氙灯与UV系列对比

紫外光耐气候试验箱与氙灯耐气候试验箱区别
我公司研制生产的ZG-P紫外光耐气候试验箱和SN-R氙灯耐气候试验箱是应用最广泛的加速老化检测设备，这两种检测设备的测试原理完全不同。

SN-R氙灯耐气候试验箱
SN-R氙灯耐气候试验箱模拟太阳光的所有光谱(全光谱)，包括紫外线(UV)、可见光和红外线(IR)，氙灯光谱在295nm到800nm范围内基本上与太阳光的光谱相吻合。

SN-R氙灯耐气候试验箱被用来测试许多产品，这些产品对紫外线的长波段，可见光及红外线较敏感。

瑞智公司研发的氙灯耐气候试验箱采用独特的风冷式结构
ZG-P紫外光耐气候试验箱
ZG-P紫外光耐气候试验箱不能模拟全光谱太阳光。

它的原理是对于暴露在室外的经久耐用的材料，紫外线的短波段300nm到400nm是引起老化损害的最主要原因，在紫外线的短波区域，即从365nm到太阳光的最低波段，ZG-P紫外光耐气候试验箱能很好的模拟太阳光，然而对长一点的波长它将无能为力。

瑞智公司生产的紫外光耐气候试验箱所采用灯管为美国进口灯管，UV A-340、UVB-313
测试的最佳方法依赖于测试的需要，每种方法都可能非常有效，应该根据被测产品或材料、最终的应用条件、所考虑的降解模式和预算来选择合适的检测设备。

防腐涂层人工老化(耐候性)试验方法
1定义、目的及意义
防腐涂层的人工老化试验是耐候性试验的重要组成部分之一。

耐候性试验是指防腐涂层（也包括各种材料，尤其是以聚合物为基础的各种人工合成材料，这里以防腐涂层代表）抵抗阳光、潮湿、雨、露风、霜等霜等气候条件的破坏作用而保持原性能的能力。

防腐涂层在实际使用的过程中受到各种自然环境因素的作用，造成其物理化学和机械性能发生不可逆的变化并最终导致防腐涂层破坏的现象，称为防腐涂层老化。

常见的防腐涂层老化的现象有：变色（褪色）、失光、粉化、起泡、生锈、裂纹、剥落等。

由于涂料的质量除了取决于各项物理性能指标外，更重要的是其使用寿命，即涂料本身对大气的耐久性。

这种耐候性最能体现涂料的真正实用价值，是该涂料各种技术指标的综合表现，故对涂料进行耐候性试验是十分必要的。

防腐涂层耐候性试验分天然老化试验和人工气候老化试验两种，天然老化试验是将样板曝露于户外自然条件下，观察防腐涂层性能逐渐发生的变化，而人工气候老化试验是将把样板放在能模拟户外诸影响因素的人工气候老化机中曝露，观察防腐涂层性能逐渐发生的变化。

2检验方法介绍
由于涂层最终是在自然环境下使用，所以自然气候曝露试验(天然老化试验)是评估样板真实耐久性的最可靠方法，也是发展可靠的实验室加速老化技术依据和参照系统。

所以需要先了解自然气候曝露试验，也称户外曝露试验的概况。

2.1自然气候曝露试验原理
自然气候曝露试验(天然老化试验)指在各种自然环境下研究大气各种因素对防腐涂层所起的老化破坏作用，通过对试验期间及试验结束后样板的外观检查以评定其耐久性，也可以在曝晒过程中或曝晒结束后进行防腐涂层的物理机械性能的测试。

试验根据大气种类可分为普通大气、工业大气和海洋性大气；根据气候特征可分为寒冷气候、寒温高原气候、亚湿热气候、亚湿热工业气候、湿热气候、干热气候等。

而曝露方法又可分为朝南45℃、当地纬度、垂直纬度及水平曝露等。

目前国际上通行的典型气候条件为美国的佛罗里达亚热带气候和亚利桑那沙漠气候，这里均建有世界最大的曝晒场。

这是因为位于美国南部的佛罗里达具有：光照强、强紫外线、潮湿时间长、湿度大、气候严酷的特点。

而亚利桑那沙漠气候是：高热、紫外线强、低湿度。

与佛罗里达比较，年光照要高20%，最高气温要高15ºC，最高
黑板温度要高20ºC，而且日温差也相当大。

我国与美国纬度相近以上两个气候条件有相当的参考价值。

2.1．1天然曝晒场的建立：
曝晒场应建立在平坦、空旷的地方，周围无高大障碍物，使样板能充分受到该地区各种大气因素的作用，附近应无工厂烟囱和能散发大量腐蚀性气体的设施，以避免局部严重污染的影响。

盐雾气候曝晒场应建在海边或海岛岛上。

曝晒场应具有必需的气象观测没备和各种样板涂层检查仪器及洗手池、上下水、照明电灯设施。

气象资料的观测设备应视曝晒场环境、规模和人力、财力而定，若临近有气象台(站)者，可直接采用当地气象台(站)的数据。

气象资料主要包括：气温、湿度、日照时效、太阳辐射量、降雨量、风速、风向等。

曝晒架应采用不影响试验结果的材料制成，如木材、铝合金、或经涂刷防腐涂料的钢材制成，其结构力求坚固耐用，经得起当地最大风力吹刮，并能自动调节曝晒角度。

2．1.2样板的检查方法
GB／T9276-1996中规定以年和月作为曝露试验的时间单位，如无特殊规定，投试三十月内每半个月检查一次，三个月后至一年，每月检查一次，超过一年后，每三个月检查一次。

由于涂料品种的要求不同以及曝晒地区破坏速度的不同，检查周期可根据情况适当变更：规定的检查项目包括失光、变色、裂纹、起泡、斑点、生锈、泛金、沾污、长霉和脱落等。

检查方法主要有仪器法和目测法两种，其中光泽和颜色测试，可按GB/T9754、GB／T9761和GB/T11186．2进行，涂层的老化评价按GB／T9277进行。

2．1．3影响自然气候曝露试验结果的因素
2．1．3．1气候
我国国土面积广大．气候类型复杂，从南到北、从东到西气候条件均不一样，往往同一个涂料配方在不同地区使用其性能差异很大。

如：同样的醇酸样品采用同样的施工工艺，经同时在天津、上海、武汉、重庆、广州、海南岛等地进行曝晒，可发现天津的样板破坏最慢，武汉、上海居中，重庆、广州、海南岛等地破坏最快，而在重庆、广州、海南岛等地中又以海南岛的样板破坏最厉害。

而海南岛的气候条件非常类似典型的佛罗里达亚热带气候条件。

2．1．3．2季节
样品的耐候性试验结果除与气候、地区有关外，曝晒季节对其影响也很大。

春夏秋冬四个季节，就对样板防腐涂层破坏最大的紫外光辐射来讲，春季、夏季的紫外光辐射强度以及平均日照均远远超出秋、冬两个季节。

正因为季节不同，样板经历的气候条件不同，因此防腐涂层的破坏也不同。

对于自干型的涂料，在春季曝晒时，由于防腐涂层尚未完全坚实，就受到温差的急剧变化而引起防腐涂层变形；接着在夏季又遭受到强烈的紫外光照射或大量的雨水侵蚀而进一步造成破坏。

在秋季曝晒时，由于气温较平稳，紫外光也日趋下降，致使新涂的防腐涂层能有一段继续坚硬的过程，从而经得起来年的大气破坏作用。

实际试验也证实厂这点：春季晒板破坏最快，秋季晒板破坏最慢，其顺序是：春＞夏＞冬＞秋。

即：样板曝露试验的结果随投试季节的不同而异。

2．1．3．4曝晒角
曝晒角度对涂料的耐久性影响也是需要考虑的，因为在大气老化中，光是一个最重要的因素，因此应该尽量设法以最合适的角度来最大限度地利用太阳能。

经试验发现在短期曝晒过程中及为了加速样品的破坏，每年的上半年可采用春、夏季最热角度(￠-25°，其中￠为当地纬度)；下半年可调节成秋、冬季最热角度(0．893￠+24°)；这样易于快速地获得天然曝晒试验结果。

对于需要连续曝晒几年或因条件所限而不考虑来回调整角度的，则应采取当地纬度(￠)最为适宜，以使样品比其他角度能受到更多的和更长的时间光照。

2．2人工气候老化和人工辐射曝露试验
2．2．1人工气候老化和人工辐射曝露试验原理
自然气候曝露试验虽可真实反映某地区某阶段的环境条件对材料和产品的影响，但它会受到试验条件诸多不确定因素的影响。

即：自然环境随季节、气象、地理、地形的变化其自然曝晒的影响也随之变化，更主要因为样板试验周期太长，出于经济、竞争及缩短老化试验周期需要的考虑，许多产品标准中均规定了人工气候老化试验来考核其耐候性能。

人工气候老化试验是基于大量自然气候曝露试验的结果中找出的规律，找出气候变化因素与涂层破坏之间的关系，目的是在实验室内模拟自然气候作用或在(窗)玻璃下试验所发生的老化过程。

与自然气候老化相比，人工气候老化仅涉及了几个有限的因素(太阳光、湿气、热)，这些因素易于控制及强化从而起到加速老化试验的作用，并通过对试验期间及试验结束后的样板的观察来评定其耐候性。

但对空气污染、生物侵蚀、和盐雾暴露造成的破坏无意模拟。

正确的人工模拟设备主要应有以下几点必须注意：
a.与户外环境精确匹配
b.不改变降解机理,与户外暴晒具有相关性
c.可重复性和可再现性
e.要素的独立控制
f.与真实时间相比具有加速性
2．2．2试验中的有关因素
2．2．2．1光源
从国内外已有的试验来看，太阳光是涂层老化中的一个很重要的因素。

太阳光的光谱主要可分为紫外线区、可见光区、红外线区三个区域；经测定在晴天赤道正午海平面的太阳辐照能分布如下：
表1太阳辐照能的分布
光谱分布光谱波长nm 辐照能量％
紫外线区(UV) 295-400 4
可见光区 400～700 43
红外线区 700—2500 53
如上表所示：紫外线区的光谱分布虽然很窄，并且辐射能量也仅占太阳总能量的5~7％左右，但经试验表明该区域的破坏力最大，是造成聚合物老化的主要原因。

这正验证了光能量随波长减小而破坏力增大的理论。

许多材料在该区域遭受破坏最快，会产生辐射分解即降解。

其原因是绝大多数的聚合物经能量较大的紫外线辐射后会受到光氧化的影响，当一个分子所吸收的能量大于其键能时即产生降解，断链。

防腐涂层在该区域经紫外线辐射后易产生粉化、失光及变色(颜色变深/褪色)等现象。

所以现行更加新的国际标准均把光辐照度的控制点放在太阳光的紫外光340nm附近。

（地球表面太阳光的紫外线截止点为295nm。

）而不是以前对整个太阳光谱的辐照度进行控制和计量。

2．2．2．2温度
由于光的作用总是伴随着温度的上升，因此温度的升高也是促使防腐涂层老化的一个重要因素。

通常的防腐涂层的热老化，主要是由于交联过程及聚合物分子链的破坏；交联的结果，产生了立体结构使防腐涂层变硬、变脆、失去弹性；而分子链破坏的结果使大分子链断裂，减少了分子长度和分子量，形成了游离基团，表现为发软、发粘。

粗略的估计，温度升高10摄氏度，化学反应速度会提高两倍。

但光化学反应不是通常的简单的一步反应，最初的光化学反应不受热量影响，第二步反应受热量影响。

其影响比单纯热老化更为重要。

在人工气候老化试验中，一定的温度配合周期性的降雨，造成频繁的交变温度，因为这将使涂层与
底材发生不断的膨胀与收缩，就可导致涂层中形成很大的应力；在大多数情况下，防腐涂层组成的体系中含有成份和结构不同的物质：底漆、中间漆、色漆、面漆，因此在受温度交变作用时由于在各涂层中的应力有所不同，再加以具有一定波长的强烈光照，很容易造成防腐涂层的开裂。

2．2．2．3湿度
在大气中曝露，防腐涂层实际上是长时期保持在湿润状态下，尤其是湿热带地区更是如此。

湿气的影响也很复杂，主要有：化学反应、物理效应、侵蚀、吸收/冻结-融解及热冲击等。

在高湿度条件下，水分迅速向防腐涂层内部渗透，防腐涂层会因吸收水分而引起溶解或溶涨，体积发生变化，或使防腐涂层中的水溶性物质溶解出来，当在日光下尤其是紫外光的照射下其体积迅速膨胀，结构受到破坏或加快了光化学变化的作用，易产生起泡、生锈直至脱落，特别要提的是露水由于富含氧，且在涂层表面停留时间远较雨水长，造成户外潮湿的主要原因是露而不是雨。

2．2．2．4氧气
防腐涂层中的聚合物由于日光和氧气的相互作用，即所谓的日光氧化会使防腐涂层产生孔隙，会引起防腐涂层表面氧化而导致其颜色及物理性能的变化，产生失光及裂纹。

2．2．2．5综合因素
同时出现多种破坏因素形成的合力即为综合破坏因素，其破坏力超过单个因素的总和。

这将造成涂层中聚合物的稳定性下降，引起各种助剂的蒸发、转移，直至失效而造成破坏。

3．人工气候老化设备
为了模拟自然界中各种气候因素以便在实验室内创造出所谓人工气候，并能达到加速试验的目的，一般采用人工气候老化试验机进行试验。

3．1．人工气候老化试验设备分类
根据所采用的光源，人工气候老化试验机可分为紫外碳弧型、阳光碳弧型、紫外荧光灯型、氙弧灯型及金属卤素灯型等。

紫外碳弧型装置（1918年发明）是利用在仪器内上下两部分碳棒之间加入适当的电压、电流发生电弧所产生的较大能量可发出连续光谱的紫外光。

缺点是：光谱的不足，难维护，需水喷淋降温，也不能校正。

阳光碳弧装置（1933年发明）区别在于其碳棒中含有某种特殊金属元素，故发出的光谱能量分布较为接近日光。

但阳光碳弧装置短波紫外线太强，地球表面的太阳光里又没有，破坏加速了，但与真实环境不符。

长波紫外线和可见光与日光相差仍较大，不能校正，高维护成本，需水喷淋降温，主要在日本应用。

氙弧灯装置（1954年发明）是一种由内充有高纯度氙气的弧光放电灯为光源的装置，该灯管由一根透明的石英玻璃管制成，两端各封接有一个金属电极，当电极之间加入适当的高电压并经过滤光片过滤后会产生一种更为接近太阳光的光谱，通过仪器调整辐射量而光谱基本不变且操作也较碳弧型简单。

鉴于上述原因，目前许多标准，如IS011341、GB／T1865-1997规定将氙灯型人工气候老化机作为该试验标准的试验仪器。

该装置分为水冷和风冷型，结构上分为样板固定和旋转式。

新的国际标准已不要求使用哪种形式，氙弧灯装置与户外暴晒的相关性较好，特别是要求了解光照导致颜色变化的人工老化试验都应该采用氙灯型人工气候老化机，当然，氙灯型人工气候老化机的投资和运行费用都是较高的。

尽管低于阳光碳弧装置许多。

紫外荧光灯型（1970年发明）是一种利用低压汞蒸气弧光放电激发荧光物质而产生紫外光辐射的装置(QUV老化箱)，该能在相对较窄的波长间隔内产生连续的光谱。

通常分布成弱峰。

其光源主要分为UV A（340）和UVB（313）。

340，313表示发射峰的波长特性（以nm表示）。

其中UV A灯管从300~340nm与日光有极好的相符性。

UVB灯管的光谱分布，
其峰接近313nm处的汞线。

它们发出大量波长低于300nm的射线，正好位于太阳光线的波长范围外，这样就导致了户外不会出现的老化过程的发生，即会引起涂层的非自然光化学变化。

使用要经有关方面商定。

紫外荧光灯型几乎没有可见光部分，可见光部分（400~700nm）虽然对聚合物的降解影响不大，但许多颜料的退色受可见光影响，所以涉及颜色变化的老化试验建议不用该方法。

但是由于它具有加速性较好，光谱稳定，模拟露水侵蚀简便。

相对氙弧灯装置，又有低的价格、极低的运行成本和维护成本，操作简单，校准方便。

所以得到广泛的应用。

3．2氙灯型人工气候老化试验设备
氙灯型人工气候老化试验箱应由耐腐蚀材料制成，其内装置包括有滤光系统的辐射源、温湿度调节系统、样板架、黑标准温度计、辐照度测定仪等。

近年来由于世界上高科技在各个领域中的推广应用，人工气候老化机的装备水平也得到了进一步的提高，世界一些著名的人工气候老化机生产厂在十年间使老化机经历了几次升级换代。

不仅能更为有效地模拟户外气候的多种特性，如：模拟太阳的光谱分布、适应各类标准选择的滤光器组合、恒定的黑标准温度、箱体温度、湿度、降雨、黑暗、凝露、一个太阳／二个太阳的辐射量等。

而且自动化程度也大大提高，可内存多种国际、欧洲、美国、日本等工业产品(涂料、汽车部件、塑料、纺织品等)耐人工气候老化试验标准，还可自行设定多种用户试验程序，仪器执行标准的准确性及试验数据的重复性也不断提高。

氙灯型人工气候老化试验设备能最接近的模拟太阳光的光谱，所以尽管运行费用很高，大多数用户还是需要用氙灯型人工气候老化试验机做出的试验结果来预测未来产品的耐候性能力。

特别是对材料颜色耐候性能力的判断，一定要用氙灯型人工气候老化试验机来做。

3．2．1氙灯型老化机的结构
氙弧灯是特大功率的发光光源，从1000瓦特到5000瓦特。

大量的红外线发射将导致试样温度很快上升。

灯管本身温度也很高。

所以从灯管冷却的方式，氙灯型老化机可分为水冷式和风冷式，为充分利用灯管的辐射资源，一般会将试样放在灯管的周围围一圈。

并做成可旋转的结构。

称为旋转鼓式。

而将样品放在平面上，灯管布置在试验箱体上部的结构称之为平面排列式，水冷式氙灯型老化机可以让灯管工作在很高的功率下，有较高的效率，但水冷却系统需水、电、光路隔离，结构复杂，对冷却用去离子水的要求也很高，导致水冷式氙灯老化机售价很高。

风冷式氙灯型老化机相反，结构简单了，但光效率较低，售价也相对低一些。

目前新的国际标准对老化机的结构已无要求。

3．2．2氙灯辐照光谱的过滤
由于氙灯光谱有大量的脉冲波峰，所以要经过过滤后才可获得接近日光的光谱。

氙灯型老化机常见的滤光片组合及适用范围见表2：
表2常见的滤光片组合及适用范围
光谱分布光谱波长nm 辐照能量％
紫外线区(UV) 295-400 4
可见光区 400～700 43
红外线区 700—2500 53
内过滤片外过滤片适用测试条件
硅硼玻璃硅棚玻璃最常用的老化试验
硅硼玻璃钠钙玻璃最常见的玻璃窗后(室内)耐光性试验
石英玻璃硅硼玻璃比普通阳光含紫外线稍多且波长较短的老化试验
石英玻璃石英玻璃比普通阳光含紫外线明显多且波长更短的老化及耐光试验
镀膜玻璃硅删玻璃全波段辐射或温度较低的耐候试验
镀膜玻璃钠钙玻璃全波段辐射或温度更低的耐候试验
如表2所示，通过不同滤光片的组合可以得到多种户内外条件模拟试验，不同的组合会产生不同的光谱及辐射强度，可引起试验结果的明显不同。

滤光器的老化可导致氙弧灯的紫外发射明显减少，必须严格按照仪器的规定定期更换内外滤光片。

另外，滤光器上的沉积物及其他残留物也能影响滤光器的透过率，因此应定期清洗滤光器。

3．2．3辐照强度和控制点
辐照度是指照射在平面上光能的比率。

一台耐候性试验箱必须控制光的辐照强度，以达到加速实验和重现试验结果的目的。

光辐照度的变化会影响材料质量恶化的速度，而光波波长的变化(例如光谱的能量分布)则同时会对材料退化的速度和类型产生影晌。

通过控制光的辐照强度可以保持与实际相符的测试条件。

氙灯型老化机一般都有辐照强度的反馈控制系统，控制量大多以340nm（户外辐射暴露）或420nm（透过窗玻璃暴露）为控制点，当辐照强度稳定控制在0.68W/m2/nm时，试验机的辐照强度大致相当于夏季正午太阳直射时的强度。

增加辐照强度有时可以加速老化速度，但是对有的材料效果却不一定明显，提高老化速度有时会与真实情况不符。

需要参照自然气候曝露对比试验，才能得到正确的结果。

3．2．4温度和湿度控制
光能辐射到试板提高了试板的温度。

不同的颜色因吸收的能量不同，温升也不一样，颜色越深温度越高，黑色最高，白色最低。

通常，老化试验机使用标准黑体温度统一受照射物表面温度，也称黑板温度。

黑板温度传感器是内部装有温度敏感元件的导热板，其表面涂有能吸收波长2500nm以内全部入射的辐射光的93%、有良好耐老化性能的平整黑色涂料、背面与试板放在同一导热面上，。

仪器通过控制吹过试样表面的外部冷空气调节黑板温度传感器的温度，使之稳定在60℃左右。

由于背面底板的导热和均热作用，其他试样也将会处于接近该温度的状态。

特殊应用情况下，也有以绝缘黑体温度（传感器四周与底部有隔热材料）、白板温度作为试验试样的温度控制目标。

而箱体气体温度作为间接的温度环境仪器也会设置控制系统作为下级控制对象。

通常温度升高10摄氏度，化学反应速度会提高两倍。

但光化学反应不是通常的简单的一步反应，最初的光化学反应不受热量影响，而第二步反应要受热量影响。

增加温度一般可以加速老化速度，但是对有的材料效果却不一定明显，所以，通过提高温度加速老化速度，有时也会与真实情况不符。

所以既要提高老化速度，又要减少误差，黑板温度通常不能超过实际使用的最高温度。

湿度对涂层的老化影响很大，但高温的氙灯辐射使湿度控制较难实现，一般都有蒸发水蒸气的装置调节箱体内部的湿度。

使之相对湿度大致维持在50%+/-5%左右。

3．2．5循环
或许有人认为连续的光照可以加快老化速度，缩短老化时间。

但实际上，很多材料在发生化学反应之前，它们需要一定的“间歇期”。

仪器都有循环程序来控制试验遵循如几小时光照，几小时无光照的周期循环来进行。

程序还有喷水或浸渍的步骤设计。

这样的老化既接近真实情况又速度较快。

3．2．6．氙灯型老化机灯管的使用寿命
氙灯也会老化，老化造成波谱的偏移。

由于太阳光谱中紫外线区的光谱分布虽然很窄，并且辐射能量也仅占太阳总能量的5~7％左右，但经试验表明该区域的破坏力最大，是造成聚合物老化的主要原因。

所以现行更加新的国际标准对氙灯型人工老化机辐照光谱中290nm~400nm的光谱能量分布特意做了更加细的规定。

并均把光辐照度的控制点放在太阳光的紫外光340nm附近。

这样就提高了与户外环境匹配的精度，提高了与户外暴晒的相关性，试验的可重复性和可再现性。

但是，由于氙灯光谱中UV段发射效率衰减得更快。

当。