紫外老化试验箱核心技术原理全解析

一、 核心设计理念：人工加速与模拟

自然界的户外老化是缓慢的（以年为单位），影响因素复杂且不可控。紫外老化箱的核心思想是：

1. 抓住主要矛盾：聚焦对高分子材料破坏力强的紫外光谱和水（潮湿）两大因素。

2. 强化与加速：通过增强紫外光强度、提高温度、增加凝露/喷淋频率，在实验室条件下创造出比自然环境更严酷但可控的条件，从而在几百到几千小时内模拟出户外数月甚至数年的老化效果。

二、 核心技术系统解析

1. 光源系统：模拟与破坏的核心

这是设备的“心脏"，决定了测试的准确性和针对性。

• 灯管类型：

• 光谱：发射的短波紫外线（峰值为313nm）能量更强，且包含自然光中没有的低于295nm的强破坏性紫外线。

• 应用：提供大程度的加速老化，用于筛选配方、质量控制和耐久性材料测试，但可能与实际户外老化的相关性略差。

• 光谱：主要发射340nm及以上的长波紫外线，其光谱能量分布与太阳光在295nm-365nm范围内的部分高度吻合。

• 应用：常用，用于模拟户外日光老化，评估材料的耐黄变、物理性能下降（如拉伸强度、断裂伸长率）等。

• UVA灯管（FS-40, UVA-340等）：

• UVB灯管（UVB-313/FS-40等）：

• 其他：金属卤素灯、氙弧灯（虽常用在氙灯老化箱，但部分紫外箱也借鉴）可提供更完整的全光谱模拟。

• 技术要点：

• 光谱匹配度：灯管的光谱分布是选择的首要依据，必须与测试目的和材料最终使用环境匹配。

• 灯管排列与均匀性：灯管在样品表面的排列方式（通常为顶部平行排列）和距离设计，确保样品表面辐照度均匀。

2. 辐照度控制系统：稳定与可重复的关键

这是实现精确加速和结果可比性的“大脑"。

• 辐照度传感器：通常采用紫外线强度探头，实时监测样品表面的紫外光强度。

• 闭环反馈控制：

1. 设定值：用户根据测试标准（如ISO 4892, ASTM G154）设定一个辐照度水平（例如，0.76 W/m² @ 340nm）。

2. 实时监测：传感器持续测量。

3. 自动调节：当灯管因老化导致输出下降时，控制系统会自动增加灯管的供电功率，以维持设定的辐照度恒定。

4. 灯管寿命管理：当功率增至上限仍无法达标时，提示更换灯管。

• 意义：该技术解决了传统定时更换灯管法导致的测试条件波动问题，保证了不同批次、不同时间测试结果的高度可重复性和可比性。

3. 温度控制系统：催化反应的能量来源

温度是老化反应的“催化剂"。紫外老化箱精确控制两种温度：

• 黑板温度（BPT）：

• 定义：一个涂有黑色吸热涂层的金属板表面的温度，用于模拟材料在户外阳光下吸收热量后达到的高表面温度。

• 控制：通过独立的传感器和加热/冷却系统进行精确控制。测试标准中规定的温度通常是黑板温度。

• 箱体空气温度：

• 箱内环境空气的温度，通常低于黑板温度。通过循环风扇、加热器和制冷系统（通常为压缩机制冷）进行调节。

• 技术要点：精确的PID温度控制算法和高效的制冷系统，确保在持续紫外发热下也能快速稳定在设定温度。

4. 潮湿模拟系统：水解与物理应力的来源

水是除紫外线外的另一大破坏因素，模拟方式有两种：

• 冷凝（凝露）功能：

• 原理：在测试的黑暗或低温循环中，通过加热试验箱底部水盘产生水蒸气，使相对湿度达到100%。当湿热蒸汽遇到温度相对较低的样品表面时，会凝结形成均匀的水膜。

• 模拟对象：模拟户外夜间或清晨的结露现象。这种静态、持久的液态水接触能有效地诱发材料的水解、渗透和膨胀应力。

• 喷淋（雨淋）功能：

• 原理：在测试过程中（通常与光照周期结合），通过安装在箱内的喷嘴向样品表面喷射一定压力的去离子水或纯水。

• 模拟对象：模拟雨水冲刷、热冲击和机械侵蚀。对涂层、外墙材料等测试尤为重要，可以模拟雨水造成的热应力、腐蚀和清洗/侵蚀效应。

三、 材料老化机理与设备模拟的对应关系

四、 测试循环编程与标准

现代紫外老化箱的核心是灵活可编程的测试循环。用户可以根据测试标准或自定义需求，设置不同的光照、冷凝、喷淋、黑暗阶段的时长和顺序。例如：

• 常见循环：8小时UV照射（高温） + 4小时冷凝（无光照，高湿），如此循环。

• 标准遵循：设备设计严格遵循ASTM、ISO、SAE、GB 等国际或国家标准的测试方法。

总结与选型要点

紫外老化试验箱并非简单地“用紫外线照射"。其核心技术是一个集成了光谱模拟、精确辐照控制、多因素耦合（温度、湿度）的闭环环境模拟系统。

在选择和使用时需关注：

1. 光谱匹配：根据测试材料和目的（是相关性还是大加速）选择UVA或UVB灯管。

2. 辐照度控制：必须选择具备自动闭环辐照度控制的机型。

3. 温度精度：关注黑板温度的控制范围和精度。

4. 潮湿模拟：明确是否需要冷凝、喷淋或两者都需要。

5. 标准符合性：设备能否满足目标测试标准的要求。

6. 均匀性与重复性：这是评估设备性能的根本指标。

通过理解以上核心技术原理，用户就能更科学地操作设备、设计测试方案，并合理解读测试数据，从而准确预测产品的户外耐久性。