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(yáng)輻射模擬》是國(guó)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(yáng)能等電工電子產(chǎn)品。

很多廣泛使用的國(guó)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(yáng)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(yáng)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(yáng)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(lái)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(yáng)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(yáng)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(jiàn)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(yáng)光模擬

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

氙燈產(chǎn)生的光譜用于測(cè)試前必須經(jīng)過(guò)過(guò)濾,減少不需要的部分紫外光譜。使用不同類(lèi)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(guò)濾器過(guò)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(lèi)型。有三類(lèi)經(jīng)常使用的濾光器:日光過(guò)濾器,窗玻璃過(guò)濾器,紫外延展過(guò)濾器,其中日光過(guò)濾器可用來(lái)模擬戶外直射太陽(yáng)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(yáng)眼閉環(huán)控制系統(tǒng),來(lái)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(guò)黑板溫度計(jì)或黑標(biāo)溫度計(jì)來(lái)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(guò)水噴淋或濕度控制系統(tǒng)來(lái)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(lèi)型和速度,在此類(lèi)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(lái)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(jiàn) 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(yáng)光光譜的定義。CIE No. 20 已于1989 年被CIE No. 85 所替代?；诋?dāng)時(shí)的技術(shù)條件,沒(méi)有對(duì)太陽(yáng)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(yáng)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(lái)很大的差別。而該標(biāo)準(zhǔn)中的光譜分布定義過(guò)于粗略(見(jiàn)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(méi)有明確光譜中紫外截止點(diǎn)。而 CIE No. 85 中, 明確描述太陽(yáng)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(guò)濾器來(lái)過(guò)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(guò)濾器是用來(lái)模擬戶外直射太陽(yáng)光最常用的氙燈過(guò)濾系統(tǒng),經(jīng)日光過(guò)濾器過(guò)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(yáng)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(jiàn)光部分。

帶有日光過(guò)濾器的Q2Sun 氙燈光譜和CIE No. 85 標(biāo)準(zhǔn)太陽(yáng)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(guò)濾器的Q2Sun 氙燈光譜和 CIE No. 85 標(biāo)準(zhǔn)太陽(yáng)光光譜比較的定義沒(méi)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(lái)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(yáng)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(yáng)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(méi)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(lái)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(lái)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(lèi)似?？梢?jiàn)樣品的溫度要比標(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(méi)有提及對(duì)相對(duì)濕度的控制也沒(méi)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(méi)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(guò)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(guò)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。