20世紀(jì)初期，研究人員通過(guò)把樣品放在豎立的、朝南的架子上在戶(hù)外進(jìn)行曝曬，對(duì)材料的耐候性能進(jìn)行評(píng)估。到了1908 年，美國(guó)材料實(shí)驗(yàn)協(xié)會(huì)(ASTM)D-1委員會(huì)和涂料制造協(xié)會(huì)開(kāi)始在新澤西州的大西洋城進(jìn)行涂料的戶(hù)外曝曬測(cè)試。為了縮短測(cè)試時(shí)間，他們使用了一種傾斜 45 度朝南的架子，以使更多的陽(yáng)光照射在樣品上。45 度角傾斜曝曬架是第一種戶(hù)外加速老化的方法。以后的幾十年里，加速老化的方法在不斷的改進(jìn)。到了20 世紀(jì) 30 年代，發(fā)明了一種簡(jiǎn)單的單軸的隨太陽(yáng)轉(zhuǎn)動(dòng)的裝置，它可從早到晚隨著太陽(yáng)轉(zhuǎn)動(dòng)。到了50年代，這種架子才開(kāi)始商業(yè)化生產(chǎn)。60 年代，又在這種裝置上加上反射鏡，使陽(yáng)光更多的集中到樣品上來(lái)加速老化。

Q -Trac自然太陽(yáng)光跟蹤聚能曝曬裝置

Q-Trac自然太陽(yáng)光跟蹤聚能曝曬裝置是一種先進(jìn)的雙軸自然加速老化試驗(yàn)機(jī)。它是一種戶(hù)外曝曬裝置，能自動(dòng)地從早到晚跟蹤太陽(yáng)，且能自動(dòng)補(bǔ)償因季節(jié)變化而引起的不同太陽(yáng)仰角的影響。同時(shí)，Q-Trac上的反射鏡可以把全光譜太陽(yáng)光集中到測(cè)試樣品上。這種跟蹤太陽(yáng)的日光聚集系統(tǒng)增加了照射到樣品上的陽(yáng)光能量。

Q-Trac是有效的戶(hù)外加速老化方法，測(cè)試期間，它可以在短時(shí)間內(nèi)對(duì)產(chǎn)品性能進(jìn)行評(píng)估。此外，與實(shí)驗(yàn)室加速老化試驗(yàn)裝置相比，Q-Trac無(wú)需考慮模擬光源是否與自然光匹配，因?yàn)槠涔庠幢旧砭褪亲匀惶?yáng)光。

盡管 Q-Trac僅在亞利桑那使用，但它可以真實(shí)模擬很多實(shí)際應(yīng)用環(huán)境。例如，佛羅里達(dá)南部的氣候條件可通過(guò)附加超純水噴淋來(lái)進(jìn)行模擬。Q-Trac快速、真實(shí)、可重復(fù)的測(cè)試結(jié)果使之成為一種引人關(guān)注的測(cè)試方法，適用于多種類(lèi)型的材料測(cè)試和應(yīng)用環(huán)境的模擬。

會(huì)聚自然太陽(yáng)光

反射鏡陣列

Q-Trac采用一列10個(gè)平面反射鏡來(lái)獲得單一曲面反射鏡的效果。這種類(lèi)型的反射鏡陣列叫做菲涅耳聚能器(Fresnel)。當(dāng)陽(yáng)光以接近90度角照射到這些反射鏡上，反射鏡會(huì)反射太陽(yáng)光，并會(huì)聚到樣品架上(如圖 1 所示)。

圖1. Q-Trac 是菲涅耳聚集器。陽(yáng)光被 10 個(gè)反射鏡反射后直接聚集到樣品架上

反射鏡陣列經(jīng)特殊設(shè)計(jì)，僅反射 6 度視角太陽(yáng)光，這保證了反射到樣品架上的光線是直射的光束，而非漫射(或散射)光。

Q-Trac 上的反射鏡反射性很強(qiáng)，且每隔一段時(shí)間 Q-Lab 的技術(shù)員，就會(huì)對(duì)其進(jìn)行清潔處理以保持其反射率。一旦某塊鏡面上在 310nm 處的光譜反射率低于 65%，就應(yīng)更換反射鏡。

太陽(yáng)跟蹤

單軸裝置:

20世紀(jì)60年代的單軸太陽(yáng)光跟蹤聚能曝曬裝置能自動(dòng)跟蹤太陽(yáng)的方位(或者說(shuō)是在一天中太陽(yáng)從東轉(zhuǎn)向西的運(yùn)動(dòng))變化。這種曝曬裝置從日出到日落水平的旋轉(zhuǎn)。因?yàn)榈厍?24 小時(shí)自轉(zhuǎn)一周，所以方位角每小時(shí)改變15 度。

為了全方位地跟蹤太陽(yáng)，對(duì)太陽(yáng)仰角或者說(shuō)太陽(yáng)與水平面之間的角度的跟蹤也很有必要。所以對(duì)于單軸裝置，每6-8周必須手動(dòng)調(diào)節(jié)高度。但因?yàn)樘?yáng)的仰角每天都會(huì)發(fā)生變化，單軸裝置不能夠一直保持會(huì)聚陽(yáng)光的較好位置。

雙軸裝置:

新的雙軸裝置能自動(dòng)跟蹤太陽(yáng)的方位角和仰角。為了跟蹤太陽(yáng)仰角，Q-Trac 垂直傾斜，同時(shí)調(diào)整太陽(yáng)隨季節(jié)發(fā)生的仰角變化和每天的方位變化。Q-Trac 連續(xù)、自動(dòng)地跟隨太陽(yáng)的方位角和仰角以保持太陽(yáng)光沿法線方向入射到反射鏡座，或者說(shuō)是鏡座垂直于太陽(yáng)光(如圖 2 所示)。

圖2． Q-Trac 不僅每天從早到晚跟蹤太陽(yáng)，而且為了補(bǔ)償太陽(yáng)仰角的變化而作季節(jié)性調(diào)整，使得儀器永遠(yuǎn)保持聚焦，樣品可接收到最大量的陽(yáng)光

Q-Trac的旋轉(zhuǎn)和傾斜運(yùn)動(dòng)，由安裝在樣品架上的感光探頭(太陽(yáng)能電池)來(lái)控制。感光探頭的一個(gè)元件控制水平旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，而另一元件控制傾斜運(yùn)動(dòng)。感光探頭的每一元件都裝備有一個(gè)內(nèi)置的遮光器。選擇好焦點(diǎn),感光探頭的兩個(gè)元件會(huì)得到均等照射,不會(huì)有任一個(gè)被遮擋。當(dāng)一個(gè)元件開(kāi)始被遮擋時(shí),Q-Trac 會(huì)自動(dòng)調(diào)整以保持位置適當(dāng)(如圖 3 所示)。

圖3．日光傳感器安裝在樣品架上，當(dāng)一個(gè)裝置被遮擋時(shí)，Q-Trac 會(huì)自動(dòng)調(diào)整裝置以保持聚焦方位。

亞利桑那晴朗無(wú)云，陽(yáng)光充足

Q-Trac僅在天空晴朗、陽(yáng)光充足的時(shí)候才能正常工作。為了使Q-Trac更有效地會(huì)聚陽(yáng)光，要求日照時(shí)間長(zhǎng)，云量少且光線散射小，同時(shí)空氣濕度也較低。通常來(lái)說(shuō)由一個(gè)6 度直射光輻照計(jì)測(cè)量直射光束的輻射能，Q-Trac工作時(shí)其值不能低于75%。甚至當(dāng)天空無(wú)云時(shí)，如果相對(duì)濕度很高，大量的陽(yáng)光也會(huì)發(fā)生散射，而直射光束的量很可能低于75%。在美國(guó)大陸的少數(shù)幾個(gè)曝曬場(chǎng)，能夠提供理想測(cè)試條件、陽(yáng)光充足、空氣濕度低的只有亞利桑那州的鳳凰城。它的相關(guān)氣候資料見(jiàn)附錄 A.2。

樣品的安裝和冷卻

樣品架

樣品架位于反射鏡陣列的正對(duì)面，是安裝樣品的區(qū)域。在 Q-Trac 上，樣品的最大長(zhǎng)度和寬度不能大于樣品架的長(zhǎng)度和寬度 60 英寸× 5.5 英寸(152.42 ×13.97厘米)。另外，樣品的厚度不得大于 0.5 英寸(13毫米)(如圖 4 和圖 5 所示)。

圖4. 樣品架位于反射鏡陣列的正對(duì)面，樣品朝向反射鏡，而非直接朝向太陽(yáng)

圖5.樣品被夾住并安裝在樣品架上。

樣品的安裝方式包括有背板、無(wú)背板和玻璃框下三種。當(dāng)把樣品直接安裝在樣品架上時(shí)，兩者之間沒(méi)有空隙，樣品被認(rèn)為是“有背板”。有背板樣品的溫度比無(wú)背板樣品的溫度要高。

空氣冷卻系統(tǒng)

從反射鏡陣列產(chǎn)生的高度會(huì)聚的陽(yáng)光可在樣品架上產(chǎn)生高溫。為了使樣品保持一個(gè)適當(dāng)?shù)臏囟惹曳乐篃釗p失，樣品架安裝在一個(gè)空氣冷卻槽的下面。當(dāng)空氣被強(qiáng)制通過(guò)冷卻槽時(shí)，一個(gè)空氣導(dǎo)向裝置使大量空氣通過(guò)樣品表面(如圖6 所示)。大部分Q-Trac測(cè)試樣品的溫度與曝曬在傳統(tǒng)戶(hù)外測(cè)試架上的相比，大約相差 10°C 以?xún)?nèi)。

圖6．大量空氣被強(qiáng)制通過(guò)空氣冷卻槽，并轉(zhuǎn)向通過(guò)樣品表面

當(dāng)電力不足或氣流不足的情況下，一個(gè)自動(dòng)防故障裝置的離合器會(huì)自動(dòng)釋放，重力使Q-Trac自然太陽(yáng)光聚集器脫離聚焦，避免樣品過(guò)熱。

潮濕模擬：程控噴淋循環(huán)

有些測(cè)試要求水噴淋循環(huán)來(lái)有效的模擬實(shí)際應(yīng)用環(huán)境。用 Q-Trac微處理器控制的水噴淋循環(huán)可真實(shí)模擬熱沖擊和/或夜間潮濕(露水)。

用 4 個(gè)距樣品架大約18英寸的噴嘴來(lái)噴淋高純度水(如圖7所示)。噴嘴往測(cè)試材料上均勻噴水，流速在0.20-0.25 GPM (0.7569-0.9461 LPM)之間。

圖7. 四個(gè)噴嘴以0.0-0.5GPM的速率往樣品上噴淋高純度水。

晚上，Q-Trac旋轉(zhuǎn)到 5 度倒置鎖定位置，此時(shí)樣品朝上(如圖8所示)。這一重要設(shè)計(jì)使樣品整晚處于潮濕狀態(tài)，且真實(shí)模擬佛羅里達(dá)南部的潮濕時(shí)間(TOW)。老式單軸裝置，沒(méi)有5 度倒置功能，顯著減少了樣品的潮濕時(shí)間。

圖 8. 在5 度倒置鎖定位置模擬夜晚樣品表面上的露水形成,鎖定位置便于樣品安裝和測(cè)量。

用于 Q-Trac噴淋循環(huán)的水經(jīng)過(guò)反滲透和去離子凈化處理。高溫會(huì)引起不純的水腐蝕樣品表面。另外，不純的水會(huì)在樣品上形成污染沉積物。由腐蝕和污染物會(huì)引起通常在戶(hù)外曝曬時(shí)不會(huì)發(fā)生的結(jié)果。作為預(yù)防措施，在Q-Lab亞利桑那，水質(zhì)需要定期檢查。

模擬佛羅里達(dá)曝曬

在佛羅里達(dá)南部，潮濕在加速材料老化的過(guò)程中起關(guān)鍵性的作用。通過(guò)把測(cè)試樣品曝曬在白天和夜間的水噴淋循環(huán)中，Q-Trac 自然太陽(yáng)光聚集器可以模擬亞熱帶條件的影響。有兩個(gè)循環(huán)用來(lái)模擬佛羅里達(dá)南部氣候條件：噴淋循環(huán)-1和噴淋循環(huán)-2。

噴淋循環(huán)-1

白天，Q-Trac向被測(cè)樣品每小時(shí)噴淋8 分鐘。晚上，Q-Trac反轉(zhuǎn)到 5 度鎖定位置。晚上9 點(diǎn)、午夜及凌晨3點(diǎn)分別向樣品噴淋8 分鐘以模擬露水的形成。噴淋循環(huán)-1特別適合于建筑材料、粘合劑和一些塑料制品的測(cè)試(如圖9所示)。

圖 9. 水噴淋循環(huán)用于模擬如佛羅里達(dá)南部地區(qū)的氣候條件。

噴淋循環(huán)-: 夜間濕潤(rùn)

夜晚，水噴淋循環(huán)是：噴淋3 分鐘后停止12分鐘，每小時(shí)重復(fù)4 次，每晚整個(gè)過(guò)程從晚上7 點(diǎn)持續(xù)到早上 5 點(diǎn)。在白天，不進(jìn)行噴淋。噴淋循環(huán)-2 特別適合于一些涂料測(cè)試。

測(cè)試時(shí)間的確定

有很多方法可用來(lái)確定Q-Trac的測(cè)試時(shí)間。當(dāng)參照物的變化達(dá)到預(yù)先設(shè)定的程度，即取出試樣?；蛘弋?dāng)試樣本身的性能(如光澤，顏色)下降到預(yù)先設(shè)定的程度來(lái)確定測(cè)試時(shí)間。Q-Lab推薦根據(jù)累計(jì)的紫外線曝曬量來(lái)規(guī)定測(cè)試時(shí)間，雖然規(guī)定測(cè)試時(shí)間也應(yīng)考慮總的太陽(yáng)光輻射曝曬。

累計(jì)的紫外線曝曬量

.以累計(jì)的紫外線曝曬量來(lái)規(guī)定測(cè)試時(shí)間，我們推薦這一方法的原因是，太陽(yáng)光中的紫外線通常是引起材料老化的主要原因。通常，試驗(yàn)的終點(diǎn)由佛羅里達(dá)(亞熱帶)或亞利桑那(干旱地區(qū))的等效太陽(yáng)年確定。等效太陽(yáng)年以多年實(shí)際的日照測(cè)量數(shù)據(jù)的平均值為基礎(chǔ)(如表1所示)。

每年，Q-Trac將產(chǎn)生大約1420 MJ/m2的總紫外線輻射。這一數(shù)值大約是在佛羅里達(dá)(亞熱帶)測(cè)試5 年多累計(jì)的紫外線輻射，或是在亞利桑那(干旱地區(qū))測(cè)試 4.25年累計(jì)的紫外線輻射量(如圖10 所示)。但這并不意味著Q-Trac在一年測(cè)試中使樣品發(fā)生的降解是在佛羅里達(dá)必須要測(cè)試5 年才能達(dá)到相同結(jié)果。像所有的加速老化測(cè)試，加速老化程度與許多因素相關(guān)，如材料的成分，發(fā)生降解的模式，溫度響應(yīng)和潮濕等。然而一般來(lái)說(shuō)，人們可期望Q-Trac的加速老化速度大約是佛羅里達(dá)進(jìn)行自然曝曬的 3 到 10 倍。

輻照量的測(cè)量

到達(dá)樣品架上的輻照量不能直接測(cè)量。正確的做法應(yīng)該是：照射在反射鏡上的太陽(yáng)能乘以反射鏡的數(shù)量，再乘以反射鏡的平均反射率來(lái)計(jì)算累計(jì)的輻照量。

一個(gè)特別設(shè)計(jì)的，太陽(yáng)跟蹤裝置連續(xù)監(jiān)測(cè)接近法線入射處的太陽(yáng)能。跟蹤裝置裝備有一個(gè)正入射直射光輻照計(jì)中度計(jì)(NIP)和兩個(gè)Eppley全紫外線輻射計(jì)(TUVR)(如圖11所示)。

僅測(cè)量紫外線

兩個(gè) Eppley TUVR測(cè)量太陽(yáng)光譜中的紫外線部分(295-385nm)。一個(gè)TUVR 裝備有一個(gè)黑色的遮蔽盤(pán)，僅用來(lái)測(cè)量散射光線。另一個(gè) TUVR測(cè)量整個(gè)180度的區(qū)域，既包括直射光束又包括散射光線。遮蔽的和未遮蔽的TUVR之間的差值表明有多少直射的紫外線照射到Q-Trac的每個(gè)反射鏡上。這一數(shù)據(jù)是計(jì)算累計(jì) TUV 量的基礎(chǔ)。

測(cè)量紫外線、可見(jiàn)光和紅外線

一個(gè)法線入射中度計(jì)(NIP)測(cè)量總的直射光束輻射(295-3000nm)。NIP可觀測(cè) 6 度視角范圍，并利用一個(gè)準(zhǔn)直管來(lái)排除散射光。對(duì)總的輻射能的計(jì)算同計(jì)算總的紫外線輻射相類(lèi)似。

凍融循環(huán)或硬質(zhì)纖維板 ( ASTM D57 )

白天，按照 ASTM G90，Procedure B，Cycle 1 曝曬樣品。傍晚，整個(gè)試驗(yàn)架(包括樣品)從 Q-Trac 中取出。樣品被浸入去離子水箱中浸泡 1 小時(shí)，溫度保持在 21°C ± 3°C (70°F ± 5°F)。浸泡以后，將此試驗(yàn)架(包括樣品)放在一個(gè)冷凍裝置中(溫度保持 -18°C [0°F ] )放置 12 個(gè)小時(shí)。

第二天早上，樣品在實(shí)驗(yàn)室室溫條件下解凍，此解凍過(guò)程最少需要1小時(shí)。試驗(yàn)架(包括樣品)重新安裝在 Q-Trac上，以進(jìn)行下一天的戶(hù)外曝曬。這種循環(huán)被用來(lái)快速且精確地評(píng)價(jià)涂層的耐候性，如涂層的開(kāi)裂、起皮及片狀剝落等。

總結(jié)

自然太陽(yáng)光跟蹤聚能曝曬裝置自20世紀(jì) 60年代被用于自然戶(hù)外加速老化試驗(yàn)。Q-Trac自然太陽(yáng)光跟蹤聚能曝曬裝置是一種先進(jìn)的雙軸裝置。它從早到晚持續(xù)跟蹤太陽(yáng)且自動(dòng)補(bǔ)償太陽(yáng)仰角因季節(jié)變化引起的影響。反射鏡陣列把陽(yáng)光高度聚集到測(cè)試樣品上。一年內(nèi)，Q-Trac樣品接收到的紫外線的總量是在佛羅里達(dá)的5倍。這使得對(duì)產(chǎn)品的測(cè)量周期大大縮短。

因?yàn)?Q-Trac在陽(yáng)光充足的時(shí)候能最有效地會(huì)聚陽(yáng)光，所以它僅適合在亞利桑那州的鳳凰城地區(qū)使用，鳳凰城的氣候條件是最適合的。在白天或夜間，水噴淋循環(huán)都能使樣品變濕以模擬不同的實(shí)際應(yīng)用條件。晚上，Q-Trac 旋轉(zhuǎn)到 5 度倒置鎖定位置，此處能提供更長(zhǎng)的、更符合實(shí)際的潮濕時(shí)間。