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你做的是UV测试,还是太阳光照测试?

楼主:可靠性工程师 时间:2020-08-05 12:01:26


最近手头一个项目涉及到UV测试,测试条件是我之前没有遇到过的。跟国外同事确认,一直没有清晰的答复。随即查阅相关资料,原来有时我们都把UV测试和太阳光照测试给混淆了。

SRE上海分会 ✎ 张斌


太阳光对产品有何影响?

气候和阳光辐照是损害涂料、塑料、油墨及其他 高分子材料的主要原因,这种损害包括失光、褪色、 黄变、开裂、脱皮、脆化、强度降低及分层。即使是室 内的光及通过玻璃窗透射的太阳光也都会使一些材 料老化,比如引起颜料、染料等褪色或变色。由于太阳辐射具有热辐射和光化学效应的双重作用,因此高温试验不能替代太阳辐射试验,纯粹的紫外辐射和红外辐射也不能代替太阳辐射试验。



紫外光谱与太阳光谱的区别



紫外光是电磁波谱中波长从0.01~0.40微米辐射的总称,不能引起人们的视觉。紫外光被划分为A 射线、B 射线和C 射线(简称UVA、UVB 和UVC),波长范围分别为400-315nm,315-280nm,280-190nm。




太阳辐射主要集中在可见光部分(0.4~0.76μm),波长大于可见光的红外线(>0.76μm)和小于可见光的紫外线(<0.4μm)的部分少。在全部辐射能中,波长在0.15~4μm之间的占99%以上,且主要分布在可见光区和红、紫外区,可见光区占太阳辐射总能量的约50%,红外区占约43%,紫外区的太阳辐射能很少,只占总量的约7%。


简单说,太阳光辐射覆盖的范围更全面。



光照辐射老化测试


光照辐射一般分为户外暴晒测试人工加速老化测试两大类。户外暴晒,顾名思义就是把待测样品暴露在自然条件下,充分享受上天的阳光与雨露的恩泽,来验证材料的性能。这种方式的好处就是测试结果更接近于真实情况,而且便宜、易于操作。在美国的佛罗里达亚利桑那就有大型的户外暴晒试验场。


佛罗里达州和亚利桑那的亚热带老化曝晒不仅是真实的,也是加速的。佛罗里达州一年的阳光可产生在其他地方进行好几年的老化。佛罗里达测试场阳光辐照强度大, 每年的紫外线强、全年高温、雨量充沛且湿度高。正是这种紫外线、湿度和高温的协同效应使迈阿密成为户外环境中测试材料耐久性的理想之地。 这种阳光充足、潮湿和温暖的极端气候已证明对某些类型的测试特别有用,包括:

  • 颜色变化、褪色和光泽损失

  • 开裂、剥落、粉化和起泡

  • 机械的强度损失和物理降解

  • 湿度敏感性产品如涂料、建筑材料、以及一些塑料

  • 生物降解,包括霉、霉菌、真菌和藻类

  • 加速腐蚀测试


各种不同的曝晒技术

在佛罗里达,各种样品安装和曝晒技术可用于自然和户外加速曝晒测试:

  • 直接曝晒:

    直接曝晒用于测试许多户外用材,如工业涂料等。 把样品牢固安装好,让前表面朝向太阳。不同的曝晒角度和安装方法适合不同的应用。

  • 玻璃框下曝晒:

    这种曝晒方式用于测试室内材料,如纺织品和印刷油墨等。样品放置在3毫米厚的玻璃下面,玻璃将过滤掉短波紫外线。曝晒通常以45度角进行。

  • 黑箱曝晒:

    这些测试可再现车辆水平表面上的状况,包括高温和潮湿。  玻璃黑箱下的曝晒适用于测试汽车内饰材料。

  • AIM 箱 (汽车内饰材料):

    这种玻璃下曝晒可模拟汽车内部环境和适合安装较大部件(如仪表板)。 AIM箱有太阳跟踪功能。

  • 盐雾加速户外腐蚀: 

    盐雾直接曝晒可以产生快速而真实的腐蚀,尤其是对有涂层的金属。

  • 霉菌测试:

     在佛罗里达进行的曝晒测试中,面板通常是朝北90度角,垂直放置以减少阳光,降低表面温度并增加湿度。.  此外,样品可放在植被附近或植被下面,以促进霉菌生长。


就连传统的酱油行业都在使用,好酱油是晒出来的,晒足180天。(注意:我们这里不是酱油广告,我们都是打酱油的

但是大部分制造商不愿意等上几年的时间来观察一种新的改良的产品设计是否真的得到改进,所以室内人工加速老化的方式是大家更能接受的,毕竟时间就是金钱,加班熬夜都是为了项目赶进度。人工加速老化又基本分为:紫外辐射老化测试模拟太阳光谱辐射老化测试



紫外辐射与太阳光辐射测试的区别


现实工作中,进行上述测试都是参照相关的标准来执行。常见的标准,比如有:ASTM G154(使用荧光紫外线设备对非金属材料进行曝露的测试方法),ASTM G155(使用氙弧灯设备对非金属材料进行曝露的测试方法)以及GB2423.24(模拟地面上的太阳辐射):等同IEC60068-2-5。



整理部分标准清单如下:

人工加速光老化试验
氙弧灯老化试验(ASTMG155,ASTMD4459,ASTMD2565,ASTMD6695,ISO4892-2,ISO11341,ISO105-B02,ISO105-B04,ISO105-B06,ISO4665,ISO3917,GB/T1865,GB/T16422.2,SAEJ2412,SAEJ2527等)
氙灯测试(高辐照度试验(ASTMG155,NESM0135中1-2-1A,2-2-1,NESM0141等)
荧光紫外灯老化试验(ASTMG154,ASTMD4329,ASTMD499,ASTM D5208,ASTMD4587,ISO 4892-3,ISO11507,SAEJ2020,GB/T16422.3,GB/T14522等)
金属卤素灯老化试验(DIN75220,IEC60068-2-5,ISO9022-9,ISO12097-2,MILSTD810F等)
红外灯老化试验(NES M0131,PV2005等)
阳光碳弧灯老化试验箱(GB/T16422.4、ISO4892-4、ASTMG152、JIS B7753、JIS D0205等)
紫外碳弧灯老化试验箱(JIS L0842 2004、AATCC16方法1、JISA1415 1999,TSL0601G等


紫外辐射


根据ASTM G154的介绍,UV(紫外)不能模拟全光谱太阳光。它的原理是,对于曝露在室外的经久耐用的材料,紫外线的短波段波长300~400nm 是引起老化损害的最主要原因。从下图可以看出,在紫外线的短波区域,即从365nm 到太阳光的最低波段,UV荧光灯能很好地模拟太阳光,然而,对于长一点的波长它将无能为力。


UV测试主要使用荧光灯紫外灯来模拟紫外光测试,根据光谱能量分布来看,UV灯分为:UVA-340,UVA-351和UVB-313。

  • UVA-340:主要用途是模拟太阳光紫外部分中的中短波长范围,一般用于户外产品的光老化试验。

  • UVA-351:主要用途是模拟经过窗玻璃过滤后的太阳光紫外部分中的中短波长范围,一般用于室内产品。

  • UVB-313:它们发射出相当多的300nm以下的辐照,而300nm为名义上的太阳辐照的截至波长。这将会引发一些在户外不会发生的老化现象。不推荐使用这种灯来模拟太阳光。这种测试主要广泛用于加速材料的耐久性测试,作为两种或以上材料的定性对比。



UVA-340的辐照度:

0.68W/m^2@340nm相当于夏季正午的阳光,得到快速效果。

1.38W/m^2@340nm两倍于太阳最大值,得到快速效果。

0.35W/m^2@340nm相当于三月/九月的日光,适合普通测试或较低UV光强的测试。


其他一些常见UV测试标准如:ISO4892.3,GB16422.3,也都UV测试有比较详细的介绍.但是哪种标准最合适,还要根据产品要求,客户要求来衡量.


太阳光辐射


由于UV测试没有考虑到太阳光谱中的可见光和红外部分,所以很多国家的标准都比较推荐太阳光的辐射测试,比如ASTM G155,GB2423.24,IEC60068-2-5等。氙弧灯(Xenon Arc )是常见的用来模拟太阳光谱的光源,它可最好地模太阳光的所有光谱,可产生紫外线、可见光和红外线




IEC60068-2-5和GB2423.24标准中有明确的测试要求,但是跟ASTM G155的明显区别就是没有对光源的滤光装置进行说明.

总辐射能量为1.12KW/m^2+/-10%,试验程序有三种:

A:其试验条件接近于最严酷的自然条件,主要用于评价太阳辐射对产品产生的热效应.

B:每循环的光照时间比A长,适合于评价太阳辐射对产品产生的综合效应(兼顾热效应和光化学效应).

C:一种经过简化的试验,忽略了周期性热应力对产品产生的影响效应,因此一般只适用于评价太阳辐射对产品产生的光化学效应,而不适用于评价太阳辐射对产品产生的热效应.


ASTM G155 中写道,虽然氙弧灯能发出的光谱非常接近太阳光的光谱,但是它同时也发射出低至270nm的短波紫外光,以至于不能很好的模拟地球表面自然暴露.因此,氙弧光灯产生的光谱必须经过过滤来减少不需要的光谱成分,使用不同类型的玻璃滤光器可得到不同的光谱。滤光器的使用取决于被测材料和材料的最终使用条件,不同过滤器过滤的光谱中紫外线短波段的量不同,这将在很大程度上影响老化的速度和类型。经常使用的滤光器有3种类型:日光、窗玻璃、紫外延伸过滤器


日光过滤器通常被用来模拟户外暴露。窗玻璃被设计用来测试室内光稳定性,这种过滤器产生的一种光谱与透过玻璃的太阳光光谱非常相似。某些测试标准要求一种光谱包含短波紫外线,比太阳短波截止点(295nm)还短的波长,扩展紫外线过滤器过滤器提供这种光谱。尽管这种过滤器提供不切实际的紫外线短波段,但它们往往提供更快的测试结果。


本文主要简单介绍了一下UV测试与太阳光照测试的区别.关于标准里的具体的测试要求,大家可以参阅这些标准,但是标准里也明确说明,测试条件仅作参考,没有强制也不推荐.


参考资料:

  • 百度百科

  • ASTM G154,ASTM G155,GB2423.24,IEC60068-2-5

  • QUV和QSUN 两种有效测试耐候性和光稳定性方法的比较,张恒,Q-Lab



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