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

IEC 68-2-5 :1975《實驗方法Sa :地面太陽輻射模擬》是國際電工委員會的一個環(huán)境測試實驗方法。目前有很多電子行業(yè)在引用這個標(biāo)準(zhǔn),對材料或產(chǎn)品進(jìn)行耐候老化測試,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)境實驗第2 部分:實驗方法實驗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)境實驗第2 部分:實驗方法太陽輻射實驗導(dǎo)則》, GB/ T 5170. 9-1996《電工電子產(chǎn)品環(huán)境實驗設(shè)備基本參數(shù)檢定方法太陽輻射實驗設(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材料耐候性老化測試原理

1.1戶外老化因素

老化損害主要由3 個因素引起:光照,高溫和潮濕。這3 個因素中的任一個都會引起材料老化, 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)鍵對太陽光中不同波段的光線的敏感性不同,一般對應(yīng)一個閾值,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,對于某些顏料和染料,長波段紫外線甚至可見光也會對其產(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。因此溫度對材料老化的影響往往是非線性的。

1.1.3潮濕

水會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主要表現(xiàn)形式。研究表明,戶外材料每天都將長時間處于潮濕狀態(tài)(平均每天長達(dá)8～12 個小時)  。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,因為它附著在材料上的時間更長,形成更為嚴(yán)酷的潮濕侵蝕。對于戶內(nèi)用材料,一般只考慮相對濕度的影響。

1.2氙燈加速老化測試

1.2.1陽光模擬

氙燈試驗箱 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

最新的氙燈試驗箱需裝備有輻照度控制系統(tǒng), Q-Lab 公司的Q-Sun 氙燈試驗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)的控制基于點控制(如ISO 11341- 2004 , ASTM G 155-05a , ISO 4892-2 :2003 等) ,控制點的選擇則基于模擬環(huán)境和檢測材料性能的不同,對于戶外環(huán)境,檢測材料的物理性能,一般采用340 nm 控制點;而對于室內(nèi)環(huán)境,檢測材料的變色和褪色,一般采用420 nm 控制點。

1.2.3溫度控制

氙燈測試設(shè)備中,溫度的控制很也重要,因為溫度影響材料老化的速率。氙燈試驗箱一般是通過黑板溫度計或黑標(biāo)溫度計來精確控制樣品表面溫度。有些型號的氙燈試驗箱還能同時控制箱體空氣溫度,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戶外產(chǎn)品的熱沖擊和應(yīng)力腐蝕。濕度會影響某些戶內(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,在此類材料的測試標(biāo)準(zhǔn)中都建議控制相對濕度。

2 IEC 68-2-5 :1975 標(biāo)準(zhǔn)的解讀

結(jié)合第1部分幾個方面的描述,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)對測試條件的要求。

2.1光譜的定義

該標(biāo)準(zhǔn)的3. 1 節(jié)對實驗箱中光譜的闡述: 從 280 nm 到3 000 nm 波長范圍內(nèi), 輻照度為1. 120 kW/ m2 ±10 %。同時指出,對光譜的要求見 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?；诋?dāng)時的技術(shù)條件,沒有對太陽光譜作更細(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給材料的老化性能測試結(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。而 CIE No. 85 中, 明確描述太陽光的截止點為 0. 295μm(295 nm) ,以5 nm 為間隔分別給出了各點的光強(qiáng)。

考慮到CIE No. 20 已被CIE No. 85 光譜所替代,所以我們在執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)時,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,實現(xiàn)對該標(biāo)準(zhǔn)對光源的要求。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。因為780 nm 或800 nm 以上的紅外光譜對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Q-Sun 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Q-Sun 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材料老化的差異性, 即波長越短對材料的破壞力越強(qiáng)?！?12 W/ m2的容差要求如果集中在短波長部分將帶來幾倍至幾十倍的老化結(jié)果差異,而對于紅外波段,其老化結(jié)果的差異可以忽略不計。

新的標(biāo)準(zhǔn)中大多采用了定點控制的方法,即采用340 nm 或420 nm定點控制,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點控制, 而光強(qiáng)則采用CIE No. 85中340 nm點的光強(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。為提高實驗結(jié)果與實際條件的相關(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,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,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)中既沒有提及對相對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,可以不控制相對濕度。通常條件下,沒有加濕裝置的氙燈設(shè)備中,其相對濕度較低,一般情況下小于30 %。

對于暴露于雨、露等戶外條件或戶內(nèi)高濕條件下的產(chǎn)品,測試時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,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)時箱體空氣溫度設(shè)定為40℃或55℃,黑暗循環(huán)時箱體空氣溫度設(shè)定為25℃。

但因為該標(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,Daylight-Q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/ 和相對濕度控制。

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