過去，大多數(shù)氙燈老化和光穩(wěn)定性試驗箱的設(shè)計是，燈管位于測試箱的中心，而一個圓柱形樣品架載著樣品像旋轉(zhuǎn)木馬一樣圍繞光源旋轉(zhuǎn)。這種樣品安裝系統(tǒng)通常被稱為“旋轉(zhuǎn)鼓”，并在第一次世界大戰(zhàn)后以碳弧耐光試驗箱的形式問世。轉(zhuǎn)鼓式試驗箱有許多制造廠家和多種類型及型號。一些旋轉(zhuǎn)鼓帶有直邊，另一些則有幾層，以各種角度向光源傾斜，以圖增進(jìn)輻照度的均勻性。

不同的制造商和型號選用不同的系統(tǒng)和方法以控制輻照強(qiáng)度和均勻性、黑板溫度、箱體空氣溫度、溫度均勻性、相對濕度和氣流速度等關(guān)鍵測試參數(shù)。最近，平板樣品安裝系統(tǒng)的Q-Sun氙燈試驗箱問世。如同舊的轉(zhuǎn)鼓式試驗箱，這些平板試驗箱使用多種方法來控制測試條件。

“以性能為基礎(chǔ)” 的標(biāo)準(zhǔn)

現(xiàn)在市場上已經(jīng)有很多類型的氙燈試驗箱，因此包括 ISO和 ASTM在內(nèi)的大多數(shù)技術(shù)組織鼓勵開發(fā)以性能為基礎(chǔ)的測試方法和測試程序。這些方法描述了測試條件(如輻照度、光譜、溫度和濕度等)以及可以接受的性能范圍，而沒有要求必須使用哪種設(shè)備或?qū)τ布?gòu)造加以要求。這些新的測試方法正在取代舊的對硬件(如水冷燈管還是氣冷燈管)加以要求的測試方法。舊的以硬件為基礎(chǔ)的測試方法，與當(dāng)時缺乏可行的技術(shù)以對關(guān)鍵測試條件進(jìn)行精確測量和控制有關(guān)。由于我們不能充分地描述曝曬條件的特點，我們制定了簡單描述這些測試裝置的方法。這一方法寄希望于，通過使用同樣(或非常類似)的硬件，能夠?qū)y試樣品曝曬在同樣的條件下并得到相同的結(jié)果。不幸的是，這種方法并非總是有效的。

舊的以硬件為基礎(chǔ)的測試方法還阻礙技術(shù)創(chuàng)新和進(jìn)步，因為它們把用戶局限在“我們以前一直是這樣做的”。改進(jìn)的技術(shù)和參數(shù)控制被自動否決。在一些極端情況下，一些以硬件為基礎(chǔ)的測試方法實際上指定的硬件是早已過時的或不再銷售的。

新的以性能為基礎(chǔ)的測試方法很明顯對用戶有利。它們詳細(xì)定義了曝曬條件。確保了在技術(shù)和參數(shù)控制方面的改進(jìn)。最后，它們鼓勵競爭(這會降低用戶成本)。這些以性能為基礎(chǔ)的方法包括 ISO 4892，ISO11341，ASTM G151 以及 ASTM G155。

實驗室老化試驗箱之間的固有差異

當(dāng)我們比較兩個試驗箱的結(jié)果時，即使結(jié)果來自同一制造商的同一型號，甚至測試是在同一個實驗室由同一個人進(jìn)行操作的，我們?nèi)詴l(fā)現(xiàn)曝曬結(jié)果之間存在差異。

這會使那些理所當(dāng)然地認(rèn)為結(jié)果不會有差異的科學(xué)家感到失望。然而，這是當(dāng)前技術(shù)的局限性所造成的。

由ASTM G03老化和耐候性委員會進(jìn)行的一項研究，對由同一制造商生產(chǎn)的不同型號的氙燈試驗箱的測試結(jié)果的一致性進(jìn)行了比較。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)被測材料按“與其它材料或標(biāo)準(zhǔn)樣品的性能進(jìn)行排序比較時”(ASTM G151)，測試結(jié)果之間存在很好的一致性。然而, 即使使用制造商生產(chǎn)的相同型號的設(shè)備，“不同的實驗室使用相同的測試裝置和曝曬循環(huán)，所得到的結(jié)果的絕對值卻有很大差異” (根據(jù)ASTM G151 精度和偏差聲明)。這些結(jié)果的詳細(xì)信息，請參閱 Fischer (1993) 以及 Foisher 和 Ketola (1995 ) 的論文。

ASTM關(guān)于試驗箱存在內(nèi)在差異性的結(jié)論，得到了SAE/IFAI紡織品和彈性塑料委員會的證實。SAE/IFAI對每一批次的SAE J1960和 J1885用聚苯乙烯標(biāo)樣設(shè)定性能極限。其中一些測試結(jié)果會在本文中加以討論。結(jié)論是：很不幸，沒有一個優(yōu)秀的測試結(jié)果，可變性是不可避免的。

研究目的

本文研究平板式氙燈試驗箱是否能提供與舊的轉(zhuǎn)鼓式氙燈試驗箱相同的試驗結(jié)果。最終目的，是對以性能為基礎(chǔ)的標(biāo)準(zhǔn)，在實際應(yīng)用中的有效性進(jìn)行評估。

為了確定轉(zhuǎn)鼓式樣品架與平板式樣品架的氙燈曝曬方面的相關(guān)性，我們對 9 種不同類型的材料進(jìn)行了對比測試。

進(jìn)行曝曬的材料種類和降解模式見表A。

本文將對一系列測試結(jié)果進(jìn)行比較和總結(jié)。它將證明，只要關(guān)鍵的曝曬參數(shù)得到合理控制，以性能為基礎(chǔ)的方法就可以得到適當(dāng)?shù)慕Y(jié)果。研究使用了不同型號的平板式 Q-Sun氙燈試驗箱，并且與Atlas轉(zhuǎn)鼓式試驗箱的多種型號的結(jié)果進(jìn)行了比較。結(jié)果顯示，只要使用可比較的過濾系統(tǒng)和曝曬條件，Q-Sun基本上可產(chǎn)生與Atlas試驗箱相同的結(jié)果。

SAE 聚苯乙烯標(biāo)樣：黃變性能

作為對氙燈試驗箱性能的檢驗，汽車工程協(xié)會(SAE)的測試方法要求使用Test Fabrics公司制造的聚苯乙烯標(biāo)樣與測試材料同時進(jìn)行曝曬。定期測量標(biāo)樣的顏色變化(△b 黃變)。如果變化在預(yù)先確定的偏差范圍內(nèi)，則認(rèn)定試驗箱工作正常。由測試實驗室保留一個標(biāo)樣性能的記錄，并可根據(jù)要求作為測試報告的一部分來提供。

SAE 聚苯乙烯標(biāo)樣的△b的偏差是由紡織品和彈性塑料委員會的標(biāo)樣分委會制定的。該分委會是SAE和國際工業(yè)紡織協(xié)會 ( IFAI ) 的一個聯(lián)合委員會。偏差是由多種氙燈試驗箱對每種新材料進(jìn)行大量對比測試而得到的，并且僅適用于特定的一批標(biāo)樣。

曝曬:

為了便于確定 Q-Sun是否能產(chǎn)生與轉(zhuǎn)鼓式試驗箱相同的顏色變化，將 SAE聚苯乙烯標(biāo)樣曝曬于Q-Sun Xe-3-HS 試驗箱中，試驗使用 Q/B過濾器。曝曬測試在兩個不同的實驗室按照 SAE J1960條件進(jìn)行。

在每個試驗中，把 4 個聚苯乙烯參照試樣沿著Q-Sun氙燈試驗箱的平板樣品盤的對角線方向從左上到右下依次排列。在曝曬過程中試樣始終保持同一位置(因為操作程序建議周期性地更換試樣的位置，而位置不動就提供了一個“最差的”測試條件，以放大試驗箱內(nèi)的任何潛在可變性)。按照SAE J1960的要求連續(xù)一周每天測量樣品的顏色變化 。

曝曬重復(fù)進(jìn)行 8 次，每次使用老化程度不同的燈管，以檢測氙燈燈管的老化對測試結(jié)果的影響。

結(jié)論:

當(dāng)在每次測量間隔(總共 224次測量)與事先設(shè)定的偏差進(jìn)行比較時，兩個不同的實驗室中的8臺 Q-Sun中的每臺試驗箱所有 4 個試樣的測試結(jié)果，都符合 SAE 委員會制定的偏差范圍。圖1 顯示了每 4 個一組的試樣的平均性能，以便對燈管老化的影響進(jìn)行量化。似乎看不到燈管老化對測試結(jié)果有任何影響。圖 2 顯示了這 32個不同的聚苯乙烯薄片的每一試樣的性能。

對 SAE聚苯乙烯標(biāo)樣，平板式 Q-Sun Xe-3-HS 可得到與轉(zhuǎn)鼓式氙燈試驗箱相同的結(jié)果。

不透明塑料: 黃變性能

4 塊不透明塑料同時被曝曬在平板式 Q-Sun和轉(zhuǎn)鼓式 Atlas氙燈試驗箱中，以評估測試結(jié)果之間的差異。對樣品的描述見表B。

表 B不透明塑料樣品

曝曬:

進(jìn)行了三次不同的測試以確定不同試驗箱和過濾器的效果。曝曬采用如附錄“循環(huán)A”中所描述的102/18 循環(huán)。每隔168 小時按照ASTM D2244 標(biāo)準(zhǔn)對顏色進(jìn)行測量，曝曬時間為2000小時。

試驗箱/過濾器配置:

1.) Q-Sun 氙燈試驗箱，型號 Xe-3-S，配有日光 過濾器。

2.) 配有Borosilicate S 內(nèi)、外過濾器的 Atlas Ci65 老化試驗機(jī)。

3.) 配有CIRA 內(nèi)過濾器和 Soda Lime 外過濾器的Atlas Ci65 老化試驗機(jī)。

結(jié)論:

曝曬結(jié)果如下圖所示。Q-Sun 得到了與Atlas 試驗箱相似的結(jié)果。然而，在Q-Sun中的降解略微快一些。

盡管造成差異的準(zhǔn)確原因尚不知道，可能在不同類型的試驗箱中的溫度校準(zhǔn)存在差異。

透明塑料：黃變性能

四塊透明塑料同時被曝曬在平板式 Q-Sun和轉(zhuǎn)鼓式 Atlas氙燈試驗箱中，以評估測試結(jié)果之間的差異。下表中列出了對樣品的描述:

表C透明塑料樣品

曝曬:

進(jìn)行了三次不同的測試以確定不同試驗箱和過濾器的效果。曝曬采用如附錄“循環(huán)A”中所描述的102/18 循環(huán)。每隔168 小時按照ASTM D2244 標(biāo)準(zhǔn)對顏色進(jìn)行測量，曝曬時間為2000 小時。

試驗箱/過濾器配置:

1.) Q-Sun 氙燈試驗箱，型號 Xe-3-S，配有日光 過濾器。

2.)配有Borosilicate S 內(nèi)、外過濾器的 Atlas Ci65老 化試驗機(jī)。

3.) 配有 CIRA 內(nèi)過濾器和 Soda Lime 外過濾器的 Atlas Ci65 老化試驗機(jī)。

結(jié)論:

下圖顯示了曝曬效果。聚苯乙烯、CAB和丙烯酸的結(jié)果幾乎沒有區(qū)別。兩種試驗箱和所有過濾器給出了基本一致的結(jié)果。對于聚碳酸酯，在 Q-Sun日光過濾器和 Atlas Ci65 CIRA/SL過濾器的測試結(jié)果之間有著很好的一致性。然而，boro/boro過濾器提供了更為嚴(yán)重的曝曬結(jié)果?？赡苓@是由于這種過濾器允許更短的紫外線光譜通過的緣故。

AATCC 藍(lán)羊毛標(biāo)準(zhǔn): 褪色性能

美國紡織品染化師協(xié)會 (AATCC ) 測試標(biāo)準(zhǔn)AATCC 16 “耐光性測試”，要求操作者在進(jìn)行曝曬測試之前，使用 AATCC藍(lán)羊毛耐光性標(biāo)準(zhǔn)對氙燈裝置進(jìn)行校準(zhǔn)。AATCC提供 8 種不同耐光性的藍(lán)羊毛，從 L2 (非常不耐光) 到 L9 (非常耐光)。最常用的標(biāo)準(zhǔn)是 L2和 L4。藍(lán)羊毛在適當(dāng)?shù)臏囟?、濕度等條件下連續(xù)曝曬20 +/-2小時。在曝曬后，以目測或儀器方法測量藍(lán)羊毛的褪色等級。

藍(lán)羊毛的每批新標(biāo)樣都要經(jīng) AATCC委員會RA50耐光分委會在多種氙燈試驗箱中進(jìn)行大量的耐光性測試。只有當(dāng)一個新批次被確定符合性能要求后，才能被投放到紡織品市場。

曝曬:

為了確定平板式 Q-Sun是否能夠產(chǎn)生與轉(zhuǎn)鼓式試驗箱一樣的顏色變化，在 Q-Sun氙燈試驗箱的Xe-3-HS型號中進(jìn)行了一系列 L2和 L4藍(lán)羊毛曝曬。Q-Sun按 16E方法測試 22個小時 ( 請參考16E測試條件的完整描述的附錄)。曝曬后，按照 AATCC 評估步驟 6 對顏色進(jìn)行測量。

在每次測試中，AATCC藍(lán)羊毛耐光標(biāo)準(zhǔn)的 4 個試樣被置于 Q-Sun的平板樣品盤上，從左上角到右下角按對角線進(jìn)行排列。在曝曬過程中，樣品始終保持在固定位置上。

對 L2 和 L4 各重復(fù)曝曬 4 次。

結(jié)論:

與允許偏差相比，所有 8 次曝曬，每次 4 個試樣(總共3 2個試樣)的測試結(jié)果，均在AATCC 測試方法16 制定的偏差范圍內(nèi)。

在AATCC TM16中 ， 平板式Q-Sun Xe-3HS對 AATCC L2和 L4藍(lán)羊毛耐光性標(biāo)準(zhǔn)的測試結(jié)果與轉(zhuǎn)鼓式試驗箱的相同。

SDC 藍(lán)紙標(biāo)樣: 顏色變化

英國染色協(xié)會 (SDC) 提供具有不同耐光性(耐光標(biāo)準(zhǔn) 1-8)的藍(lán)紙以供研究。這些實驗用紙是用來作為 ISO藍(lán)羊毛類似用途的標(biāo)樣。SDC標(biāo)樣的耐光性與顏料配方有關(guān)，且對紫外線敏感度。

曝曬:

SDC 藍(lán)紙按照 ASTM D4303進(jìn)行曝曬，“ 評估藝術(shù)顏料耐光性標(biāo)準(zhǔn)測試方法”中的方法 C， 曝曬在 Q-Sun和 Atlas Ci35中。在曝曬之前和之后按照 ASTM E1349 和 D 2244 方法用儀器測量顏色的變化。

試驗箱/過濾器配置:

1.) 配有窗玻璃過濾器Q-Sun 氙燈試驗箱。

2.) 配有 Borosilicate S 內(nèi)過濾器和 Soda Lime 外過 濾器的Atlas Ci35 老化試驗機(jī)

結(jié)果:

報告中的顏色變化用△E來表示。以下是表D 和下圖中顯示的數(shù)據(jù)。

表 D, SDC 藍(lán)紙 - △E

藍(lán)片標(biāo)樣: 透射率

由Textile Innovators, Inc.開發(fā)的一系列藍(lán)色透明塑料片已被美國紡織品染化師協(xié)會( AATCC)的技術(shù)委員會和國際標(biāo)準(zhǔn)組織(ISO)用作抗老化和耐光性研究的潛在標(biāo)樣。通過測量610納米處的反射率或透射率的變化來確定曝曬的影響。目的是想在老化測試中使用這種“藍(lán)片”。藍(lán)片因能經(jīng)受住水噴淋而可以作為AATCC藍(lán)羊毛的替代標(biāo)樣。藍(lán)片的厚度是0.125英寸。

曝曬:

4 塊耐光性不同的藍(lán)片，同時被曝曬在平板式Q-Sun和轉(zhuǎn)鼓式 Atlas氙燈試驗箱中以評估測試結(jié)果之間的差異。進(jìn)行了 3 次不同的測試以確定不同試驗箱和過濾器的效果。曝曬使用如附錄“ 循環(huán)A ”中所描述的102/18循環(huán)。每隔168小時按照ASTM D 2244 標(biāo)準(zhǔn)對顏色進(jìn)行測量。曝曬時間為2000 小時。

試驗箱/過濾器配置:

1.) Q-Sun 氙燈試驗箱，型號 Xe-3-S，配有日光 過濾器。

2.) 配有Borosilicate S 內(nèi)、外過濾器的 Atlas Ci65老 化試驗機(jī)。

3.) 配有CIRA 內(nèi)過濾器和 Soda Lime 外過濾器的Atlas Ci65 老化試驗機(jī)。

結(jié)論:

如下圖所示，無論使用何種試驗箱，所有藍(lán)片的變化都是線性的。

兩臺 Ci65使用不同的過濾器，產(chǎn)生的氙燈光譜之間的差異似乎并不影響藍(lán)片的曝曬結(jié)果。在轉(zhuǎn)鼓式試驗箱與平板式 Q-Sun Xe-3-S的測試結(jié)果之間沒有明顯差別。

美術(shù)材料：顏色變化

ASTM關(guān)于美術(shù)材料的 D01.57分委會做了一項研究，以確定15 種彩色美術(shù)鉛筆的各種曝曬方法之間的相關(guān)性。盡管該研究還做了在玻璃框下的戶外曝曬測試，本文將只關(guān)注 Q-Sun和Atlas Ci35曝曬結(jié)果之間的比較。(就該數(shù)據(jù)的完整討論，包括與戶外測試的相關(guān)性，請參考 Brennan和 Everett于2000年發(fā)表的文章)。

三家制造商參與了此項研究。每家為 5 種不同顏色的鉛筆準(zhǔn)備了兩個試樣。每種鉛筆都加一個紙質(zhì)襯底。為了提供有代表性的數(shù)據(jù)，制造商提供的樣品有各種顏色和耐候性等級，范圍從很好到很差。

曝曬:

樣品 在Q - Sun和Atlas C i 3 5中 按ASTM D4303，“ 藝術(shù)家用顏料耐光性評估標(biāo)準(zhǔn)測試方法 ”中的方法 C (請參考有關(guān)曝曬條件描述的附件) 進(jìn)行曝曬。在曝曬之前和曝曬之后按照 ASTM E 1349 和 D 2244 方法用儀器測量樣品的顏色變化。

試驗箱/過濾器配置:

1.) 配有窗玻璃過濾器Q-Sun 氙燈試驗箱。

2.) Atlas Ci35 老化試驗機(jī)，配有Borosilicate S 內(nèi)過 濾器和 Soda Lime 外過濾器。

結(jié)果：

報告中的顏色變化按色差單位 ( △E )來表示。測試樣品的耐候性具有很大差異，曝曬結(jié)果顯示在表 E 中。

表 E,美術(shù)材料顏色變化 - △E

結(jié)論:

盡管顏色變化的絕對值有一些微小差異，但兩種曝曬之間的 Spearman相關(guān)系數(shù)非常好，達(dá)到了0.92。

印刷油墨：顏色變化

過去，碳弧被用于測試印刷油墨的耐光性。然而，在過去15 年，多數(shù)實驗室已改用氙燈，這是因為氙燈光譜可得到更為真實的曝曬結(jié)果。對一家制造商的17 種油墨配方進(jìn)行了測試，以確定轉(zhuǎn)鼓式和平板式氙燈試驗箱之間的關(guān)系。

曝曬:

進(jìn)行可比較的曝曬以確定試驗箱和過濾器之間的相關(guān)性。曝曬使用了如附錄所描述的 AATCC 16E 條件。每 20 個小時按照 ASTM D 2244 標(biāo)準(zhǔn)對顏色進(jìn)行測量。曝曬時間為100 小時。

試驗箱/過濾器配置:

1.) Q-Sun 氙燈試驗箱，型號Xe-3-S，配有窗玻 璃過濾器。

2.) Atlas Ci65 老化試驗機(jī)，配有Borosilicate S 內(nèi) 過濾器和Soda Lime外過濾器。

結(jié)論:

各種彩色印刷油墨的性能相差很大。一些變化較大，另一些則較穩(wěn)定。在17種樣品中有11種，△E顏色變化在兩種曝曬中幾乎一致。對于三種油墨，Atlas Ci65曝曬褪色較快。剩余的三種油墨，Q-Sun 氙燈曝曬較快。

一種分析數(shù)據(jù)的方法是比較兩組數(shù)據(jù)的排序。相關(guān)系數(shù)達(dá)到 0.90或更高表示相關(guān)性較好。如果排序完全相同，則 Spearman 相關(guān)系數(shù)的值為1.0。如表 F 所示，兩組數(shù)據(jù)之間相關(guān)性很好，相關(guān)系數(shù)為 0.9975。

表 F,相關(guān)系數(shù)為 0.9975的數(shù)據(jù)

乙烯薄膜：失光性能

3M公司的 Fischer和Ketola發(fā)表了幾篇論文，對ASTM委員會 G03 ( 針對老化和耐候性) 提供的各種類型的老化試驗箱的精度、可重復(fù)性和可再現(xiàn)性進(jìn)行了檢驗。這些研究使用了10種由 3M公司提供的不同顏色的聚氯乙烯薄膜(0.002英寸厚，帶壓力敏感膠)。薄膜覆蓋在鋁質(zhì)的測試面板上。這些特制的樣品被選作用來進(jìn)行ASTM研究，因為10 種材料之間的耐候性(光澤保持率)有顯著的區(qū)別。

為了確定轉(zhuǎn)鼓式和平板式氙燈試驗箱測試結(jié)果之間的相關(guān)性，使用3M公司提供的這些薄膜進(jìn)行對比研究。

曝曬:

進(jìn)行了三種不同的曝曬以確定試驗箱和過濾器之間的相關(guān)性。曝曬使用102/18循環(huán)。每過168小時按 ASTM D 523方法進(jìn)行一次失光率(60度)測量。曝曬總時間為 2000小時。

試驗箱/過濾器配置:

1.) Q-Sun 氙燈試驗箱，型號 Xe-3-S，配有日光 過濾器。

2.) Atlas Ci65老化試驗機(jī)，配有Borosilicate S內(nèi)、外過濾器。

3.) Atlas Ci65老化試驗機(jī)，配有CIRA 內(nèi)過濾器和Soda Lime外過濾器

結(jié)論:

測量未曝曬樣品的最初光澤，其范圍在75到85之間。曝曬 2000小時之后，光澤范圍在15到75之間。

研究這一數(shù)據(jù)的一個方法是在下圖中繪出 Ci65 與 Q-Sun 結(jié)果的對比。如果兩種試驗箱的結(jié)果的絕對值完全相同，則該數(shù)據(jù)將排在下圖的 45 度對角線上。如圖 1 所示，兩組數(shù)據(jù)有很好的一致性。

分析該數(shù)據(jù)的第三種方法是比較兩組數(shù)據(jù)的排序。如圖 2 所示，曝曬1000小時后的數(shù)據(jù)有很好的一致性。無論時間間隔多大，相關(guān)系數(shù)都大于 0.9。

3M公司的乙烯薄膜在 Q-Sun和 Ci65中的測試表現(xiàn)了很好的相關(guān)性。氙燈試驗箱的精度、可重復(fù)性和可再現(xiàn)性都在正常的變化范圍內(nèi)，看不出同類試驗箱之間的測試結(jié)果更接近。

概括和總結(jié)

1. 在本文的 9 項研究中，涉及到許多材料種類和降解模式，在平板式和轉(zhuǎn)鼓式氙燈試驗箱的曝曬中得到了明顯的一致性。結(jié)果顯示，只要適當(dāng)定義和使用可比較的過濾系統(tǒng)和曝曬條件，以性能為基礎(chǔ)的測試方法是有效的。任何兩種試驗箱，不管是哪家生產(chǎn)商的哪種型號，幾乎所有的曝曬結(jié)果之間的差異都在可接受的正常變化范圍之內(nèi)。

2. Q-Sun日光過濾器和 Atlas CIRA/SL過濾器可很好的匹配 (以及與陽光)。然而，一定的過濾器系統(tǒng)，特別是用于轉(zhuǎn)鼓式試驗箱的 Borosilicate/Borosilicate組合，在某些情況下會對一些材料產(chǎn)生更為嚴(yán)重(例如：更快)的效果。據(jù)我們推測，這是由于它們使非自然的短波紫外線通過的緣故。