耐候性試驗
Weathering Testing
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18566398802汽車工程協會(SAE)最近已批準了兩個新的以性能為基礎的耐候性測試方法(SAE J2412和SAE J2527)，以取代舊的以硬件為基礎的測試方法(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備的構造。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的氙燈加速測試方法，并證明新的氙燈測試設備用于汽車測試的有效性。
1背景
在1989年以前，汽車行業沒有一個專門的氙燈加速老化測試方法的國際標準。1989年，汽車工程協會 (SAE)發布了J1960“水冷式氙燈汽車外飾件加速暴露測試”和SAE J1885 “水冷式氙燈汽車內飾件加速暴露測試”兩項汽車材料耐候性測試標準。當時，SAE J1960和J1885有利于汽車制造商統一測試條件。但是，這些老化測試標準基于特定型號的設備構造，指定了某生產商的兩種型號設備。標準指定設備的要求產生了兩個主要的后果：
a.阻礙了技術發展，使得設備制造商沒有積極性去開發、生產更精確或更符合實際條件的老化試驗箱;
b.形成壟斷，導致測試設備價格與運行成本高昂。
汽車工業在許多領域引領世界，但在采用以性能為基礎的老化測試標準方面卻很滯后。在20世紀 90年代后期.SAE協會開始認識到老化測試標準中這一缺陷，最終發布了以下3個新的老化標準。
SAE J2527“氙燈汽車外飾件加速暴露測試”，是一個以性能為基礎的標準，取代J1960, 2003年10月發布。
SAE J2412“氙燈汽車內飾件加速暴露測試”，也是一個以性能為基礎的標準，取代J1885，2004年2月發布。
SAE J2413"檢驗新的氙燈測試設備性能的方法”，一種驗證氙燈老化設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 月發布。
新的以性能為基礎的老化標準和舊的以硬件為基礎的標準之間的主要差別是，刪除了所有指定生產商的內容，測試標準中涉及到生產商商標名稱的部分被通用的定義所取代。
改變之一是，測試中所用的光學過濾器已被重新定義。舊的以硬件為基礎的測試標準中，其光學過濾器要求“石英內過濾器和S型硼硅玻璃外過濾器”。測試標準中指定使用某一商標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生的光譜。在新的以性能為基礎的測試標準中，光學過濾器的商標名稱被刪除，取而代之的是對所需光譜功率分布 (SPD)的敘述。
在發布這3個新的測試標準之前.2002年初，克萊斯勒、巴斯夫和Q-Lab公司共同開發了一個測試方案，以驗證新的以性能為基礎的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，比較測試結果，得到關于兩種類型試驗箱的比較數據。兩種試驗箱是依照J1960運行的轉鼓式試驗箱 (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停產后，這個驗證的重要性變得更加明顯。因為 Ci65A已經停產，行業中不再能購買到任何符合舊的、以硬件為基礎的 SAE測試標準的氙燈老化試驗箱。
2設備
以前，多數氙燈試驗箱內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(見圖1).這個構造通常被稱作“轉鼓”系統。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(見圖2)。
兩種類型試驗箱的設計目標之一，是在整個測試箱內產生均勻的輻照度、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，調整所測樣品位置(自動或手動).以提高均勻性。轉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的老化標準，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來實現。
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的實際試驗參數變化.而圖4顯示了 Q-Lab Xe-3-HS的實際試驗參數變化。粗線代表設定值，細線表示在老化箱內所測的實際值。
其次，需證明老化試驗箱中的標準參考材料的降解特性符合預期，重復性和再現性都必須達到要求。重復性指在同一試驗箱中運行多次，多次運行中標準參考材料降解程度的相同性。再現性是指在多個試驗箱中運行同一測試，不同設備中標準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準參考材料。聚苯乙烯薄片被SAE用作標準參考材料，關于其降解特性和誤差，SAE標準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備的重復性和再現性。
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性的數據。圖7和圖8提供了論證3個Atlas Ci65A和3個Q-Sun Xe-3-HS試驗箱的再現性的數據。非常明顯地，兩種試驗箱都能夠滿足J2413的要求。
SAE J2413的最后要求內容中，要求氙燈老化試驗箱的生產商能夠證明試驗箱內的均勻性。箱體內均勻性的完整比較試驗已經完成，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果。由 Fedor等人撰寫的論文“氙燈試驗箱內的均勻性(旋轉式和平板式樣品架之間的比較)”，針對多種標準參考材料，做了大量試驗，并給出了測試結果分析，是迄今為止最為全面的試驗箱內均勻性研究。
與此次研究相關的是，通過運行SAE J2527標準來考察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個聚苯乙烯標準參考薄片的試樣，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*的數值。均勻性用變異系數的+2倍來表示，變異系數為標準偏差除以平均值。
他們的試驗顯示了旋轉式氙燈設備的均勻性范圍從+3%到±13%.而平板式氙燈設備的均勻性范圍從 ±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，均勻性值包含了標準參考材料本身的差異和測量誤差。
4性能基準
論證不同構造的氙燈老化設備能否產生相同的試驗環境條件，是運行以性能為基礎的標準的第一步。下一個問題是如何比較不同設計結構的老化設備。一系列試驗試圖來探索這些不同的設計結構是否會影響測試結果。
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標準的要求。
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。結果顯示，對于大多數材料，平板式和轉鼓式設備給出了可比較的結果，如圖9和圖10所示。有兩種材料給出了不同的結果，如圖11和圖12 所示。
當用儀器測量(顏色和光澤)時，大多數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。這主要體現在一些塑料樣品表面出現的變形程度，平板式樣品架上樣品的變形比轉鼓式樣品架上樣品的變形更大、更明顯。
5系統修正
以性能為基礎的第一輪測試的結果基本證明兩種設備可以產生相同的試驗環境條件。但是，有必要查清有些結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備的不同之處，列舉了一些可能導致試驗結果差異的原因。
首先研究了溫度。詳細檢查了黑板溫度計的結構和位置。轉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，試驗發現，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果與轉鼓式試驗箱的相似性(而不是考慮與戶外測試結果的相關性).因此，使用與轉鼓式結構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，研究小組開始設法研究個別樣品發生變化的情況。研究發現，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，在監控某一塑料的實際表面溫度時發現，它們比黑色涂層鋼板加熱更快，并且溫度可高于設定值20℃。為了使平板試驗箱能像轉鼓試驗箱那樣作出反應，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。因為轉鼓式設備僅有一個噴嘴，當樣品以 1 r/min的速率轉過噴嘴時，它們的實際噴淋時間每分鐘僅有3—5 s。該系統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噴淋20s作為“噴淋時間”。因為此設置既能較好模擬自然潮濕條件又能節省儀器運行成本，故被選做默認設置。
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，確認了為模擬轉鼓式試驗箱的環境，在平板試驗箱的程序中，將噴淋時間調整到每分鐘內僅持續5s時間。
6性能基準一一第二輪測試
隨著對一些關鍵系統的徹底研究，并對一些參數作適當修正，進行了以性能為基礎的另一輪測試。
應用了早期研究中使用的相同氙燈設備。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熱系數。最后，增加了另外兩種有涂層的鋼板樣品。
測試結果是明顯的。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出差異的樣品，在第二輪測試中顯示的結果實際上是相同的(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結論
(1)某些材料的初輪測試結果顯示了一些差異。濕度和溫度參數的研究指出，是試驗箱設計的差畀導致了這些差異。這些設計上的差異是由于標準對曝露條件沒有進行精確描述造成的。
(2)一旦設計上的差異得以修改，則結果就會一致。
(3) 一系列的試驗指出，現在以性能為基礎的測試方法如果經過改進，對溫度系統和水噴淋系統進行更精確的描述，那么這種測試方法將被大大改善。
(4)兩種在設計上存在很大差異的氙燈老化試驗箱(轉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果。這證明以性能為基礎的測試標準確實有效。
(5)現在，行業可以使用新型設計的實驗室老化試驗箱，并可以確信，如果標準制定適當，試驗箱生產商能夠證實其設備能精確控制關鍵測試參數，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據。
國際標準組織，如ISO. ASTM 和SAE的堅持測試標準必須以性能為基礎的前瞻性政策是正確的。
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