本文簡(jiǎn)要討論QUV紫外光加速老化試驗(yàn)機(jī)在紡織行業(yè)的應(yīng)用。在傳統(tǒng)紡織行業(yè)，日曬測(cè)試很普遍，而且在曝曬一定時(shí)間之后，一般只考慮產(chǎn)品的顏色變化。隨著紡織行業(yè)的發(fā)展，出現(xiàn)了越來越多的產(chǎn)品，包括很多用于戶外的紡織產(chǎn)品。對(duì)于那些紡織產(chǎn)品，如帳篷、雨布、遮陽傘等，不只光照會(huì)對(duì)它們發(fā)生作用，水、高溫等也會(huì)對(duì)它們發(fā)生作用。而且人們不僅僅關(guān)心產(chǎn)品的顏色變化，還關(guān)心產(chǎn)品的拉伸力、防水性等。
首先介紹引起材料發(fā)生老化的三要素，接著分析氙燈試驗(yàn)箱和紫外試驗(yàn)機(jī)測(cè)試機(jī)理之間的差別。最后主要列舉紡織行業(yè)使用紫外老化試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行色牢度測(cè)試的一些標(biāo)準(zhǔn)。
1. 老化三要素
老化損害主要由三個(gè)因素引起：光照，溫度和濕度。這三個(gè)因素中的任一個(gè)都會(huì)引起材料老化，它們的共同作用，大于其中任一因素造成的危害。
1.1 光照
高分子材料的化學(xué)鍵對(duì)太陽光中不同波段的光線的敏感性不同，一般對(duì)應(yīng)一個(gè)閾值，太陽光的短波段紫外線是引起大部分聚合物物理性能老化的主要原因。如C-N（碳-氮）鍵的作用閾值是393nm。然而，對(duì)于某些顏料和染料，長(zhǎng)波段紫外線甚至可見光也會(huì)對(duì)其產(chǎn)生破壞，造成變色或褪色。
1.2 溫度
溫度越高，化學(xué)反應(yīng)速度越快。老化反應(yīng)是一種光致化學(xué)反應(yīng)，溫度不影響光致化學(xué)反應(yīng)中的光致反應(yīng)速度，卻影響后繼的化學(xué)反應(yīng)速度。因此溫度對(duì)材料老化的影響往往是非線性的。
1.3 濕度
水會(huì)直接參與材料老化反應(yīng)。相對(duì)濕度、露水和雨水等是自然界中水的幾個(gè)主要表現(xiàn)形式。研究表明，戶外材料每天都將長(zhǎng)時(shí)間處于潮濕狀態(tài)（平均每天長(zhǎng)達(dá)8-12個(gè)小時(shí)）。而露水是戶外潮濕的主要原因。露水造成的危害比雨水更大，因?yàn)樗街诓牧仙系臅r(shí)間更長(zhǎng)，形成更為嚴(yán)酷的潮濕侵蝕。
2. 氙燈試驗(yàn)箱與紫外試驗(yàn)機(jī)的測(cè)試機(jī)理
以上介紹的是引起材料發(fā)生老化的三要素，而實(shí)驗(yàn)室加速老化設(shè)備就是模擬這些老化因素的。實(shí)驗(yàn)室加速老化測(cè)試主要使用氙燈和紫外兩種測(cè)試設(shè)備，但它們的測(cè)試原理相差很大。下面通過介紹Q-Lab公司的Q-Sun氙燈試驗(yàn)箱（日曬色牢度儀）和QUV紫外試驗(yàn)機(jī)的特點(diǎn)來分析氙燈和紫外設(shè)備的測(cè)試原理。
2.1 氙燈試驗(yàn)箱的老化原理
氙燈試驗(yàn)箱（日曬色牢度儀）可以模擬全光譜太陽光，包括紫外線，可見光和紅外線。氙燈光譜有兩個(gè)影響因素：濾光系統(tǒng)和光源穩(wěn)定性。
氙燈產(chǎn)生的光譜必須經(jīng)過過濾來減少不需要的光譜成分。使用不同類型的玻璃過濾器可得到不同的光譜。過濾器的使用取決于被測(cè)材料和材料的最終使用條件。經(jīng)不同過濾器過濾后得到的光譜中紫外線的短波段的量不同，這將在很大程度上影響老化的速度和類型。有三種類型的經(jīng)常使用的過濾器：日光、窗玻璃和紫外延伸過濾器。圖1顯示了日光過濾器產(chǎn)生的光譜，同時(shí)也顯示了從295~400 nm之間的紫外線短波段的光譜圖。
圖1 配備有日光過濾器的Q-Sun光譜和太陽光譜之間的比較
大多數(shù)氙燈檢測(cè)設(shè)備通過水噴淋或濕度控制系統(tǒng)來模擬潮濕的影響。水噴淋可很好地模擬熱沖擊和機(jī)械侵蝕。在測(cè)試系統(tǒng)中，為了防止水對(duì)樣品的污染使用高純度的去離子水是非常必要的。
2.2 紫外試驗(yàn)機(jī)的老化原理
QUV利用熒光紫外線燈來模擬太陽光對(duì)耐久性材料造成的損害。紫外燈在電學(xué)原理上與普通照明用的燈管很相似，但它主要發(fā)射紫外光而非可見光。
對(duì)于不同的應(yīng)用條件，需要不同類型的燈管產(chǎn)生不同的光譜。UVA-340燈管對(duì)太陽光的紫外短波段光線模擬效果好。UVA-340的光譜能量分布(SPD)在太陽光的截止點(diǎn)到大約360 nm范圍內(nèi)與太陽光譜能夠很好地吻合（如圖2所示）。
UVB-313燈管（如圖3所示）在QUV中也被廣泛應(yīng)用。它們對(duì)材料產(chǎn)生的老化影響比UVA-340燈管更快，但它比太陽光截止點(diǎn)更短的波長(zhǎng)可能會(huì)對(duì)許多材料產(chǎn)生不切實(shí)際的結(jié)果。
圖2、圖3 UVA-340光譜與夏天正午太陽光譜比較 UVB-313及FS-40光譜與太陽光譜比較
UVA-340燈管對(duì)太陽光紫外短波段的模擬效果是最佳的。UVB-313燈管利用紫外線的短波段達(dá)到最快加速老化的目的，對(duì)特別經(jīng)久耐用的材料的檢定或質(zhì)量控制非常有用。
QUV通過冷凝功能來模擬露水對(duì)材料的破壞作用。加熱QUV測(cè)試室底部的水盤來產(chǎn)生蒸汽。在較高的溫度下，熱蒸汽在測(cè)試室內(nèi)保持100％的相對(duì)濕度。QUV中，測(cè)試樣品實(shí)際上形成測(cè)試室的側(cè)壁。樣品的另一面暴露在室內(nèi)周圍的空氣中。室內(nèi)相對(duì)較冷的空氣就使得測(cè)試樣品的表面比測(cè)試室內(nèi)的熱蒸汽的溫度低好幾度。這一溫度差產(chǎn)生冷凝，在樣品表面液態(tài)形式的水慢慢地凝結(jié)。除了標(biāo)準(zhǔn)的冷凝功能，QUV還可用水噴淋來模擬雨水影響，產(chǎn)生熱沖擊或機(jī)械侵蝕。
需要特別指出的是，只有QUV紫外試驗(yàn)機(jī)具有冷凝功能，而包括Q-Sun在內(nèi)的氙燈試驗(yàn)箱不能實(shí)現(xiàn)該功能。前面已指出，戶外材料每天都將長(zhǎng)時(shí)間處于潮濕狀態(tài)（平均每天長(zhǎng)達(dá)8-12個(gè)小時(shí)）。而露水是戶外潮濕的主要原因。戶外產(chǎn)品必須能抵抗潮濕的影響。因?yàn)殡療粼囼?yàn)箱沒有冷凝功能，所以在模擬露水對(duì)戶外產(chǎn)品的影響時(shí)，QUV是不可替代的。
3. 紡織行業(yè)應(yīng)用紫外試驗(yàn)機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)
目前人們比較熟悉的紡織品日曬色牢度測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)主要有：ISO 105 B02，AATCC TM16，GB/T 8427等。這些標(biāo)準(zhǔn)都是使用氙燈試驗(yàn)箱（氙燈日曬色牢度儀）對(duì)紡織品進(jìn)行日曬測(cè)試。在這些標(biāo)準(zhǔn)中，不但規(guī)定使用氙燈試驗(yàn)箱（氙燈日曬色牢度儀），而且還規(guī)定了光譜過濾器的種類，除此之外，輻照度、黑板/黑標(biāo)溫度、箱體空氣溫度、相對(duì)濕度等也有所要求。
查閱以上提到的氙燈測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)不難發(fā)現(xiàn)，選用的過濾器一般是Window過濾器，是模擬窗玻璃透射太陽光的，也就是模擬室內(nèi)應(yīng)用。而且在模擬濕度方面，選擇控制相對(duì)濕度，而沒有水噴淋循環(huán)，這主要也是模擬室內(nèi)應(yīng)用。而對(duì)于戶外用紡織產(chǎn)品，這些光源不夠強(qiáng)，而且沒有模擬露水影響作用的冷凝功能。
但是，紡織品種類繁多，不但包括衣服、布料等民用紡織品，而且還包括無紡布等工業(yè)紡織品，有些甚至是復(fù)合材料。而且紡織品的用途也非常廣，不僅有用于室內(nèi)的，如窗簾、被罩、毛巾等，也有用于戶外的，如帳篷、雨布、遮陽傘等。所以加速老化測(cè)試設(shè)備，不但要模擬室內(nèi)應(yīng)用條件，也要模擬戶外應(yīng)用條件。戶外紡織用品的材料不僅有植物纖維，還包括聚酯、涂層等。對(duì)這些材料的測(cè)試，也不僅僅是顏色變化，而且還包括物理性能，如拉伸力、破裂等。
通過以上Q-Sun氙燈試驗(yàn)箱與QUV紫外試驗(yàn)機(jī)測(cè)試機(jī)理之間的比較，我們知道QUV的冷凝循環(huán)可最佳模擬戶外露水對(duì)材料造成的破壞作用，而且QUV還可用水噴淋來模擬雨水對(duì)材料產(chǎn)生熱沖擊或機(jī)械侵蝕。
以下列舉幾個(gè)在紡織行業(yè)應(yīng)用紫外光加速老化試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行測(cè)試的標(biāo)準(zhǔn)。
AATCC TM186 | ASTM D7238 | ACFFA | Nike Test #G37 | |
標(biāo)準(zhǔn)名稱 | Weather Resistance: UV Light and Moisture Exposure | Effect of Exposure of Unreinforced Polyolefin Geomembrane Using Fluorescent UV Condensation Apparatus | Standard test methods for printed or piece-dyed woven 100% polyester, PVC-coated polyester, solution-dyed acrylic and olefin | UV Colorfastness |
試驗(yàn)設(shè)備 | QUV | QUV | QUV | QUV |
光源 | UVA-340燈管 | UVA-340燈管 | UVA-340燈管 | UVA-340燈管 |
光照循環(huán) | 方法1：8小時(shí)， 黑板溫度60℃； 方法2：8小時(shí)， 黑板溫度60℃； 方法3：8小時(shí)， 黑板溫度70℃ | 20小時(shí)， 黑板溫度75℃ | 8小時(shí)， 黑板溫度60℃ | 24小時(shí)， 黑板溫度45℃ |
噴淋循環(huán) | 方法2：0.25小時(shí) | |||
冷凝循環(huán) | 方法1：4小時(shí)， 黑板溫度50℃； 方法2：3.75小時(shí)，黑板溫度50℃； 方法3：4小時(shí)， 黑板溫度50℃ | 4小時(shí)， 黑板溫度60℃ | 4小時(shí)， 黑板溫度50℃ | |
輻照度 | 方法1： 0.77W/m2@340nm； 方法2： 0.77W/m2@340nm； 方法3： 0.72W/m2@340nm | 0.78W/m2@340nm | 0.89W/m2@340nm | 0.78W/m2@340nm |
測(cè)試時(shí)間 | 480、960、1440、1920、2400小時(shí)或更長(zhǎng)時(shí)間 | 1000小時(shí) | 24小時(shí) |
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