0 　IEC 68-2-5 :1975 標(biāo)準(zhǔn)背景及其廣泛性

IEC 68-2-5 :1975《實(shí)驗(yàn)方法Sa :地面太陽輻射模擬》是國際電工委員會(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)電器、太陽能等電工電子產(chǎn)品。

很多廣泛使用的國標(biāo)也引用了該標(biāo)準(zhǔn),如GB/ T 2423. 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 : 模擬地面上的太陽輻射》, GB/ T 2424. 14-1995《電工電子產(chǎn)品環(huán)境實(shí)驗(yàn)第2 部分:實(shí)驗(yàn)方法太陽輻射實(shí)驗(yàn)導(dǎo)則》, GB/ T 5170. 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 　材料耐候性老化測(cè)試原理

1. 1 　戶外老化因素

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))  。而露水是戶外潮濕的主要原因。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 　陽光模擬

氙燈試驗(yàn)箱 可產(chǎn)生紫外線,可見光和紅外線,能夠很好地模擬全光譜太陽光。

氙燈產(chǎn)生的光譜用于測(cè)試前必須經(jīng)過過濾,減少不需要的部分紫外光譜。使用不同類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。不同的過濾器過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型。有三類經(jīng)常使用的濾光器:日光過濾器,窗玻璃過濾器,紫外延展過濾器,其中日光過濾器可用來模擬戶外直射太陽光。

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)箱使用的是太陽眼閉環(huán)控制系統(tǒng),來提供穩(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295 nm 延伸到3 000 nm ,最新的標(biāo)準(zhǔn)中要求,光強(qiáng)的控制基于點(diǎn)控制(如ISO 11341- 2004 , ASTM G 155-05a , ISO 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)于戶外環(huán)境,檢測(cè)材料的物理性能,一般采用340 nm 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420 nm 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)箱一般是通過黑板溫度計(jì)或黑標(biāo)溫度計(jì)來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)箱可以通過水噴淋或濕度控制系統(tǒng)來模擬潮濕的影響。水噴淋可以模擬雨水對(duì)戶外產(chǎn)品的熱沖擊和應(yīng)力腐蝕。濕度會(huì)影響某些戶內(nèi)物品(比如某些紡織品或油墨等) 發(fā)生老化的類型和速度,在此類材料的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)中都建議控制相對(duì)濕度。

2IEC 68-2-5 :1975 標(biāo)準(zhǔn)的解讀

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 280 nm 到3 000 nm 波長(zhǎng)范圍內(nèi), 輻照度為1. 120 kW/ m² ±10 %。同時(shí)指出,對(duì)光譜的要求見 IEC 68-2-9 標(biāo)準(zhǔn),而IEC 68-2-9 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)太陽光光譜的定義。CIE No. 20 已于1989 年被CIE No. 85 所替代。基于當(dāng)時(shí)的技術(shù)條件,沒有對(duì)太陽光譜作更細(xì)致的描述。CIE No. 85 中,以5 nm 或 10 nm為間隔,更精確地描述了太陽光的光譜,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)果帶來很大的差別。而該標(biāo)準(zhǔn)中的光譜分布定義過于粗略(見下表1) ,例如在UVB 波段 0. 28～0. 32μm ,輻照度的強(qiáng)度為5 W/ m² ,容差高達(dá)±35 % ,而且沒有明確光譜中紫外截止點(diǎn)。而 CIE No. 85 中, 明確描述太陽光的截止點(diǎn)為 0. 295μm(295 nm) ,以5 nm 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,并使用日光過濾器來過濾氙燈光源,實(shí)現(xiàn)對(duì)該標(biāo)準(zhǔn)對(duì)光源的要求。日光過濾器是用來模擬戶外直射太陽光最常用的氙燈過濾系統(tǒng),經(jīng)日光過濾器過濾的氙燈光源,最接近實(shí)際的戶外光照環(huán)境, 其光譜與太陽光光譜之間的比較如圖1 所示。因?yàn)?80 nm 或800 nm 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光部分。

帶有日光過濾器的Q2Sun 氙燈光譜和CIE No. 85 標(biāo)準(zhǔn)太陽光光譜比較

表1 　標(biāo)準(zhǔn)中的光譜分布表

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280 nm 到3 000 nm 波長(zhǎng)范圍內(nèi),輻照度是1. 120 kW/ m² ±10 %。然而這種光強(qiáng)圖1 　帶有日光過濾器的Q2Sun 氙燈光譜和 CIE No. 85 標(biāo)準(zhǔn)太陽光光譜比較的定義沒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)。 ±112 W/ m²的容差要求如果集中在短波長(zhǎng)部分將帶來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340 nm 或420 nm 定點(diǎn)控制,考慮到IEC 68-2-5 :1975 模擬的是戶外直射陽光, 我們建議使用 340 nm點(diǎn)控制, 而光強(qiáng)則采用CIE No. 85 中 340 nm點(diǎn)的光強(qiáng),即0. 68 W/ m2 @340 nm。值得注意的是,CIE No. 85 中的光譜是夏天中午的太陽光光譜,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)通常采用較小的輻照度,如0. 55 W/ m2 @ 340 nm或更小。

2. 3 　溫度控制

IEC 68-2-5 :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40 ℃或55 ℃。在黑暗循環(huán)期間,箱體溫度為25 ℃,但標(biāo)準(zhǔn)中沒有明確箱體內(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. 68 W/ m² @340 nm ,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),情況也是類似?？梢姌悠返臏囟纫葮?biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的“箱體溫度”高很多。

2. 4 　濕度

IEC 68-2-5 :1975 標(biāo)準(zhǔn)中既沒有提及對(duì)相對(duì)濕度的控制也沒有涉及到運(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、露等戶外條件或戶內(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。

3 　結(jié)論及建議

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 日光過濾器,0. 68 W/ m² @340 nm 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,Daylight2Q 日光過濾器,0. 55 W/ m² @340 nm 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。