討論兩種常見的、不同型別、測試條件一致的氤燈試驗箱。 詳述了其不同的配置對光譜、輻照度控制、過濾器型別、潮溼、溼度控制、溫度控制和校準等的影響。 闡述了樣品安置、裝置的維護保養等實際操作方面的問題以及老化測試標準。

全世界每年因老化而造成的產品損失達數億美元，材料的老化包括褪色、失光、氧化、開裂、粉化和強度下降等現象。 目前，評價材料的老化主要透過2種方法：戶外曝曬和人工加速老化。 其中人工加速老化主要有開放式碳弧燈、 紫外光和氬弧燈。 文中主要討論2種常用的氬燈試驗箱。

1。  旋轉鼓型和平板型氙燈試驗箱

1918 年，世界上出現了第 1 臺旋轉鼓式氬燈老化試驗箱，它使用 1 個碳弧燈作為光源，光源或燈管垂直放置在儀器的中央，周圍帶有 1 個過濾系統。 測試樣品面向光源安裝，並像傳送帶一樣圍繞中心燈旋轉。 自第一次世界大戰以來，這種試驗箱也不斷地改進，但其基本設計原理一直沒有改變。 最為常見的試驗箱的燈管冷卻系統採用水冷卻，這種型別的水冷氬弧試驗箱被稱為“旋轉鼓型”。

近年來，出現了新型的靜態樣品安置的氙燈試驗箱，在測試室的頂部安裝了一個或多個氣冷氙燈管。在這一系統中，過濾器是平板型的，且被置於燈管下部，同時在測試室的頂部和側部裝有反射系統以增強輻照度的均勻性。測試樣品被安裝在燈管下方的樣品盤上。托盤略微傾斜小角度，以便使水流走，這種型別的試驗箱被稱為“平板型”

無論哪種型別的試驗箱，都帶有控制光線強度（輻照度），溫度和相對溼度的控制系統。

1。1   光學過濾器

平板型氙燈試驗箱給每一個氣冷氙燈配備了一塊或多塊平面玻璃過濾器。 水冷旋轉鼓式試驗箱使用不同的過濾系統，包括圍繞氙燈放置的圓柱形內、外過濾器。

目前，氙燈試驗箱中採用3中不同的過濾器系統。ASTM G155標準中，他們分別被命名為日光過濾器，窗玻璃過濾器和延伸紫外線過濾器。ISO標準使用不同的命名法。對於日光光譜，透過窗玻璃的陽光光譜，ISO 11341（顏料）中分別稱做“方法1”和“方法2”；ISO 4892-2（塑膠）中分別稱做“方法A”和“方法B”。ISO標準中沒有提到延伸紫外線光譜，但有幾個SAE標準則對此有要求。

這些過濾器之間的最重要的區別是短波紫外線傳輸和光譜截止點。 不同數量的短波紫外線可顯著地影響降解的速度和型別。 老化試驗箱製造商經常使用他們自己的命名法來給各類過濾器和過濾器系統命名。

日光過濾器是應用最為廣泛的氙燈過濾器，它可產生非常類似夏日正午陽光的光譜（有時稱作陽光最大值）。 平板氙燈試驗箱的製造商把這一類的過濾器簡稱作“日光過濾器”。可以產生類似的日光過濾作用的過濾器組合，稱作“硼矽酸鹽 / 硼矽酸鹽”（Boro/Boro）和“CIRA/ 碳酸石灰”。

太陽光、 日光過濾器、Boro/Boro 及 CIRA/ 碳酸石灰的過濾器光譜能量分佈。大部分的過濾器都能很好地匹配太陽光的光譜。

不同的過濾器在超短紫外波長區域有著顯著的差別。雖然平板日光過濾器和旋轉鼓式 CIRA/SL過濾器都能很好地與陽光吻合， 但旋轉鼓式Boro/Boro 過濾器在 280nm 處有著不真實的低截止波長（遠比陽光的 295nm 截止點更為嚴格）。 也就意味著樣品所受的紫外光曝露遠短於實際的使用 環境，他可以加速材料的老化，但並不真實並可以 導致一些材料的相關性問題。

窗玻璃過濾器模擬透過窗玻璃的太陽光譜，通常用於室內產品的老化測試。用於平板型氙燈試驗箱簡稱“窗玻璃過濾器“。 用於旋轉鼓試驗箱的過濾器則稱為”硼矽酸鹽 / 蘇達石灰“（也叫做 Boro/ 蘇達石灰，Boro/SL 等）。兩種型別的窗玻璃過濾器都可很好地與透過窗玻璃的實際陽光吻合。

平板型窗玻璃過濾器在關鍵短波紫外線區域裡更為真實一些。 這一差異對於一些材料的黃變和物理效能變化是非常重要的。 褪色和變色是暴露在室內的材料的最普遍的問題。 由於褪色和變色通常為長波紫外線和可視光降解的結果，這一差異會嚴重地影響測試結果。

1。2  輻照度控制

任何型別的氙燈燈管的輸出都會隨著時間而衰減。 先進的氙燈試驗箱使用一個反饋迴路控制系統對此進行補償。 有了該系統，操作人員可預設輻照度水平，而測試室中的輻照度感測器對光線進行測量。 當燈管老化導致輸出衰減時，系統會透過增加氙燈的功率來進行自動補償。

理論上，光線強度可以在氙燈光譜的任意位置進行監控， 但通常使用的只是為數不多的幾個波段。 一般在材料最為敏感的光譜區域進行輻照度控制（例如，預計會出現降解的區域）。 此外，輻照度控制點還因行業、應用的不同而改變。

340nm 控制點廣泛應用於加速老化測試中，對於戶外耐久性產品的老化測試來說。 短波紫外線區域最具危險性。 340nm 的控制要求帶有一個裝備有過濾器的紫外線感測器，它只允許以 340nm 為中心的狹窄波段透過。 通常，這對於塗料、塑膠、屋面材料等是理想的控制點。 最常見的輻照度控制點是0。35 或 0。55w/m2/nm@340nm。

420nm 控制點一般與窗玻璃過濾器配套用於材料的室內光穩定性測試。 對 420nm 的控制，要求紫外線感測器裝備有一個濾光器， 它只允許以420nm 為中心的紫外線窄帶透過。 該系統測試的物件，通常是那些主要由長波紫外線和可視光造成損壞的材料，例如針織品中的染料和色素、紙張和油墨。 室內模擬的最常見的輻照度設定點是1。10w/m2/nm@420nm。

平板型和旋轉鼓型試驗箱通常裝有 340nm 或420nm 窄帶輻照度控制系統。 根據不同的型號，某些歐洲測試箱可使用一個寬頻 TUV （完整紫外線。 300~400nm）。 或一個極寬頻完整輻照度感測器（280~800nm）。寬頻感測器不會對紫外線的相對小的變化做出反應，這一非敏感性可能給由光譜短波紫外線部分驅動的關鍵降解機制帶來問題。

總而言之， 平板型和旋轉鼓型試驗箱帶有高效、等量的反饋迴路輻照度控制系統。 建議定期更換燈管會減少燈管老化的影響。 透過使用將輻照度控制在 340nm 或者 420nm 的感測器，在特定區域的光譜改變數會被進一步減小。

1。3  潮溼

平板型氙燈試驗箱和旋轉鼓型氙燈試驗箱都能透過向測試樣品噴淋水來模擬戶外潮溼的效果。這一方法對於模擬熱衝擊或機械腐蝕特別有效。

在平板型試驗箱內，測試樣品被安裝在一個平面樣品托盤上，水平傾斜 5度。噴淋水能均勻地噴灑到樣品的表面，同時由於樣品放置接近水平，水不會很快流走，使得樣品在整個潮溼迴圈週期中都保持潮溼。

旋轉鼓型試驗箱有一個噴淋條和噴嘴，當旋轉的樣品經過時，向其噴水。每分鐘內，樣品約有 3s 處於潮溼狀態。 某些試驗箱裝有 2 個噴淋條，可以在樣品的正反面同時噴水。 由於樣品垂直放置，水會很快從表面流走。 在潮溼間隙，樣品有可能在轉離噴淋位置後變幹。

1。4  相對溼度控制

對於許多材料而言，相對溼度（RH）的控制是很關鍵的，大多數的測試標準都有相對溼度控制的要求。 旋轉鼓型氬燈試驗箱和平板型試驗箱都可加裝相對溼度控制系統。 因為大量的空氣必須在測試室中流動以保持測試溫度，所以對相對溼度的精確控制是比較困難的。 要控制相對溼度，必須監控測試室空氣的溫度。 平板型氬燈試驗箱精確的相對溼度控制系統（美國Q-Panel 公司專利）超過了 ISO。 ASTM。 AATCC 和SAE 測試標準的要求， 並廣泛地運用在戶外曝曬測試中。

1。5  溫度控制

溫度控制是一個關鍵的卻經常被忽視的測試引數。 旋轉鼓式和平板型試驗箱通常透過控制黑板溫度來控制測試環境。 黑板溫度計是一塊塗有黑色塗層的金屬面板，它帶有附著在表面的溫度感測元件，這些元件被稱作”非絕緣黑板“。

兩種型別的試驗箱中都可裝有絕緣的黑板溫度計（在ISO標準中被叫做”黑標溫度“）。 這些被裝在一個絕緣塑膠座上，通常絕緣的黑板比非絕緣黑板高 5-10℃。

許多旋轉鼓型和平板型的試驗箱型號都可控制測試室環境溫度和黑板溫度。

2  實際操作

一臺真正有用的氙燈試驗箱應該能夠提供測試所需的所有曝露條件，且同時還要考慮其實際使用情況。 此外，如果某個氙燈試驗箱，無論其技術有多先進，但他難於使用、購買、操作及維護的費用太高，它仍不能算是有用的。

2。1  樣品容量和佔地面積

平板型試驗箱體積小巧，但其測試室的容量很多。 它的暴露區域是 501m2（3232cm2），這比類似”構造“ 的旋轉鼓型試驗箱多出了近 50%的暴露區域。

2。1  樣品安裝

平板型氙燈試驗箱的滑出式樣品盤，樣品的安裝要比在旋轉鼓型的快得多、容易得多，也靈活得多。 安裝盤可容納不同尺寸的平面板或三維樣品， 例如部件、瓶子和試管等（如圖 5 所示）。 平面樣品盤還對測試在溫度升高時流動的材料、暴露在石化盤中的物質以及在屋頂應用中的蓄池很有幫助。 旋轉鼓型試驗箱只能對平面板進行立式安裝。 必須使用特製的固定器，以便將樣品掛在暴露夾上。

2。3 維修保護

平板型氙燈試驗箱維修保養方便，燈管的安裝和更換均很方便，且其過濾器無需更換。 平時經常性的維修保護均可從裝置的正面進行。 在旋轉鼓型的試驗箱中， 水冷燈管和過濾器的更換很不方便， 必須移開測試樣品以進行常規的燈管和過濾器更換。

2。4 氣冷燈與水冷燈

除了光線， 氙弧燈還會在可視光和 IR 射線產生很多的熱量， 這給操作和維護帶來了一定的問題。 平板型氙燈試驗箱避免了因透過燈管夾排出大量的空氣而產生過多的熱量，這一簡單、經濟的裝置被稱為氣冷。

旋轉鼓式使用水冷燈系統。 由於水是極好的熱量傳導載體，因此旋轉鼓式燈可以在一個非常高的瓦數進行操作以產生高輻照度。 水冷系統也有以下一些缺點。

①燈管/過濾器裝置比較複雜，帶有內部、外部過濾器等。

②冷卻水與高壓電流近似，所以，為安全起見，聯結器和密封必須非常精確並高度耐用。

③ 由於使用的特殊連線件，因而燈管非常昂貴。

④ 冷卻水必須非常純淨以便減輕任何在燈管和過濾器上積聚的雜質。

⑤ 冷卻水本身必須由一個冷卻器進行冷卻。

⑥ 水泵有維護的需要。

2。5 輻照度校準

平板型的輻照度校準系統使用獨立的輻射計， 校正僅需要幾分鐘時間。 要校準平板型感測器，輻射計的感測元件被置於安裝盤中通常放測試樣品的位置。其資料傳送電纜被插入儀表盤前面的校準埠。當輻射計測量燈管輸出併發送訊號到面板上的控制系統時，只需一次按鍵就可完成校準，它自動相應地調節校準。在轉錄或調換數字過程中不會出現認為錯誤。所有的校正過程，都無需移動燈管或過濾器。

在旋轉鼓型氬燈試驗箱中，輻照度校正是一個多 段步驟，y必須使用一個特？的校準燈。

①多數測試樣品必須被移開。

②操作燈和過濾器必須被移開。

③必須安裝一個經校準的燈管。

④經校準燈管的輻照度必須與預定值（經校準的值）進行比較。

⑤操作員必須調節儀器以使測量值與校準值一致。

⑥經校準的燈管必須被移開。

⑦操作燈和過濾器必須重新安裝。

⑧在暴露重新開始時，必須重新安裝測試樣品。

3 測試標準

在過去 10 年中， 幾乎所有的主要測試標準已由對基於硬體要求（如水冷燈管 vs 風冷燈管）描述轉變為對基於效能的測試樣品暴露環境（亦即測試條件）的描述。 舊式標準的制定是因為當時缺乏有效的技術去精確測量和控制嚴格的測試條件。 由於不能控制， 所以我們的標準只能簡單的描述裝置。 希望曝曬試驗的樣品因為使用相同的硬體，能達到相同的應力和結果，但常常事與願違。

目前，隨著技術的進步，大多數標準化組織，包括ISO和 ASTM， 都傾向於發展以效能為基礎的測試手段和方式。 這些方式定出了測試條件（如輻照、光譜、溫度、溼度等）以及可接受的效能範圍事實上，ISO的指導綱領這樣要求，”只要可能，就應以效能的方式，而不是設計或描述特徵來表達要求“。 與此類似，美國國家標準學會（ANSI）對標準作出了這樣的規定”基於效能，而不是詳細設計來指定核心特徵。 “

這些新的、以效能為基礎的測試手段則為使用者帶來最大的利益。 它只是規定了詳細的測試條件，允許使用新技術和控制方法，還允許有竟爭（可以為使用者節約成本）。ISO指導綱領意識到這些優越性，並申明，”這一方法給技術發展帶來了最大的自由空間“。

列出部分代表性的以效能為基礎的國際標準： ISO 4892，塑膠 - 實驗室光源暴露方法：ISO 11341，色漆和清漆的人工加速老化：ISO 11431， 建築密封劑、膠粘劑的人工加速老化：ISO 18909，成像材料、膠捲和印刷品、影象穩定性：ISO 12040，顏料和列印油墨的光穩定性：AATCC TM16， 顏色的光穩定性： AATCC TM169， 針織品的抗老化性：ASTM C1442， 密封劑耐老化性標準：ASTM D2565， 塑膠氙弧曝曬試驗：ASTM D3424， 評估列印材料光穩定性的測試方法：ASTM D4303， 評估藝術家顏料光穩定性的測試方法：AsTM D4459，室內用塑膠的氬燈老化標準： AsTM D4798。瀝青材料的人工加速老化（氬燈曝露） 標準：AsTM D5071， 可光學降解塑膠的氬燈老化標準：AsTM C151， 非金屬材料的人工加速老化測試： ASTM C155。非金屬材料的氬燈人工加速老化測試。

4   概述和結論

文中討論了氙燈測試的關鍵引數， 包括光譜、光線強度（輻照度）、測試室溫度、黑板溫度以及相對溼度等，都可以透過不同的硬體配置進行控制。

新的、以效能為基礎的測試標準對業界具有明顯的優越性，它們詳細描述了暴露環境，為實驗室老化在技術和控制方面的進步拓展了空間，允許使用者靈活的選擇氙燈試驗箱。