太陽跟蹤聚光高加速老化試驗(yàn)系統(tǒng)特性研究

曾文波，張曉東，王受和，陳凱文

（中國電器科學(xué)研究院有限公司，廣州 510663）

高分子材料老化以及服役壽命的研究一直是材料領(lǐng)域的重要研究內(nèi)容之一[1]。選擇合適的試驗(yàn)方法和設(shè)備是開展高分子材料光老化性能檢測評價(jià)及服役壽命研究的基礎(chǔ)[2]。目前，自然暴露試驗(yàn)仍是最真實(shí)可靠的試驗(yàn)方法，但耗時一般較長，且結(jié)果具有一定的隨機(jī)性。實(shí)驗(yàn)室加速試驗(yàn)時間短，試驗(yàn)條件可控，試驗(yàn)具有重復(fù)性，但其光源為人工模擬光源，與太陽光譜存在一定的差異，試驗(yàn)結(jié)果真實(shí)性較差[3]。自然加速暴露試驗(yàn)綜合了自然暴露試驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)室人工加速試驗(yàn)的優(yōu)點(diǎn)，是環(huán)境試驗(yàn)技術(shù)的一個重要的發(fā)展方向[4-9]。目前自然環(huán)境加速老化試驗(yàn)設(shè)備的發(fā)展在國外較為成熟，而我國加速試驗(yàn)設(shè)備的研發(fā)起步晚，與國外差距較大。基于以上背景，實(shí)驗(yàn)室自主研制基于太陽光源戶外高加速光老化系統(tǒng)，旨在為國內(nèi)提供一種更為實(shí)用的自然環(huán)境加速老化試驗(yàn)設(shè)備。文中主要通過監(jiān)測系統(tǒng)樣機(jī)靶板處環(huán)境條件因素，研究系統(tǒng)樣機(jī)的太陽光譜特性及溫濕度特性。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 “冷光”反射鏡的反射率測量

采用美國Perkin Elmer 公司Lambda 950 紫外-可見-近紅外分光光度計(jì)，波長掃描區(qū)間為250～800 nm，帶寬≤0.05 nm，入射角為8°，分辨率為5 nm。

1.2 太陽光譜測量

采用美國海洋光學(xué)公司Maya2000 Pro 光譜儀測量太陽直射光譜聚光光譜，光譜范圍為250～800 nm。測量條件：光纖探頭正對太陽測試太陽直射光譜，與系統(tǒng)靶板垂直測量太陽聚光光譜[10-11]。測試地點(diǎn)為廣州亞濕熱自然環(huán)境試驗(yàn)站。

1.3 溫濕度監(jiān)測

使用溫濕度傳感器溫濕度記錄儀每5 min 采集一次系統(tǒng)靶板溫度樣品表面以及周圍空氣溫濕度。

2 結(jié)果與分析

2.1 “冷光”反射鏡的反射率

太陽跟蹤聚光加速老化試驗(yàn)系統(tǒng)中使用“冷光”反射鏡[12]，組成菲涅爾平面反射鏡組。每塊平面鏡按拋物線的切線位置擺放，使得太陽光經(jīng)過平面鏡反射后聚焦到靶板的樣品上，從而使試驗(yàn)樣品可以接收到更多的太陽輻照?！袄涔狻狈瓷溏R利用金屬薄膜對太陽光的選擇性吸收反射透射等，實(shí)現(xiàn)對紫外可見光的反射，而紅外光的透射或吸收，達(dá)到控制樣品表面溫度不至于過高而發(fā)生老化機(jī)理改變的目的。利用分光光度計(jì)測量“冷光”反射鏡的絕對反射率，如圖1 所示?？梢钥闯?，反射光譜波長范圍主要介于 295～700 nm 之間，平均反射率達(dá)到90%以上，其中310 nm處的絕對反射率為95.11%。

圖1 “冷光”反射鏡的絕對反射率

2.2 系統(tǒng)靶板處的太陽光譜

太陽光經(jīng)過“冷光”反射鏡反射，在樣品區(qū)聚集，并且可以通過氣動閥控制反射鏡數(shù)量，控制樣品區(qū)太陽光譜及輻照強(qiáng)度。使用光纖光譜儀測量樣品區(qū)全鏡面反射聚光光譜及太陽直射光譜，如圖2 所示?？梢钥闯?，聚光光譜因反射鏡的作用，在295～700 nm 之間的太陽光譜高于太陽直射光譜，310 nm 處聚光光譜輻照強(qiáng)度約是太陽直射光譜的3.5 倍，700 nm 處的聚光光譜輻照強(qiáng)度約是太陽直射光譜的4 倍。在“冷光”反射鏡作用下，太陽光中大于700 nm 的太陽光紅外部分逐漸減弱。在700～800 nm 的區(qū)間內(nèi)，聚光光譜輻照強(qiáng)度最大值約是相應(yīng)直射光譜的2.2 倍，最小值約是相應(yīng)直射光譜的0.5 倍。這就使得系統(tǒng)靶板處樣品將獲得更多的紫外輻照，同時減少了紅外線的富集，從而加速試驗(yàn)樣品的光老化，并防止了樣品被燒毀。

圖2 系統(tǒng)聚光光譜與太陽直射光譜的對比

“冷光”反射鏡主要反射太陽光中的紫外及可見光部分，因此太陽跟蹤聚光高加速老化試驗(yàn)系統(tǒng)在太陽紫外輻照強(qiáng)烈空氣潔凈濕度適宜的高原地區(qū)或干熱地區(qū)同樣適用，理論上能夠獲得更好的聚光效果[4]。然而，系統(tǒng)靶板處并非僅是一個點(diǎn)，而是一個長方形平面，需測試整個平面的輻照均勻度。為此，選擇晴天少云的中午，在系統(tǒng)靶板處劃分區(qū)域，快速測量聚光光譜，以310 nm 處的輻照強(qiáng)度考察系統(tǒng)靶板處的輻照均勻度，如圖3 所示。

圖3 系統(tǒng)靶板310 nm 處聚光輻照均勻度

由圖3 可以看出，靶板處各個測量點(diǎn)的平均聚光太陽輻照強(qiáng)度為0.655 W/(m2·nm)，標(biāo)準(zhǔn)偏差為2.6%，而部分反射聚光的平均太陽輻照為 0.190 W/(m2·nm)，標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.6%。由此可知，參與聚光的反射鏡越多，靶板處的聚光太陽輻照強(qiáng)度均勻度越差?！袄涔狻狈瓷溏R的反射效率及穩(wěn)定性是影響聚光太陽輻照強(qiáng)度的重要因素。

2.3 樣品表面溫度

從“冷光”反射鏡的反射率測試以及靶板處的太陽聚光光譜測試結(jié)果可知，“冷光”反射鏡并非將所有的紅外線過濾或吸收，樣品表面溫度仍然會因?yàn)槲占t外線而升高。在多面“冷光”反射鏡的作用下，靶板處試驗(yàn)樣品所接收的紅外線仍有可能高于直射暴露試驗(yàn)樣品所接收的紅外線，樣品溫度也高于直射暴露試驗(yàn)樣品，有可能導(dǎo)致試驗(yàn)樣品出現(xiàn)與實(shí)際服役時不一致的老化模式。為此，在靶板聚光區(qū)和非聚光區(qū)分別安裝黑板溫度計(jì)。以黑板溫度計(jì)所記錄的溫度差監(jiān)控試驗(yàn)樣品的表面溫度，并反饋至通風(fēng)冷卻控制系統(tǒng)，以此控制靶板試驗(yàn)樣品的表面溫度。

在晴朗或少云天氣條件下，不同季節(jié)樣品表面溫度的監(jiān)測結(jié)果如圖3 所示。可以看出，夜晚樣品表面溫度相近，而白天隨著太陽輻照的增強(qiáng)，樣品表面溫度逐漸升高，系統(tǒng)靶板處的樣品溫度高于直射樣品。在冷卻系統(tǒng)的作用下，夏冬兩季白天樣品表面溫度均不超過直接暴露樣品表面溫度10 ℃。

2.4 樣品周圍空氣相對濕度

由于系統(tǒng)樣機(jī)安裝在戶外，系統(tǒng)靶板處試驗(yàn)樣品周圍的相對濕度與空氣濕度相近，在靶板區(qū)安裝濕度傳感器，監(jiān)測試驗(yàn)樣品周圍的空氣相對濕度。不同季節(jié)靶板處試驗(yàn)樣品周圍的空氣相對濕度監(jiān)測結(jié)果如圖4 所示。可以看出，試驗(yàn)樣品周圍的空氣相對濕度隨著太陽輻照的增強(qiáng)而降低，隨著太陽輻照的減弱而升高，但冬季的空氣相對濕度更低。

圖4 不同季節(jié)試驗(yàn)樣品表面溫度對比

圖5 不同季節(jié)中試驗(yàn)樣品周圍空氣相對濕度

此外，在系統(tǒng)中設(shè)計(jì)噴淋系統(tǒng)，使系統(tǒng)可模擬更多的自然環(huán)境條件。如在高溫狀態(tài)下噴淋，模擬濕熱地區(qū)涂層材料高分子材料等的熱沖擊；夜間噴淋模擬濕熱地區(qū)的凝露現(xiàn)象。樣品表面由干燥狀態(tài)轉(zhuǎn)為噴淋狀態(tài)時，相對濕度的變化情況如圖5 所示?？梢钥闯?，在噴淋狀態(tài)下，樣品表面相對濕度可達(dá)到95%±5%，接近飽和狀態(tài)，并可通過控制噴淋時間，控制樣品表面相對濕度。

3 結(jié)論

1）“冷光”反射鏡對295～700 nm 之間的太陽光譜反射率達(dá)到90%以上，提高了該波段范圍內(nèi)的輻照強(qiáng)度，有效控制靶板區(qū)的太陽輻照分布及溫度。

圖6 噴淋狀態(tài)下樣品周圍空氣相對濕度

2）在“冷光”反射鏡的作用下，試驗(yàn)樣品表面接收的紅外輻照與直射暴露試驗(yàn)樣品相差較小，且在冷卻系統(tǒng)的作用下，溫度不超過直射樣品表面溫度10 ℃。

3）樣品周圍空氣相對濕度，隨太陽輻照的增強(qiáng)而降低，噴淋系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，使系統(tǒng)可模擬多種自然環(huán)境。