击样本。图3显示了与夏季阳光相比的不同滤光器组合。

UVA-340荧光灯

UVA-340荧光灯于1987年推出，旨在增强荧光测试仪(ASTM G-53)和室外老化之间的相关性。图4是UVA-340与氙弧灯和夏季阳光的对比图。在太阳光的临界短波紫外线部分，从大约365纳米到295纳米的太阳截止波长，UVA-340比氙弧更接近直接太阳光的再现。

玻璃对阳光的过滤作用

普通的窗玻璃-玻璃对可见光基本上是透明的，但过滤掉了太阳光中的大部分紫外线。波长越短，过滤效果越大。低于310纳米的紫外线被普通的1/8英寸窗玻璃完全过滤掉(图5)。

汽车玻璃

挡风玻璃——汽车挡风玻璃比较厚。它通常是有色的，并包含一层塑料以增强安全性。这增加了玻璃的过滤效率。图6显示了直射阳光与透过汽车挡风玻璃的阳光(扩展到500 nm)的SED。挡风玻璃截止约380纳米。几乎所有有害的紫外线都被挡风玻璃过滤掉了。该数据与Robbins和Donald等人先前报道的数据一致。

侧窗和后窗玻璃-用于侧窗和后窗的汽车玻璃比挡风玻璃薄。它的透光特性是不同的。图7显示了福特和通用汽车侧窗和后窗的阳光直射对比。过滤掉最少紫外线(即具有较佳透射率)的玻璃在约315 nm处截止。

与实验室光源相比，通过汽车类测量太阳光

用于下面比较的汽车玻璃是过滤掉最少量紫外线的玻璃。它可以被认为是“最坏情况”的汽车玻璃。

封闭式碳弧

自1918年以来，封闭式碳弧一直用于实验室气候和耐光性测试。一些测试方法仍然需要使用它。

封闭碳弧的UV光谱主要由两个非常大的能量尖峰组成，在350 nm以下几乎没有输出。图8将封闭的碳弧与透过汽车玻璃过滤的阳光进行了比较。由于最短的紫外线波长是最具破坏性的，封闭的碳弧对大多数材料的测试非常慢，对短波长紫外线敏感的材料的相关性很差。

阳光碳弧

自1933年以来，阳光碳弧一直用于实验室老化。

阳光碳弧光谱最严重的问题在于短波。这种碳弧发出低至(有时低于)260纳米的大量UVC能量。这远低于汽车玻璃后截止点315 nm，与实际汽车内部暴露相比，可能会导致不真实的结果。图9显示了阳光碳弧(使用Corex D过滤器)与透过汽车玻璃的阳光的对比。

氙弧灯

目前用于纺织品和软装饰的汽车测试方法规定了氙弧，石英/硼硅酸盐滤光器组合在340 nm下以0.55 W/m²运行。图10显示了透过汽车玻璃的阳光与氙弧灯的对比。如图所示，氙灯的短波长截止约为280纳米。透过汽车玻璃的阳光在315纳米处被切断。

UVA-351荧光灯

UVA-351用于荧光紫外线老化测试。图11显示了透过汽车玻璃的阳光与UVA-351的对比。这种灯在大约305 nm处具有短的截止端。虽然这略低于透过玻璃的阳光的315 nm截止波长，但UVA-351是透过玻璃的阳光的良好模拟。

结论

关于实验室和自然照射之间的相关性，可能永远会有争议。使用短波长紫外线的实验室光源提供了很大的加速度，但并不总是精确的。但是当他们错了，他们通常是错误的。相反，消除低于使用环境的光谱截止波长的光源将给出更准确的结果。但是增加真实感的代价是加速度的降低。用户(或指定者)必须教育自己做出选择。