十二章 阳光、紫外线与加速老化测试
12.1
引言
阳光是造成涂层损伤的重要原因。短波紫外线（UV）长期以来被认为是导致大多数此类损伤的元凶。
加速老化测试仪采用多种光源来模拟阳光及其造成的损害。通过对各类实验室测试仪与阳光进行光谱辐射度比较测量，结果显示紫外线光谱存在显著差异。这些测量数据凸显了常用加速光源的优缺点：封闭式碳弧灯、日光碳弧灯、氙弧灯和荧光紫外灯。基于测量结果，本文针对不同应用场景提出了差异化的光源选用建议。
12.2
阳光
图12.1 阳光光谱。
来自太阳的电磁能量通常被分为紫外线、可见光和红外线。图12.1展示了仲夏正午阳光的光谱能量分布（SED）。红外线（未显示）由波长比可见光中的红色波长长的部分组成，从
760 纳米（nm）开始。可见光被定义为
400 至
760 纳米之间的辐射。紫外线由低于
400 纳米的辐射组成。国际照明委员会（CIE）进一步将紫外线光谱部分细分为
UV-A、UV-B
和
UV-C，如图
12.1 所示。这
表12.1总结了不同紫外线波长区域的影响。
表12.1 紫外线的波长区域。
12.2.1
阳光的可变性
图12.2 阳光紫外线的季节性变化。
由于紫外线容易被大气团、云层、污染和其他因素过滤，自然紫外线照射的量和光谱变化极大。图12.2比较了在俄亥俄州克利夫兰市正午时分测量到的阳光中的紫外线区域：
• 夏至
• 冬至
• 春分
这些测量数据与其他研究者报告的数据基本吻合。由于冬季太阳在天空中的位置较低，阳光需要穿过更厚的大气层。这导致夏季与冬季阳光存在两个重要差异――光照强度的变化和光谱的变化。最关键的是，大部分有害的短波紫外线在冬季会被过滤掉。例如，320纳米波长的紫外线强度从夏季到冬季会发生约8:1的变化。此外，太阳辐射的短波截止波长会从夏季的约295纳米偏移至冬季的约310纳米。因此，对320纳米以下紫外线敏感的材料在冬季即使会发生降解，程度也极其轻微。
12.3
加速光源与阳光对比
图12.3 三地同时出现太阳活动极大期。
以下关于加速老化光源的讨论仅限于紫外线光谱的问题。它不涉及光稳定性、水分和湿度的影响、循环效应或结果的可重复性等问题。对于模拟直射阳光，人工光源应与我们所谓的“太阳最大值”条件进行比较：即全球范围内、正午时分、夏至日的垂直入射阳光。太阳最大值是户外使用中遇到的最严酷条件，因此它决定了哪些材料会失效。将光源与“平均最佳阳光”进行比较是具有误导性的，因为“平均最佳阳光”只是
3 月
21 日和
9 月
21 日春分和秋分时读数的平均值，其破坏性要小得多。在本章中，标有“阳光”的图表指的是太阳最大值：正午、全球、仲夏阳光。尽管太阳紫外线本身存在固有的变化性，但我们的测量结果显示，在不同地点的太阳最大值变化很小。图12.3展示了在三个差异很大的地点测量的太阳最大值。
12.3.1
短波长截止的重要性
光化学降解是由光子打断化学键引起的。每种化学键都存在一个临界波长阈值――当光线波长达到该阈值时，其能量足以引发反应。任何短于该阈值的波长都能打断化学键，而更长的波长无论强度（亮度）多高都无法破坏化学键。因此，光源的短波截止波长至关重要。例如，某种聚合物若仅对295纳米（太阳光截止点）以下的紫外线敏感，那么在户外环境中就永远不会发生光化学劣化；但若将其暴露在实验室特殊截止波长为280纳米的光源下，就会发生劣化。虽然光谱包含更短波长的光源能加速测试进程，但若测试仪器的截止波长远低于材料实际使用环境，则可能产生异常结果。
12.4
弧型光源
12.4.1
封闭式碳弧灯（ASTM
G 153标准）
图12.4 封闭式碳弧灯与阳光。
封闭式碳弧灯自1918年起就被用作加速耐候性和耐光性测试仪的太阳光模拟器。许多测试方法至今仍规定使用该装置。当将该设备的光输出与阳光进行对比时，其某些缺陷便显而易见。图12.4将夏季阳光（太阳辐射峰值）的紫外光谱能量分布与封闭式碳弧灯进行了对比。封闭式碳弧灯的紫外线输出主要由两个巨大的能量尖峰组成，在350纳米以下波段的输出极少。由于最短波长的紫外线破坏性最强，这种封闭式碳弧灯对大多数材料的测试速度非常缓慢，且对短波紫外线敏感材料的测试结果相关性较差。
12.4.2
阳光碳弧灯（明火碳弧灯：ASTM
G 152标准）
1933
年推出的阳光碳弧灯相较于封闭式碳弧灯具有优势。图12.5绘制了夏季阳光的紫外线光谱能量分布（SED）与阳光碳弧灯（配有
Corex D 滤光片）的
SED。尽管与封闭式碳弧灯相比，其与阳光的匹配度更高，但在约
390 纳米处仍存在一个远高于阳光的极大能量峰值。
图12.5 阳光碳弧灯与日光：260至400纳米。
阳光碳弧光谱的一个更严重的问题出现在短波长部分。为了说明这一点，需要对图表的低端进行放大处理。图12.6展示了
260 至
320 纳米波段内太阳最大辐射量与阳光碳弧的对比情况。碳弧在紫外线
C 区域（低于正常太阳辐射截止点
295 纳米）释放出大量能量。这种类型的辐射在太空环境中是常见的，但在地球表面却从未出现过。与自然暴露情况相比，这些短波长可能会导致不切实际的降解。
图12.6 阳光碳弧灯与日光：260至320纳米。
12.4.3
氙弧灯（ASTM
G 155标准）
1954年，氙弧灯技术在德国被改良用于加速老化测试。诸如Q-Sun氙灯试验箱等氙弧测试设备，因其能最佳模拟全光谱阳光（包括紫外线、可见光和红外线），非常适合用于材料的光稳定性测试。氙弧灯通过滤光片实现所需光谱（如户外阳光或经窗玻璃过滤的阳光）。
12.4.3.1
氙气滤光片效应
氙弧灯需要组合使用滤光片来减少不必要的辐射。最常用的滤光片组合是“日光”滤光片。图12.7展示了夏季正午阳光的光谱功率分布（SPD）与使用日光滤光片的氙弧灯的光谱功率分布的对比。
图12.7 氙弧灯搭配日光滤光片与阳光的对比。
图12.8 氙弧灯搭配窗玻璃滤镜与透过窗玻璃的阳光对比。
另一种旨在模拟透过窗玻璃的阳光的氙弧灯滤光片是窗玻璃滤光片。它通常用于测试主要使用寿命在室内的产品。图12.8展示了夏季正午阳光透过玻璃后的光谱功率分布（SPD）与使用窗玻璃滤光片的氙弧灯对比情况。
12.4.3.2
氙弧灯湿度测试
氙弧灯采用间歇性喷水系统来模拟雨水和露水的效果。这种喷淋循环对于引入热冲击和机械侵蚀特别有效。
12.4.3.3
辐照度设置的影响
现代氙弧灯模型，包括
Q-Sun 型号，都配备有光监测系统，以补偿由于灯管老化而导致的不可避免的光输出衰减。操作人员可预先设定所需的辐照度或亮度水平。随着光输出的下降，系统会通过增加氙气燃烧器的瓦数来进行补偿。最常见的辐照度设置为
340 纳米处每平方米每纳米
0.35 或
0.55 瓦。图12.9展示了这两种辐照度设置与夏季正午阳光的比较情况。
图12.9 辐照度设置的影响。
根据制造商不同，可选用多种测量与控制辐照度的传感器：340纳米、420纳米、总紫外线（TUV）或全波段辐照度传感器。这些传感器的差异在于其控制的辐照度波长（或波段），以及经由美国国家标准技术研究院（NIST）可溯源校准辐射计标定的特定波长（或波段）。
340纳米传感器测量的是以340纳米为中心、半带宽为10纳米的窄波段波长，适用于测试主要受短波紫外线破坏的材料。这是因为即使灯管老化导致光谱偏移，340纳米设置仍能保持稳定。该波段通常是油漆、塑料、屋顶材料等典型耐用产品的理想控制点。
420纳米传感器测量的是以420纳米为中心、半带宽为10纳米的窄波段波长，适用于测试主要受可见光破坏的材料，如纺织品、纸张和油墨中的染料与颜料。通常不建议使用更宽波段的TUV传感器或总辐照度传感器。
控制氙灯辐照度时需考虑多重复杂因素：滤光片的日光老化效应和灯管老化。这些因素会导致氙灯光谱功率分布发生非均匀变化――短波输出的衰减速度明显快于长波输出。
图12.10 氙气光谱因老化而产生的变化。
图12.10展示了某一燃烧器在其使用寿命的四个不同时间点所测得的光谱功率分布。仅在
340 纳米处监测并控制辐照度。足以维持
340 纳米处辐照度的功率增加不足以补偿
340 纳米以下波段的辐照度下降。同时，更高的功率导致燃烧器可见光输出增加。这改变了灯的光谱功率分布。该图表明，虽然辐照度控制器在
340 纳米处表现良好，但在短波紫外线光谱部分的辐照度却有所下降。
12.5
荧光紫外线灯
自20世纪70年代以来，荧光紫外线和冷凝测试仪开始广泛应用。针对不同暴露环境，测试设备配备不同光谱特性的灯管。荧光紫外线测试仪与电弧测试仪采用不同技术路径――前者并非模拟太阳光本身，而是专注于再现阳光的破坏效应。这种设计具有显著效果，因为短波紫外线几乎造成了户外耐久材料的所有老化损伤。因此，荧光紫外线测试仪将其主要光源的发射范围严格限定在光谱的紫外线波段。
12.5.1
FS-40型灯管（F40-UVB型号）（符合ASTM
G 154标准）
20
世纪
70 年代初，FS-40
成为第一款得到广泛应用的荧光紫外线灯。这种灯在一些汽车测试方法中被指定使用，尤其是在涂料测试方面。FS-40
灯的大部分输出位于紫外线光谱的
UV-B 部分，同时也有部分
UV-A。该灯在涂料的光泽保持度和塑料材料的完整性方面与户外暴露情况有良好的相关性。然而，低于太阳截止波长的短波长输出偶尔会导致异常结果，尤其是在塑料和纺织材料的颜色保持方面。
12.5.2
UVB-313灯管（ASTM G 154标准）
UVB-313灯管于1984年问世，本质上属于第二代FS-40型号。该产品与FS-40具有相同的光谱能量分布（SED），但其输出功率更高且更稳定。图12.11对比展示了太阳辐射峰值与UVB-313、FS-40的性能曲线。由于输出功率优势，UVB-313对大多数材料的加速老化效果明显优于FS-40。除汽车行业外，UVB-313是ASTM
G154测试设备应用最广泛的光源。
图12.11 UVB-313和FS-40。
12.5.3
UVA-340灯管（ASTM G 154标准）
图12.12 UVA-340与太阳光。
UVA-340灯管于1987年推出，旨在提升G154设备的测试相关性。图12.12展示了UVA-340与太阳辐射峰值的对比数据。该灯管能出色模拟295纳米（太阳辐射截止波长）至365纳米关键短波紫外线区域的阳光光谱。由于UVA-340消除了可能导致非自然测试结果的短波辐射（即低于太阳辐射强度的输出波段），其测试真实性远超其他常用光源。该灯管已通过塑料和涂层材料的验证测试，显著提升了荧光紫外/冷凝设备的测试相关性。
12.6
结论
实验室暴露与自然暴露之间的相关性可能永远存在争议。正如费希尔所指出的，测试速度与测试精度往往相互对立。采用短波紫外线的加速光源能快速获得测试结果，但准确性未必总能保证。然而这种偏差通常偏向安全范围――当测试条件过于严苛时，反而会得出保守结果。若采用能过滤295纳米以下太阳截止波长的光源，则能获得更精确可靠的测试数据，但提升相关性的代价是降低加速效率。用户需通过自我教育来权衡选择。
需要特别指出的是，尽管许多化学家对光能充满热忱，但测试设备的光谱仅是影响因素之一。任何加速测试仪都需要设置多重参数：紫外光谱、水分、湿度、温度及测试周期。这些参数的设定在某种程度上具有主观性，因为没有任何测试周期或设备能完全复现户外不同气候、海拔和纬度下的所有变量。因此，即便最精密的测试仪本质上也只是筛选工具。加速老化数据本质上是对比数据，其真正价值在于能可靠地反映特定条件下各种材料的相对性能优劣。