三功能紫外老化箱從用途到原理全面解析

一、 核心概念：什么是“三功能"？

“三功能"指的是該設備能夠模擬和再現自然界中對材料老化影響最大的三種氣候因素：

1. 光照 (Light)：通過紫外熒光燈管模擬太陽光中的紫外波段，這是導致材料光老化的主要元兇。

2. 冷凝 (Moisture)：模擬夜間的露水、結露現象。通過加熱水盤產生高溫水蒸氣，在樣品表面形成凝露。

3. 淋雨 (Rain)：模擬自然界的雨水沖刷效果。通過箱體頂部的噴淋系統，定期對樣品進行噴水。

這三種功能可以單獨編程控制，也可以組合成復雜的循環測試，從而極大地加速材料的老化過程。

二、 主要用途與應用領域

三功能紫外老化箱主要用于評估材料的耐候性，即材料暴露于陽光、潮濕和雨水等氣候條件下，其顏色、光澤、強度、開裂、粉化、氧化等性能的變化程度。

應用行業及測試樣品舉例：

• 涂料與油漆行業：汽車面漆、建筑外墻涂料、家具漆等，測試其是否容易褪色、失光、開裂、起泡。

• 塑料與橡膠行業：戶外使用的塑料部件（如汽車保險杠、儀表盤、門窗型材）、橡膠密封件等，測試其強度、彈性是否下降，是否變脆、變色、出現裂紋。

• 紡織品與皮革行業：戶外服裝、帆布、沙發皮革等，測試其纖維強度、顏色牢度。

• 膠粘劑與密封膠：測試其在長期日曬雨淋后是否仍能保持粘接性能和彈性。

• 木材與木器漆：測試木材本身及其涂層在戶外環境下的耐久性。

• 汽車工業：對內外飾件進行全面的耐候性測試，確保其在整個生命周期內的質量。

• 光伏行業：測試太陽能電池板背板、封裝材料的耐紫外老化性能。

三、 工作原理與系統組成

其工作原理的核心是通過人工強化和循環控制紫外線、冷凝和噴水三種環境因素，在實驗室內模擬并加速自然氣候的老化作用。

主要系統組成：

1. 箱體 (Chamber)

• 通常由不銹鋼制成，內部有樣品架、燈管、水盤、噴淋裝置等。具有良好的保溫、耐腐蝕和密封性能。

2. 紫外光源系統 (Light System)

• UVA-340：光譜在295nm到365nm之間，能非常好地模擬太陽光中從365nm到295nm截止點的短波紫外光，主要用于模擬戶外日光老化。

• UVB-313：發出更短波長的紫外光（峰值在313nm），其破壞性更強，能很大程度地加速材料老化，但可能與實際戶外暴曬的相關性不如UVA。

• 核心部件：紫外熒光燈管。常用的有UVA-340和UVB-313燈管。

• 燈管位于樣品架的上下兩側，確保樣品能被均勻照射。

3. 冷凝系統 (Condensation System)

• 在箱體底部有一個加熱水盤，通過加熱使水蒸發，產生高溫飽和水蒸氣。

• 測試時，樣品的一面暴露在箱體空氣中，另一面（背面）是封閉的，不與箱體空氣接觸。樣品表面的溫度通過室內空氣冷卻，與箱體內的熱蒸汽之間形成溫差。

• 當熱蒸汽接觸到相對較冷的樣品表面時，就會凝結成水珠，形成均勻的凝露層。這個過程模擬了夜晚的露水現象。

4. 淋雨系統 (Rain/Spray System)

• 在箱體頂部安裝有一排噴淋嘴。

• 通過水泵將去離子水（防止水垢堵塞噴嘴）泵入噴淋系統，按預設程序定期對樣品進行噴淋。

• 噴淋的作用：一是模擬雨水沖刷的機械侵蝕和熱沖擊；二是通過冷卻效應（水分蒸發）模擬溫度變化；三是通過干濕交替循環，加劇材料的老化。

5. 控制系統 (Control System)

• 大腦：通常采用可編程邏輯控制器 (PLC) + 觸摸屏 (HMI)。

• 用戶可以自由設置測試參數：光照溫度、冷凝溫度、光照時間、冷凝時間、噴淋時間及周期等。

• 系統自動控制整個測試循環，并實時監控和記錄溫度等關鍵數據。

四、 工作流程（典型測試循環）

一個經典和常見的循環是 “4小時紫外光照 + 4小時冷凝" 循環，噴淋功能可在此期間穿插進行。

1. 光照階段：紫外燈管開啟，模擬白天的太陽紫外線照射。箱內溫度通過加熱器控制在較高水平（例如50°C - 70°C）。

2. 冷凝階段：紫外燈關閉，底部水盤加熱產生熱蒸汽，樣品表面形成凝露，模擬夜晚的潮濕環境。此階段溫度較低（例如40°C - 50°C）。

3. 淋雨階段：可在光照階段或作為一個獨立階段插入，進行短時間的噴淋（例如噴淋18分鐘）。

這三種功能不斷循環，在幾百到幾千小時內，就能模擬出戶外數月甚至數年的老化效果，從而達到加速試驗的目的。

五、 優勢與局限性

優勢：

• 加速老化：大大縮短了測試時間，提高了研發和質量控制效率。

• 重現性好：實驗室條件可控，測試結果不受季節、地理位置等自然條件影響，重復性和可比性強。

• 三功能模擬：能更全面地模擬真實世界的復雜氣候條件。

• 標準化：遵循國際標準（如ASTM G154, ISO 4892-3等），測試結果具有說服力和通用性。

局限性：

• 模擬雖然能模擬主要破壞因素，但無法一比一復刻自然界中所有變量（如污染物、生物侵蝕等）。

• 相關性需驗證：加速測試結果與戶外實際暴曬結果的相關性需要通過對比試驗來確認，以確保加速方法的有效性。

總結

三功能紫外老化箱是現代工業中的質量保障工具。它通過精確控制紫外線、冷凝和淋雨這三個關鍵環境因素，在實驗室內創造出一種強化的人工氣候，用于快速、可靠地預測材料的耐候壽命和性能變化，為產品的研發、改進和質量控制提供了至關重要的數據支持。