20世紀(jì)初期，研究人員通過把樣品放在豎立的、朝南的架子上在戶外進(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)開始在新澤西州的大西洋城進(jìn)行涂料的戶外曝曬測試。為了縮短測試時(shí)間，他們使用了一種傾斜 45 度朝南的架子，以使更多的陽光照射在樣品上。45 度角傾斜曝曬架是第一種戶外加速老化的方法。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)明了一種簡單的單軸的隨太陽轉(zhuǎn)動(dòng)的裝置，它可從早到晚隨著太陽轉(zhuǎn)動(dòng)。到了50年代，這種架子才開始商業(yè)化生產(chǎn)。60 年代，又在這種裝置上加上反射鏡，使陽光更多的集中到樣品上來加速老化。

Q -Trac自然太陽光跟蹤聚能曝曬裝置

Q-Trac自然太陽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)。它是一種戶外曝曬裝置，能自動(dòng)地從早到晚跟蹤太陽，且能自動(dòng)補(bǔ)償因季節(jié)變化而引起的不同太陽仰角的影響。同時(shí)，Q-Trac上的反射鏡可以把全光譜太陽光集中到測試樣品上。這種跟蹤太陽的日光聚集系統(tǒng)增加了照射到樣品上的陽光能量。

Q-Trac是有效的戶外加速老化方法，測試期間，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柟狻?/p>

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附加超純水噴淋來進(jìn)行模擬。Q-Trac快速、真實(shí)、可重復(fù)的測試結(jié)果使之成為一種引人關(guān)注的測試方法，適用于多種類型的材料測試和應(yīng)用環(huán)境的模擬。

會(huì)聚自然太陽光

反射鏡陣列

Q-Trac采用一列10個(gè)平面反射鏡來獲得單一曲面反射鏡的效果。這種類型的反射鏡陣列叫做菲涅耳聚能器(Fresnel)。當(dāng)陽光以接近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。

太陽跟蹤

單軸裝置:

20世紀(jì)60年代的單軸太陽光跟蹤聚能曝曬裝置能自動(dòng)跟蹤太陽的方位(或者說是在一天中太陽從東轉(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，對(duì)太陽仰角或者說太陽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柕难鼋敲刻於紩?huì)發(fā)生變化，單軸裝置不能夠一直保持會(huì)聚陽光的較好位置。

雙軸裝置:

新的雙軸裝置能自動(dòng)跟蹤太陽的方位角和仰角。為了跟蹤太陽仰角，Q-Trac 垂直傾斜，同時(shí)調(diào)整太陽隨季節(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)地跟隨太陽的方位角和仰角以保持太陽光沿法線方向入射到反射鏡座，或者說是鏡座垂直于太陽光(如圖 2 所示)。

圖2． Q-Trac 不僅每天從早到晚跟蹤太陽，而且為了補(bǔ)償太陽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(太陽能電池)來控制。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。

亞利桑那晴朗無云，陽光充足

Q-Trac僅在天空晴朗、陽光充足的時(shí)候才能正常工作。為了使Q-Trac更有效地會(huì)聚陽光，要求日照時(shí)間長，云量少且光線散射小，同時(shí)空氣濕度也較低。通常來說由一個(gè)6 度直射光輻照計(jì)測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)天空無云時(shí)，如果相對(duì)濕度很高，大量的陽光也會(huì)發(fā)生散射，而直射光束的量很可能低于75%。在美國大陸的少數(shù)幾個(gè)曝曬場，能夠提供理想測試條件、陽光充足、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，樣品的最大長度和寬度不能大于樣品架的長度和寬度 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

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)，兩者之間沒有空隙，樣品被認(rèn)為是“有背板”。有背板樣品的溫度比無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)制通過冷卻槽時(shí)，一個(gè)空氣導(dǎo)向裝置使大量空氣通過樣品表面(如圖6 所示)。大部分Q-Trac測試樣品的溫度與曝曬在傳統(tǒng)戶外測試架上的相比，大約相差 10°C 以內(nèi)。

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

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自然太陽光聚集器脫離聚焦，避免樣品過熱。

潮濕模擬：程控噴淋循環(huán)

有些測試要求水噴淋循環(huán)來有效的模擬實(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英寸的噴嘴來噴淋高純度水(如圖7所示)。噴嘴往測試材料上均勻噴水，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量。

用于 Q-Trac噴淋循環(huán)的水經(jīng)過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程中起關(guān)鍵性的作用。通過把測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

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試。

測試時(shí)間的確定

有很多方法可用來確定Q-Trac的測試時(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)定的程度來確定測試時(shí)間。Q-Lab推薦根據(jù)累計(jì)的紫外線曝曬量來規(guī)定測試時(shí)間，雖然規(guī)定測試時(shí)間也應(yīng)考慮總的太陽光輻射曝曬。

累計(jì)的紫外線曝曬量

.以累計(jì)的紫外線曝曬量來規(guī)定測試時(shí)間，我們推薦這一方法的原因是，太陽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))的等效太陽年確定。等效太陽年以多年實(shí)際的日照測量數(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在一年測試中使樣品發(fā)生的降解是在佛羅里達(dá)必須要測試5 年才能達(dá)到相同結(jié)果。像所有的加速老化測試，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。然而一般來說，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。

輻照量的測量

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

一個(gè)特別設(shè)計(jì)的，太陽跟蹤裝置連續(xù)監(jiān)測接近法線入射處的太陽能。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)。

僅測量紫外線

兩個(gè) Eppley TUVR測量太陽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，僅用來測量散射光線。另一個(gè) TUVR測量整個(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)。

測量紫外線、可見光和紅外線

一個(gè)法線入射中度計(jì)(NIP)測量總的直射光束輻射(295-3000nm)。NIP可觀測 6 度視角范圍，并利用一個(gè)準(zhǔn)直管來排除散射光。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)行下一天的戶外曝曬。這種循環(huán)被用來快速且精確地評(píng)價(jià)涂層的耐候性，如涂層的開裂、起皮及片狀剝落等。

總結(jié)

自然太陽光跟蹤聚能曝曬裝置自20世紀(jì) 60年代被用于自然戶外加速老化試驗(yàn)。Q-Trac自然太陽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)跟蹤太陽且自動(dòng)補(bǔ)償太陽仰角因季節(jié)變化引起的影響。反射鏡陣列把陽光高度聚集到測試樣品上。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)品的測量周期大大縮短。

因?yàn)?Q-Trac在陽光充足的時(shí)候能最有效地會(huì)聚陽光，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，此處能提供更長的、更符合實(shí)際的潮濕時(shí)間。