摘 要：测试抗老化和光稳定性的最佳方法经常引起争论，近年来，各种各样的测试光老化的方法都被运用过，现在大部分研究者都使用Q-Sun氙灯、ATLAS氙灯或QUV荧光紫外灯来开展老化试验。荧光紫外灯试验和氙灯试验的测试原理不同，对以上两种测试的相关技术，包括光谱、辐照度控制和环境效应等进行了对比和分析，以期能够给相关工作人员提供一定的理论指导和参考作用。
关键词：荧光紫外灯；氙灯；光谱；辐照度控制；环境效应
1 引 言
阳光和潮湿每年都会造成上亿元的材料被破坏，气候和阳光辐照是损害涂料、塑料、油墨和其他高分子材料的主要原因，这种损害包括使材料失光、褪色、黄变、开裂、脱皮、脆化、强度降低和分层。即使是室内的光和通过玻璃窗投射的太阳光也都会使一些材料老化。氙灯能模拟完整的全太阳光光谱，包括紫外光、可见光和红外光光谱。经过过滤的氙灯是测试颜料、染料等产品的光稳定性的*佳光源，可以模拟各种条件下的自然光，包括从大气层外的太阳光到透过窗玻璃的日光。由于太阳光中的紫外光具备的光能与高分子化学键的键能相当，能够引起高分子化合物的断裂，因而紫外光是导致高分子材料老化降解的主要因素。紫外光老化试验是将高分子材料老化试验样品放置于紫外光场下进行暴露。由于人工紫外加速老化试验条件比自然环境严酷得多，可以在几天或几周时间内模拟自然环境中几年才能发生的老化损坏，因而通过紫外光老化试验可在较短的时间内获得高分子材料的老化行为及规律。
近几年来，各种各样的测试光老化的方法都被运用过，现在大部分研究者都使用Q-sun氙灯、ATLAS氙灯或QUV荧光紫外灯加速老化试验设备。荧光紫外灯试验和氙灯试验的测试原理不同。
氙灯能够很好地模拟太阳光的所有光谱，包括紫外线、可见光和红外线，太阳光谱与5Q-Sun氙灯光谱和QUV荧光紫外灯光谱的比较情况如图1所示，从图1中可以明显地看出，氙灯光谱在295～800nm范围内基本上与太阳光的光谱相吻合。
荧光紫外灯能够很好地模拟太阳光中的紫外光谱。从图1中可以看出，QUV荧光紫外灯的光谱几乎没有涵盖长波段，因此不能用于模拟全光谱，但其能够很好地模拟在紫外的短波区域内的太阳光，即从365nm到低波段的太阳光。
图1 太阳光谱与Q-Sun氙灯光谱和QUV荧光紫外灯光谱的比较
2 光紫外灯光老化试验
紫外灯光老化试验是一种用人造光源来模拟太阳光的紫外波段，从而验证有机涂层、塑料和橡胶等高分子材料抗环境老化能力的试验方法。荧光紫外灯光老化试验可以分为光照、冷凝和喷淋3种模式。光照阶段用于模拟自然环境中的白天，光照时可以控制光照强度；冷凝阶段用于模拟夜晚样品表面结露的现象，冷凝阶段关闭荧光紫外灯（黑暗状态），只控制试验温度和湿度；喷淋阶段通过向样品表面持续喷水模拟下雨的环境。
2.1 阳光模拟
QUV荧光紫外灯与普通用的照明灯比较类似，由图1中可以看出它主要是发出紫外光，使用荧光紫外灯再现太阳光的老化作用。常见的有UVA-340、UVA-351和UVB-3133种灯管，所有类型的灯管都发出紫外光而不是红外光或可见光。由于这些灯管发出的总能量和光谱分布不同，因而具体使用哪种灯管应视应用条件而定。
2.1.1 长波紫外灯（UVA灯）
UVA灯在发射300nm以下的光能低于总输出光能的2%，在295nm的普通太阳光波长截止点以下几乎没有任何的紫外线输出，它们通常不像短波紫外线破坏材料那么快，但它们比较接近真实的户外老化。常见的有UVA-340、UVA-351两种灯管。
UVA-340灯管的光谱分布和户外太阳光的紫外波段相近（如图2所示），一般用于常规户外产品的光老化试验。UVA-340灯管能发出从295～365nm之间的接近太阳光的光谱，它的辐射峰值是在340nm。UVA-340灯对不同试验方法的测试对照具有较大的参考作用。
UVA-351灯管可以模拟透过玻璃窗户的太阳光的紫外线部分，主要用于室内产品的老化测试。
图2 UVA-340光谱与正午太阳光谱比较
2.1.2 短波紫外灯（UVB型灯管）
短波紫外线灯辐射波长低于295nm的非自然短波紫外线，使材料腐蚀得较快，常见的有UVB-313灯管。
UVB-313灯管的条件最为严格，能产生较高强度的紫外线，它们能够比UVA灯管更快地引起材料老化。UVB 灯管能够利用紫外线的短波段达到快速加速老化的目的，对特别经久耐用的材料的检测非常有用。
以上各种类型紫外灯光谱与太阳光谱的对比情况如图3所示。
图3 紫外灯光谱与太阳光谱对比图
2.2 辐照度控制
大多数型号的紫外老化设备都装备有日光眼光强控制器，利用日光眼的反馈循环系统，可以连续自动地控制且精确地保持辐照度。日光眼能依靠调整灯的功率来自动补偿因灯管老化和其他因素造成的光强变化。
在紫外老化设备内部，由于使用时间的增加、灯管的老化，光源输出会发生衰减，设备可以靠着照度控制器继续维持光强。由于荧光紫外灯固有的光谱稳定性，光谱能量分布几乎保持不变。如图4所示，我们拿一根使用过2h和用了6500h的灯管进行比较，发现新灯管和旧灯管的光谱之间的差别很小，难以辨别。由此可知，紫外老化设备的日光眼控制系统在保持光谱稳定性方面起到了至关重要的作用。
图4 日光眼控制系统利用荧光灯的输出功率改变来保持光谱的稳定
2.3 潮湿模拟
QUV试验箱测试室的水槽可以用来加热产生水蒸气，在相对较高的温度下，热蒸汽使测试室内保持较高的相对湿度。室内相对较冷的空气使得试验样品表面温度比测试室内热蒸汽温度低，这一温度差造成冷凝效应，在样品表面形成液态形式的水慢慢地凝结。使用QUV试验箱进行长时间的热和冷凝循环过程来模拟户外的潮湿现象，比使用溅水、浸水方法更有效。除了标准的冷凝效应外，QUV还可以用水喷淋来模拟雨水的影响，潮湿循环和紫外线照射同步地进行。
3 氙灯光老化试验
氙灯能模拟完整的全太阳光光谱，包括紫外光、可见光和红外光光谱。经过过滤的氙灯是测试颜料、染料等产品的光稳定性的*佳光源，可以模拟各种条件下的自然光，包括从大气层外的太阳光到透过窗玻璃的日光。
3.1 光学过滤器
未经滤光的氙灯会发射过多的短波紫外线，以致于不能很好地模拟地球表面的自然暴露。因此，氙灯试验箱使用不同类型的过滤器来减少不必要的短波射线。过滤器的选择取决于材料的使用环境。
平板型氙灯试验箱给每一个气冷氙灯配备了一块或多块平面玻璃过滤器。平板氙灯试验箱中尤为常见的过淲器是日光过滤器，它可以产生非常类似于夏日正午阳光的光谱。窗玻璃过滤器可以模拟透过窗玻璃的太阳光谱，通常用于室内产品的老化测试。
水冷转鼓式氙灯试验箱使用不同的过滤系统，包括围绕氙灯放置的圆柱形内外滤镜。水冷转鼓式试验箱将可以产生类似的日光过滤组合的内外滤镜称作硼硅酸盐类玻璃/硼硅酸盐类玻璃，用于模拟透过窗玻璃的过滤器则称为硼硅酸盐类玻璃/碱石灰玻璃。
这些过滤器最大的区别是短波紫外线传输和光谱的截止点不同。不同数量的短波紫外线可显著地影响材料的降解速度和类型。以上各种类型过滤器的光谱与太阳光谱的对比如图5所示。
图5 各种类型过滤器光谱与太阳光谱对比图
3.2 辐照度控制
理论上，光线强度可以在氙灯光谱的任意位置进行监控，但通常使用的只是为数不多的几个波段，一般在材料尤为敏感的光谱区域进行辐照度控制。氙灯辐照度传感器有3种不同的型号，即：340、420、300～400nm，对应于检测不同波长的光的强度。如果测试材料主要是被短波紫外光破坏的话，则可用340nm点控传感器进行检测；如果测试材料主要是被可见光破坏的话，则可用420nm点控传感器进行检测；如果需检测整个紫外线波段，一些标准规范中建议使用300～400nm段控传感器进行检测。
340nm的控制要求带有一个装有过滤器的紫外线传感器，它只允许以340nm为中心的狭窄波段通过。340nm控制点广泛地应用于加速老化测试中，对于户外耐久性产品的老化测试来说，短波紫外线区域具有危险性。340nm控制点对于涂料、塑料是理想的控制点，常用的辐照度控制点是0.55W/m2/nm@340nm。
420nm控制点一般与窗玻璃过滤器配套，用于材料室内光稳定性测试。该系统测试的对象，通常是那些主要由长波紫外线和可见光造成损坏的材料。420nm控制点对于针织品中的染料和色素是理想的控制点，室内模拟最常见的辐照度控制点是1.10W/m2/nm@420nm。
平板型和旋转鼓型试验箱通常装有300～400nm宽带辐照度控制系统，用于检测整个紫外线波段的辐照强度。室外模拟最常见的辐照度控制点是180W/m2/nm@300～400nm，室内模拟常见的辐照度控制点是162W/m2/nm@300～400nm。
在氙灯测试系统内，辐照度控制是非常重要的。由于氙灯本身的光谱稳定性不如荧光紫外灯的好，氙灯的固有特点是灯管老化会使光谱发生漂移，需定期更换灯管来减少灯管老化造成的影响。同时必须在340nm和420nm点控或者300～400nm段控时候，在特定控制区域，光谱变化会减到最小。尽管灯管老化会引起光谱的漂移，但是在许多测试中证明氙灯是一种能切合实际的光源。一根新的氙灯和一根使用过1000h的氙灯的光谱对比情况如图6所示，从图6中可以看出，两者之间有明显的差异，除在控制点波长340nm的光强比较一致外，在其余长波段，随着氙灯的老化，光谱会发生明显的变化。
图6 使用1000h后的氙灯和0h氙灯的光谱输出对比
3.3 潮湿模拟
通过水喷淋和相对湿度控制系统来模拟潮湿的影响是氙灯试验的一项重要特性。由于湿度会影响某些产品老化的速度，在许多测试标准中都要求控制相对湿度，旋转鼓型氙灯试验箱和平板型氙灯试验箱都有相对湿度控制系统。除此之外，旋转鼓型氙灯试验箱和平板型氙灯试验箱都可以通过喷淋水来模拟户外潮湿的效果。旋转鼓型试验箱有一个或两个喷淋条和喷嘴，当旋转的样品经过时，可以向样品的正反面同时喷水。由于样品接近垂直放置，在潮湿模拟阶段结束，样品可能在转离喷淋位置后沥干。在平板型试验箱内，测试样品被安装在一个水平倾斜5°的托盘上，喷淋水能均匀地喷洒到样品表面。由于样品放置时接近水平，所以水不会很快流走。
4 荧光紫外灯与氙灯光老化试验环境效应的对比
4.1 热效应
紫外光老化试验中光源的波段为紫外线，其产生的环境效应不包含热效应。
与紫外光老化试验相比，氙灯试验光源的波段为全光谱，包含红外线，会产生热效应。与高温产生的热效应不同，氙灯试验的热效应具有方向性，并产生热梯度。在氙灯试验中，热量的吸收或反射主要取决于被辐射表面的粗糙度和颜色。产生热效应的部分为0.78～3.0μm，此波段为红外线波段。
4.2 光化学效应
紫外光老化试验对材料的破坏效应十分显著。紫外线部分波段非常狭窄，产生光化学效应的部分波长范围为0.28～0.78μm。
氙灯试验中紫外线和可见光的光化学效应能够引起大多数高分子有机材料的光化学劣化。紫外线对某些橡胶和塑料的分子结构中比较薄弱的键产生有害影响，使其弹性和塑性变化。可见光部分也能使有机涂层、纺织品等纤维褪色，使其物理性能变差。
5 结束语
目前，对许多制造商而言，产品的耐老化和耐光性是极为重要的，目前的老化试验方法和老化试验设备有很多选择。随着技术的进步，大多数标准化组织，包括ISO、ASTM和SAE，都制定出了如ISO4892、ASTMG155和SAEJ2527等测试标准供参考。本文分析阐述了荧光紫外灯与氙灯光老化试验的关键技术，包括光谱、辐照度控制和环境效应等，希望能够给试验人员提供一定的光老化试验基础理论指导和参考作用。
