摘要：本文詳細(xì)解讀了IE 68-2-5:1975標(biāo)準(zhǔn)。介紹了材料耐候性老化測(cè)試原理，包括戶(hù)外老化及氙燈加速老化測(cè)試原理，從光譜的定義、光強(qiáng)的設(shè)定、溫度及濕度控制等幾個(gè)方面對(duì)IEC 68-2-5:1975標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分析。最后指出該標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)局限性及建議如何執(zhí)行該標(biāo)準(zhǔn)。
關(guān)鍵詞：IEC 68-2-5；戶(hù)外老化；Q-Sun氙燈試驗(yàn)箱；老化測(cè)試；GB/T2423.24； GB/T2424.14；GB/T5170.9
IEC 68-2-5:1975《實(shí)驗(yàn)方法Sa:地面太陽(yáng)輻射模擬》是國(guó)際電工委員會(huì)的一個(gè)環(huán)境測(cè)試實(shí)驗(yàn)方法。目前有很多電子行業(yè)在引用這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)材料或產(chǎn)品進(jìn)行耐候老化測(cè)試，其中包括空調(diào)、洗衣機(jī)、電腦、電視、手機(jī)、耳機(jī)、廚衛(wèi)器、太陽(yáng)能等電工電子產(chǎn)品。
很多廣泛使用的國(guó)標(biāo)也引用了該標(biāo)準(zhǔn)，如GB/T2423.24-1995《電工電子產(chǎn)品環(huán)境實(shí)驗(yàn)第2部分：實(shí)驗(yàn)方法實(shí)驗(yàn)Sa:模擬地面上的太陽(yáng)輻射》，GB/T2424.14-1995《電工電子產(chǎn)品環(huán)境實(shí)驗(yàn)第2部分：實(shí)驗(yàn)方法太陽(yáng)輻射實(shí)驗(yàn)導(dǎo)則》，GB/T5170.9-1996《電工電子產(chǎn)品環(huán)境實(shí)驗(yàn)設(shè)備基本參數(shù)檢定方法太陽(yáng)輻射實(shí)驗(yàn)設(shè)備》等。
該標(biāo)準(zhǔn)廣泛用于電子電工產(chǎn)品的耐候性測(cè)試，主要利用氙燈光源，來(lái)加速模擬材料和產(chǎn)品在大氣環(huán)境下，因光照等因素的作用而產(chǎn)生的破壞。在解讀該標(biāo)準(zhǔn)之前，有必要了解大氣環(huán)境如何對(duì)材料和電子電工產(chǎn)品產(chǎn)生破壞的。
1.1戶(hù)外老化因素
老化損害主要由3個(gè)因素引起：光照，高溫和潮濕。這3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。
1.1.1光照
高分子材料的化學(xué)鍵對(duì)太陽(yáng)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(yáng)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。然而，對(duì)于某些顏料和染料，長(zhǎng)波段紫外線甚至可見(jiàn)光也會(huì)對(duì)其產(chǎn)生破壞，造成變色或褪色。
1.1.2高溫
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。
1.1.3潮濕
水會(huì)直接參與材料老化反應(yīng)。露水，雨水及濕度是自然條件中水的幾個(gè)主要表現(xiàn)形式。研究表明，戶(hù)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)）2]。而露水是戶(hù)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。對(duì)于戶(hù)內(nèi)用材料，一般只考慮相對(duì)濕度的影響。
1.2氙燈加速老化測(cè)試
1.2.1陽(yáng)光模擬
氙燈試驗(yàn)箱]可產(chǎn)生紫外線，可見(jiàn)光和紅外線，能夠很好地模擬全光譜太陽(yáng)光。
氙燈產(chǎn)生的光譜用于測(cè)試前必須經(jīng)過(guò)過(guò)濾，減少不需要的部分紫外光譜。使用不同類(lèi)型的玻璃濾光器可以得到不同的光譜。濾光器的使用取決于被測(cè)材料和產(chǎn)品最終使用條件。不同的過(guò)濾器過(guò)濾的紫外線的短波段的截止點(diǎn)不同，這將在很大程度上影響老化的速度和類(lèi)型。有三類(lèi)經(jīng)常使用的濾光器：日光過(guò)濾器，窗玻璃過(guò)濾器，紫外延展過(guò)濾器，其中日光過(guò)濾器可用來(lái)模擬戶(hù)外直射太陽(yáng)光。
1.2.2輻照度控制
最新的氙燈試驗(yàn)箱需裝備有輻照度控制系統(tǒng)，Q-Lab公司的Q-Sun氙燈試驗(yàn)箱使用的是太陽(yáng)眼閉環(huán)控制系統(tǒng)，來(lái)提供穩(wěn)定的光照強(qiáng)度。在氙燈測(cè)試系統(tǒng)內(nèi)，輻照度控制非常重要。氙燈光譜范圍從295nm延伸到3000nm,最新的標(biāo)準(zhǔn)中要求，光強(qiáng)的控制基于點(diǎn)控制（如IS0 11341-2004，ASTM G155-05a，IS0 4892-2:2003等），控制，點(diǎn)的選擇則基于模擬環(huán)境和檢測(cè)材料性能的不同，對(duì)于戶(hù)外環(huán)境，檢測(cè)材料的物理性能，一般采用340nm控制點(diǎn)；而對(duì)于室內(nèi)環(huán)境，檢測(cè)材料的變色和褪色，一般采用420nm控制點(diǎn)。
1.2.3溫度控制
氙燈測(cè)試設(shè)備中，溫度的控制很也重要，因?yàn)闇囟扔绊懖牧侠匣乃俾?。氙燈試?yàn)箱一般是通過(guò)黑板溫度計(jì)或黑標(biāo)溫度計(jì)來(lái)精確控制樣品表面溫度。有些型號(hào)的氙燈試驗(yàn)箱還能同時(shí)控制箱體空氣溫度，以達(dá)到全面的曝曬環(huán)境溫度控制。
1.2.4潮濕模擬
氙燈試驗(yàn)箱可以通過(guò)水噴淋或濕度控制系統(tǒng)來(lái)模擬潮濕的影響。水噴淋可以模擬雨水對(duì)戶(hù)外產(chǎn)品的熱沖擊和應(yīng)力腐蝕。濕度會(huì)影響某些戶(hù)內(nèi)物品（比如某些紡織品或油墨等）發(fā)生老化的類(lèi)型和速度，在此類(lèi)材料的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)中都建議控制相對(duì)濕度。
結(jié)合第1部分幾個(gè)方面的描述，我們從光譜、輻照度、溫度和濕度等方面來(lái)分析IEC 68-2-5:1975標(biāo)準(zhǔn)對(duì)測(cè)試條件的要求。
2.1光譜的定義
該標(biāo)準(zhǔn)的3.1節(jié)對(duì)實(shí)驗(yàn)箱中光譜的闡述：從280nm到3000nm波長(zhǎng)范圍內(nèi)，輻照度為1.120kW/m2士10%。同時(shí)指出，對(duì)光譜的要求見(jiàn)IEC 68-2-9)標(biāo)準(zhǔn)，而IEC68-2-9標(biāo)準(zhǔn)的2.1節(jié)中指出光譜的描述援引CIE No.20對(duì)標(biāo)準(zhǔn)太陽(yáng)光光譜的定義。CIE No.20已于1989年被CIE No.85)所替代?；诋?dāng)時(shí)的技術(shù)條件，沒(méi)有對(duì)太陽(yáng)光譜作更細(xì)致的描述。CIE No.85中，以5nm或10nm為間隔，更精確地描述了太陽(yáng)光的光譜，特別是UV波段光譜。如本文中1.1.1和1.2.1節(jié)所示，紫外部分光譜的微小差異會(huì)給材料的老化性能測(cè)試結(jié)果帶來(lái)很大的差別。而該標(biāo)準(zhǔn)中的光譜分布定義過(guò)于粗略(見(jiàn)下表1)，例如在UVB波段0.28~0.32m,輻照度的強(qiáng)度為5W/m2,容差高達(dá)士35%，而且沒(méi)有明確光譜中紫外截止點(diǎn)。而CIE No.85中，明確描述太陽(yáng)光的截止點(diǎn)為0.295um(295nm),以5nm為間隔分別給出了各點(diǎn)的光強(qiáng)。
考慮到CIE No.20已被CIE No.85光譜所替代，所以我們?cè)趫?zhí)行標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，應(yīng)采用CIE No.85的光譜，并使用日光過(guò)濾器來(lái)過(guò)濾氙燈光源，實(shí)現(xiàn)對(duì)該標(biāo)準(zhǔn)對(duì)光源的要求。日光過(guò)濾器是用來(lái)模擬戶(hù)外直射太陽(yáng)光最常用的氙燈過(guò)濾系統(tǒng)，經(jīng)日光過(guò)濾器過(guò)濾的氙燈光源，最接近實(shí)際的戶(hù)外光照環(huán)境，其光譜與太陽(yáng)光光譜之間的比較如圖1所示。因?yàn)?80nm或800nm以上的紅外光譜對(duì)于高分子材料的作用僅為熱效應(yīng)，在有黑板溫度控制的條件下，紅外光譜往往不被考慮。因此，新的光譜曲線一般僅描述紫外和可見(jiàn)光部分。
2.2 光強(qiáng)設(shè)定
IEC 68-2-5:1975中，對(duì)光強(qiáng)的設(shè)定采用的是總光強(qiáng)的設(shè)定，在280nm到3000nm波長(zhǎng)范圍內(nèi)，輻照度是1.120kW/m2士10%。然而這種光強(qiáng)的定義沒(méi)有考慮到不同波段光線對(duì)材料老化的差異性，即波長(zhǎng)越短對(duì)材料的破壞力越強(qiáng)。士112W/m的容差要求如果集中在短波長(zhǎng)部分將帶來(lái)幾倍至幾十倍的老化結(jié)果差異，而對(duì)于紅外波段，其老化結(jié)果的差異可以忽略不計(jì)。
新的標(biāo)準(zhǔn)中大多采用了定點(diǎn)控制的方法，即采用340nm或420nm定點(diǎn)控制，考慮到IEC 68-2-5:1975模擬的是戶(hù)外直射陽(yáng)光，我們建議使用340nm點(diǎn)控制，而光強(qiáng)則采用CIE No.85中340nm點(diǎn)的光強(qiáng)，即0.68W/m2@340nm。注意的是，CIE No.85中的光譜是夏天中午的太陽(yáng)光光譜，所以該光強(qiáng)設(shè)定較通常條件光強(qiáng)高很多。為提高實(shí)驗(yàn)結(jié)果與實(shí)際條件的相關(guān)性，很多標(biāo)準(zhǔn)46通常采用較小的輻照度，如0.55W/m2@340nm或更小。
2.3 溫度控制
IEC68-2-5:1975標(biāo)準(zhǔn)的4.4節(jié)中指出，在光照循環(huán)期間，箱體溫度（the temperature within the enclosure)為40C或55C。在黑暗循環(huán)期間，箱體溫度為25℃，但標(biāo)準(zhǔn)中沒(méi)有明確箱體內(nèi)的溫度，指的是箱體內(nèi)的空氣溫度還是箱體內(nèi)的黑板溫度或黑標(biāo)溫度。從歷史技術(shù)背景和溫度的設(shè)定值來(lái)看，此處的溫度應(yīng)該指的是箱體空氣溫度，我們可以考慮選用相同的箱體空氣溫度來(lái)執(zhí)行此標(biāo)準(zhǔn)。
然而相比箱體空氣溫度，黑板或黑標(biāo)溫度更能代表樣品表面實(shí)際溫度。如有可能建議將標(biāo)準(zhǔn)中的箱體空氣溫度設(shè)定改為黑板或黑標(biāo)溫度設(shè)定。光強(qiáng)為0.68W/m2@340nm,設(shè)定40℃箱體空氣溫度時(shí)，顯示的黑板溫度比設(shè)定的箱體空氣溫度高約30℃，黑標(biāo)溫度高約40℃。設(shè)定55℃箱體空氣溫度時(shí)，情況也是類(lèi)似。可見(jiàn)樣品的溫度要比標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)的“箱體溫度”高很多。
2.4 濕度
IEC 68-2-5:1975標(biāo)準(zhǔn)中既沒(méi)有提及對(duì)相對(duì)濕度的控制也沒(méi)有涉及到運(yùn)行噴淋循環(huán)。執(zhí)行該標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，可以不控制相對(duì)濕度。通常條件下，沒(méi)有加濕裝置的氙燈設(shè)備中，其相對(duì)濕度較低，一般情況下小于30%。
對(duì)于暴露于雨、露等戶(hù)外條件或戶(hù)內(nèi)高濕條件下的產(chǎn)品，測(cè)試時(shí)則需要考慮濕度和噴淋條件。
IEC 68-2-5:1975標(biāo)準(zhǔn)在電子行業(yè)應(yīng)用很廣泛，執(zhí)行該標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，可采用：Daylight-Q日光過(guò)濾器，0.68W/m2@340nm的輻照度，光照循環(huán)時(shí)箱體空氣溫度設(shè)定為40℃或55℃，黑暗循環(huán)時(shí)箱體空氣溫度設(shè)定為25℃。
但因?yàn)樵摌?biāo)準(zhǔn)發(fā)布于1975年，且至今未作更新，在技術(shù)方面存在一定的局限性。如有可能建議作以下修改，選擇CIE No.85光譜，Daylight-Q日光過(guò)濾器，0.55W/m2@340nm的輻照度，選擇合適的黑板溫度并加入水噴淋循環(huán)或/和相對(duì)濕度控制。
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