耐候性試驗
Weathering Testing
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18566398802汽車工程協(xié)會(SAE)最近已批準(zhǔn)了兩個新的以性能為基礎(chǔ)的耐候性測試方法(SAE J2412和SAE J2527)，以取代舊的以硬件為基礎(chǔ)的測試方法(SAE J1885和SAE J1960)。SAE J2412和SAE J2527方法描述了暴露條件和誤差范圍，而不是描述某個特定設(shè)備的構(gòu)造。本報告基于克菜斯勒公司、巴斯夫公司和Q-Lab公司一項共同的合作研究。這項研究檢驗了以性能為基礎(chǔ)的氙燈加速測試方法，并證明新的氙燈測試設(shè)備用于汽車測試的有效性。
1背景
在1989年以前，汽車行業(yè)沒有一個專門的氙燈加速老化測試方法的國際標(biāo)準(zhǔn)。1989年，汽車工程協(xié)會 (SAE)發(fā)布了J1960“水冷式氙燈汽車外飾件加速暴露測試”和SAE J1885 “水冷式氙燈汽車內(nèi)飾件加速暴露測試”兩項汽車材料耐候性測試標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)時，SAE J1960和J1885有利于汽車制造商統(tǒng)一測試條件。但是，這些老化測試標(biāo)準(zhǔn)基于特定型號的設(shè)備構(gòu)造，指定了某生產(chǎn)商的兩種型號設(shè)備。標(biāo)準(zhǔn)指定設(shè)備的要求產(chǎn)生了兩個主要的后果：
a.阻礙了技術(shù)發(fā)展，使得設(shè)備制造商沒有積極性去開發(fā)、生產(chǎn)更精確或更符合實際條件的老化試驗箱;
b.形成壟斷，導(dǎo)致測試設(shè)備價格與運行成本高昂。
汽車工業(yè)在許多領(lǐng)域引領(lǐng)世界，但在采用以性能為基礎(chǔ)的老化測試標(biāo)準(zhǔn)方面卻很滯后。在20世紀(jì) 90年代后期.SAE協(xié)會開始認識到老化測試標(biāo)準(zhǔn)中這一缺陷，最終發(fā)布了以下3個新的老化標(biāo)準(zhǔn)。
SAE J2527“氙燈汽車外飾件加速暴露測試”，是一個以性能為基礎(chǔ)的標(biāo)準(zhǔn)，取代J1960, 2003年10月發(fā)布。
SAE J2412“氙燈汽車內(nèi)飾件加速暴露測試”，也是一個以性能為基礎(chǔ)的標(biāo)準(zhǔn)，取代J1885，2004年2月發(fā)布。
SAE J2413"檢驗新的氙燈測試設(shè)備性能的方法”，一種驗證氙燈老化設(shè)備能否運行某一指定的加速暴露測試程序的方法，于2003年1 2 月發(fā)布。
新的以性能為基礎(chǔ)的老化標(biāo)準(zhǔn)和舊的以硬件為基礎(chǔ)的標(biāo)準(zhǔn)之間的主要差別是，刪除了所有指定生產(chǎn)商的內(nèi)容，測試標(biāo)準(zhǔn)中涉及到生產(chǎn)商商標(biāo)名稱的部分被通用的定義所取代。
改變之一是，測試中所用的光學(xué)過濾器已被重新定義。舊的以硬件為基礎(chǔ)的測試標(biāo)準(zhǔn)中，其光學(xué)過濾器要求“石英內(nèi)過濾器和S型硼硅玻璃外過濾器”。測試標(biāo)準(zhǔn)中指定使用某一商標(biāo)名稱的過濾器可能使得購買過濾器更容易，但是它沒有描述特殊型號過濾器產(chǎn)生的光譜。在新的以性能為基礎(chǔ)的測試標(biāo)準(zhǔn)中，光學(xué)過濾器的商標(biāo)名稱被刪除，取而代之的是對所需光譜功率分布 (SPD)的敘述。
在發(fā)布這3個新的測試標(biāo)準(zhǔn)之前.2002年初，克萊斯勒、巴斯夫和Q-Lab公司共同開發(fā)了一個測試方案，以驗證新的以性能為基礎(chǔ)的SAE 材料加速老化測試方法。對兩種試驗箱按照SAE J2413驗證方法進行試驗，比較測試結(jié)果，得到關(guān)于兩種類型試驗箱的比較數(shù)據(jù)。兩種試驗箱是依照J1960運行的轉(zhuǎn)鼓式試驗箱 (Ci65A型)和依照J2527運行的平板式試驗箱(Q-Sun Xe-3-HS型)。
2001年7月，Ci65A停產(chǎn)后，這個驗證的重要性變得更加明顯。因為 Ci65A已經(jīng)停產(chǎn)，行業(yè)中不再能購買到任何符合舊的、以硬件為基礎(chǔ)的 SAE測試標(biāo)準(zhǔn)的氙燈老化試驗箱。
2設(shè)備
以前，多數(shù)氙燈試驗箱內(nèi)在中間位置安裝一根燈管，樣品安裝在一個圓柱形的樣品架上，樣品架圍繞著燈管旋轉(zhuǎn)(見圖1).這個構(gòu)造通常被稱作“轉(zhuǎn)鼓”系統(tǒng)。最近引進的氙燈試驗箱包含了一個靜止的、平板樣品架系統(tǒng)(見圖2)。
兩種類型試驗箱的設(shè)計目標(biāo)之一，是在整個測試箱內(nèi)產(chǎn)生均勻的輻照度、溫度和濕度分布。實際上，完全的均勻性是不可能的，為了補償這一點，在測試期間，調(diào)整所測樣品位置(自動或手動).以提高均勻性。轉(zhuǎn)鼓式樣品架在一維的水平方向上圍繞著燈管自動地改變位置，但不能補償垂直方向上輻照度、溫度和濕度的不均勻性。
3試驗
為了驗證新的以性能為基礎(chǔ)的老化標(biāo)準(zhǔn)，兩種試驗箱依照SAE J2413中詳述的步驟進行操作。這個新的測試方法用于檢驗氙燈老化試驗箱運行SAE J2412和SAE J2527 方法的可靠性。老化試驗箱可靠性的驗證通過幾種技術(shù)來實現(xiàn)。
首先，必須證明老化試驗箱能夠符合指定的試驗條件。此項研究中.J2413使用了J2527的試驗條件。圖3顯示了一臺Atlas Ci65A的實際試驗參數(shù)變化.而圖4顯示了 Q-Lab Xe-3-HS的實際試驗參數(shù)變化。粗線代表設(shè)定值，細線表示在老化箱內(nèi)所測的實際值。
其次，需證明老化試驗箱中的標(biāo)準(zhǔn)參考材料的降解特性符合預(yù)期，重復(fù)性和再現(xiàn)性都必須達到要求。重復(fù)性指在同一試驗箱中運行多次，多次運行中標(biāo)準(zhǔn)參考材料降解程度的相同性。再現(xiàn)性是指在多個試驗箱中運行同一測試，不同設(shè)備中標(biāo)準(zhǔn)參考材料降解程度的相同性。在這一試驗中，使用聚苯乙烯薄片作為標(biāo)準(zhǔn)參考材料。聚苯乙烯薄片被SAE用作標(biāo)準(zhǔn)參考材料，關(guān)于其降解特性和誤差，SAE標(biāo)準(zhǔn)材料委員會有詳細說明。此次試驗使用了第6批(lot.6)聚苯乙烯薄片來驗證設(shè)備的重復(fù)性和再現(xiàn)性。
圖5和圖6分別提供了論證Atlas Ci65A和Q-Sun Xe-3-HS氙燈老化試驗箱的重復(fù)性的數(shù)據(jù)。圖7和圖8提供了論證3個Atlas Ci65A和3個Q-Sun Xe-3-HS試驗箱的再現(xiàn)性的數(shù)據(jù)。非常明顯地，兩種試驗箱都能夠滿足J2413的要求。
SAE J2413的最后要求內(nèi)容中，要求氙燈老化試驗箱的生產(chǎn)商能夠證明試驗箱內(nèi)的均勻性。箱體內(nèi)均勻性的完整比較試驗已經(jīng)完成，并于 2003年在捷克布拉格舉行的第一屆歐洲老化會議上公布了試驗結(jié)果。由 Fedor等人撰寫的論文“氙燈試驗箱內(nèi)的均勻性(旋轉(zhuǎn)式和平板式樣品架之間的比較)”，針對多種標(biāo)準(zhǔn)參考材料，做了大量試驗，并給出了測試結(jié)果分析，是迄今為止最為全面的試驗箱內(nèi)均勻性研究。
與此次研究相關(guān)的是，通過運行SAE J2527標(biāo)準(zhǔn)來考察Ci65A和 Q-Sun Xe-3-HS的均勻性。在他們的試驗中，在Ci65A中安裝了9個聚苯乙烯標(biāo)準(zhǔn)參考薄片的試樣，而在Q-Sun Xe-3-HS中安裝了48個試樣。每天測量顏色變化，并且記錄 Delta b*的數(shù)值。均勻性用變異系數(shù)的+2倍來表示，變異系數(shù)為標(biāo)準(zhǔn)偏差除以平均值。
他們的試驗顯示了旋轉(zhuǎn)式氙燈設(shè)備的均勻性范圍從+3%到±13%.而平板式氙燈設(shè)備的均勻性范圍從 ±3%到±8%。運行SAE J2527時. Ci65A的均勻性是±3%. Xe-3-HS的是±5%。
需要注意的是，均勻性值包含了標(biāo)準(zhǔn)參考材料本身的差異和測量誤差。
4性能基準(zhǔn)
論證不同構(gòu)造的氙燈老化設(shè)備能否產(chǎn)生相同的試驗環(huán)境條件，是運行以性能為基礎(chǔ)的標(biāo)準(zhǔn)的第一步。下一個問題是如何比較不同設(shè)計結(jié)構(gòu)的老化設(shè)備。一系列試驗試圖來探索這些不同的設(shè)計結(jié)構(gòu)是否會影響測試結(jié)果。
克萊斯勒選擇了37種材料，按照SAE J1960和J2527進行測試。每種樣品測試2個重復(fù)試樣，共148個試樣。這些材料包括：ASA. PP/PA 化合物、ABS. SMC. PET. PP. PA. ASA/ABS共擠材料、TPO及鋼板涂層。
該測試評估在巴斯夫汽車研發(fā)中心進行，該中心位于美國的 Southfield Ml。Southfield巴斯夫是 IS0 17025認證實驗室，此認證包括符合SAE J1960和J2527標(biāo)準(zhǔn)的要求。
樣品暴露總周期為2 500 KJ，每隔500 KJ對顏色和光澤進行評估。結(jié)果顯示，對于大多數(shù)材料，平板式和轉(zhuǎn)鼓式設(shè)備給出了可比較的結(jié)果，如圖9和圖10所示。有兩種材料給出了不同的結(jié)果，如圖11和圖12 所示。
當(dāng)用儀器測量(顏色和光澤)時，大多數(shù)樣品顯示了相似的降解特性，而目測時個別樣品顯示了有差異的降解性能。這主要體現(xiàn)在一些塑料樣品表面出現(xiàn)的變形程度，平板式樣品架上樣品的變形比轉(zhuǎn)鼓式樣品架上樣品的變形更大、更明顯。
5系統(tǒng)修正
以性能為基礎(chǔ)的第一輪測試的結(jié)果基本證明兩種設(shè)備可以產(chǎn)生相同的試驗環(huán)境條件。但是，有必要查清有些結(jié)果不完全一致的原因。因此，研究小組著手辨別這兩種老化設(shè)備的不同之處，列舉了一些可能導(dǎo)致試驗結(jié)果差異的原因。
首先研究了溫度。詳細檢查了黑板溫度計的結(jié)構(gòu)和位置。轉(zhuǎn)鼓式試驗箱安裝了黑色涂層鋼板，平板試驗箱安裝了陽極氧化鋁黑板。這兩種類型的黑板都能精確地測量溫度，試驗發(fā)現(xiàn)，它們加熱和冷卻的速率不同。由于該研究的主要目的是使平板式試驗箱提供的結(jié)果與轉(zhuǎn)鼓式試驗箱的相似性(而不是考慮與戶外測試結(jié)果的相關(guān)性).因此，使用與轉(zhuǎn)鼓式結(jié)構(gòu)相似的黑色涂層鋼板溫度探頭來改進平板式試驗箱。
接下來，研究小組開始設(shè)法研究個別樣品發(fā)生變化的情況。研究發(fā)現(xiàn)，樣品的實際條件有時與試驗箱控制器所顯示的條件是不相同的。
需要特別指出的是，在監(jiān)控某一塑料的實際表面溫度時發(fā)現(xiàn)，它們比黑色涂層鋼板加熱更快，并且溫度可高于設(shè)定值20℃。為了使平板試驗箱能像轉(zhuǎn)鼓試驗箱那樣作出反應(yīng)，其箱體空氣溫度探頭的位置和相對濕度傳感器的位置被重新安置。
最后檢查水噴淋系統(tǒng)。因為轉(zhuǎn)鼓式設(shè)備僅有一個噴嘴，當(dāng)樣品以 1 r/min的速率轉(zhuǎn)過噴嘴時，它們的實際噴淋時間每分鐘僅有3—5 s。該系統(tǒng)中樣品表面實際接受到的噴淋水很少，并且由于樣品垂直放置，噴淋水會很快地從樣板表面流失。
為了模擬這種低潮濕的噴淋環(huán)境，必須修改平板試驗箱的實驗程序以減少噴水量。在試驗開始時，平板式試驗箱每分鐘持續(xù)噴淋20s作為“噴淋時間”。因為此設(shè)置既能較好模擬自然潮濕條件又能節(jié)省儀器運行成本，故被選做默認設(shè)置。
通過對一些易受潮濕和溫度影響的材料進行一系列的試驗，確認了為模擬轉(zhuǎn)鼓式試驗箱的環(huán)境，在平板試驗箱的程序中，將噴淋時間調(diào)整到每分鐘內(nèi)僅持續(xù)5s時間。
6性能基準(zhǔn)一一第二輪測試
隨著對一些關(guān)鍵系統(tǒng)的徹底研究，并對一些參數(shù)作適當(dāng)修正，進行了以性能為基礎(chǔ)的另一輪測試。
應(yīng)用了早期研究中使用的相同氙燈設(shè)備。新的試驗樣品包括12個樣品，包括上輪試驗使用的樣品及另外8種對溫度和濕度敏感的樣品。
除了在上一輪試驗中有目測差異的涂層尼龍和ASA樹脂，另外增加了兩種Lurans材料和兩種 Ultramids材料，這兩種聚合物都具有高的導(dǎo)熱系數(shù)。最后，增加了另外兩種有涂層的鋼板樣品。
測試結(jié)果是明顯的。對于樣品，顏色和光澤的測量在第一輪測試和第二輪測試中保持相似。另外，在第一輪測試中呈現(xiàn)出差異的樣品，在第二輪測試中顯示的結(jié)果實際上是相同的(見圖13和圖 14)。值得注意的是，第一輪測試中的目測差異被消除了。
7結(jié)論
(1)某些材料的初輪測試結(jié)果顯示了一些差異。濕度和溫度參數(shù)的研究指出，是試驗箱設(shè)計的差畀導(dǎo)致了這些差異。這些設(shè)計上的差異是由于標(biāo)準(zhǔn)對曝露條件沒有進行精確描述造成的。
(2)一旦設(shè)計上的差異得以修改，則結(jié)果就會一致。
(3) 一系列的試驗指出，現(xiàn)在以性能為基礎(chǔ)的測試方法如果經(jīng)過改進，對溫度系統(tǒng)和水噴淋系統(tǒng)進行更精確的描述，那么這種測試方法將被大大改善。
(4)兩種在設(shè)計上存在很大差異的氙燈老化試驗箱(轉(zhuǎn)鼓試驗箱和平板試驗箱)對很多汽車外飾件材料給出了可比較的測試結(jié)果。這證明以性能為基礎(chǔ)的測試標(biāo)準(zhǔn)確實有效。
(5)現(xiàn)在，行業(yè)可以使用新型設(shè)計的實驗室老化試驗箱，并可以確信，如果標(biāo)準(zhǔn)制定適當(dāng)，試驗箱生產(chǎn)商能夠證實其設(shè)備能精確控制關(guān)鍵測試參數(shù)，那么無論使用什么型號的氙燈試驗箱，使用者都能獲得好的試驗數(shù)據(jù)。
國際標(biāo)準(zhǔn)組織，如ISO. ASTM 和SAE的堅持測試標(biāo)準(zhǔn)必須以性能為基礎(chǔ)的前瞻性政策是正確的。
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