人工光老化试验的实验室间比对及结果分析

王 鹏，苏 纳，王崇武

（1.标格达精密仪器（广州）有限公司，广东广州 511365；2.广州润科计量检测技术有限公司，广东广州 510665）

0 引言

太阳光会使涂层、塑料及其他高分子材料产生褪色、黄变、开裂、分层等一系列损坏，其破坏作用可能极大地降低相关产品的使用寿命，因此，耐光老化能力是高分子材料必须考虑的一项性能［1］。为加速试验过程，以更短的时间得到试验结果，行业用户一般选用实验室模拟结果来反应户外曝晒情况，其中荧光紫外灯与氙弧灯是两种用于模拟户外曝晒试验的常用灯光［2］。但对于两种光老化箱的辐照度校准的溯源问题，在国内厂商和测试机构之间似乎没有达成一致的意见，也少有文献对人工光老化试验结果的重现性与可比性进行分析与评价。因此，本实验室组织了一次人工光老化比对试验，旨在了解各实验室间光老化试验结果的一致性，并尝试分析结果产生差异的原因。

1 试验方案

1.1 试验样品

本次比对试验的样品均由组织方标格达精密仪器（广州）有限公司统一制备、养护和发放。本次使用的涂料为OMG牌双组分大红B05和OMG牌双组分纯白丙烯酸汽车烤漆B02，均由人工烤漆房喷涂制备。

试验试板养护完成后，组织方向所有报名的实验室通过快递的方式发放试板，各实验室收到试板后检查其表面状态，如无异常，则测量试板表面的色度值（L、a、b值）与60°光泽。

1.2 老化设备要求

本次比对试验的氙灯老化箱与荧光紫外老化箱基本要求如表1所示。

表1 老化箱基本功能要求Table 1 Basic requirements of aging oven

1.3 试验条件

氙灯老化试验条件参考GB/T 1865—2009《色漆和清漆 人工气候老化和人工辐射曝露滤过的氙弧辐射》方法1［3］，荧光紫外试验条件参考GB/T 23987—2009《色漆和清漆 涂层的人工气候老化曝露 曝露于荧光紫外和水》［4］，具体内容见表2。

表2 试验条件Table 2 Testing condition

2 数据统计方法

参考采用GB/T 6379.2—2004中格拉布斯（Grubbs）检验方法［5］，分析收集的数据是否存在离群值或歧离值。格拉布斯检验方法的核心内容是计算出一组试验数据的算术平均值及标准方差，然后根据计算统计量（G）、公式（1）~（3）以及查询Grubbs检验临界值，判断该组数据中的最大值与最小值是否离群［6］。

其中

式中：

G—格拉布斯统计量；

xp—一组试验数据中的最大值或最小值；

x—同组数据的算术平均值；

p—同组数据的总个数；

s—同组数据的标准方差。

3 比对试验结果及分析

3.1 比对结果

在本次比对试验报名中，参加氙灯老化试验的实验室有25家，参加荧光紫外老化试验的实验室有18家，最终收到氙灯老化试验结果22个，荧光紫外老化试验结果12个，详细数据见表3与表4。

表3 氙灯老化试验结果汇总表Table 3 Summary table of xenon-test results

表4 荧光紫外老化试验结果汇总表Table 4 Summary table of UV-test results

3.2 结果分析

3.2.1 氙灯老化试验色差（ΔE）值

在氙灯老化比对试验中，实验室数p=22，查询格拉布斯检验的临界值表可得，1 %临界值为3.060，5 %临界值为2.758。当试验数据大于1 %临界值时，该数据为离群值；当试验数据大于5 %临界值时，该数据为歧离值。氙灯老化试验色差（ΔE）数据处理表见表5。

表5 氙灯老化试验色差（ΔE）数据处理表Table 5 Data processing of chromatic aberration（ΔE）of xenon test

对于红板色差（ΔE）：

对于白板色差（ΔE）：

综上，本次所有实验室报告的两种试板500 h氙灯老化试验后的色差（ΔE）值均未出现离群值或歧离值。

3.2.2 氙灯老化试验失光率

由于结果中超过10 %的数据明显偏离平均值，6#与15#实验室的数据被剔除。因此实验室数p=20，1 %临界值为3.001，5 %临界值为2.709。当试验数据大于1 %临界值时，该数据为离群值；当试验数据大于5 %临界值时，该数据为歧离值。氙灯老化试验失光率数据处理表见表6。

表6 氙灯老化试验失光率数据处理表Table 6 Data processing of gloss loss rate of xenon test

对于红板失光率：

对于白板失光率：综上，除6#与15#实验室外，其他实验室提供的两种试板的失光率数据均未出现离群值或歧离值。

3.2.3 荧光紫外试验色差（ΔE）值及失光率（%）

当实验室数p=12时，1 %临界值为2.636，5 %临界值为2.412。当试验数据大于1 %临界值时，该数据为离群值；当试验数据大于5 %临界值时，该数据为歧离值。荧光紫外试验数据处理表见表7。

表7 荧光紫外老化试验数据处理表Table 7 Data processing of UV test

对于红板色差（ΔE）：

对于白板色差（ΔE）：

对于红板失光率：

对于白板失光率：

综上，8#实验室红板色差（ΔE）数据为歧离值，但未达到离群值水平，其他各实验室数据均未发现异常。

3.3 总结

综上所述，在本次所有参与氙灯老化试验的实验室结果中，两种颜色的试板色差值（ΔE）均未发现离群值或歧离值；6#与15#实验室两种颜色试板的失光率明显偏离平均值，其他实验室的试板失光率均未发现离群值或歧离值。

在本次所有参与荧光紫外老化试验的实验室结果中，8#实验室红板的色差值（ΔE）为歧离值，但未达到离群值水平，其余结果均未发现离群值或歧离值。

4 比对结果的讨论

4.1 氙灯老化试验结果分析

4.1.1 氙灯老化箱品牌型号对试验结果的影响

参与本次比对试验的实验室采用的氙灯老化箱来自于美国Atlas、Q-Lab与国内标格达品牌。其中：

（1） Q-Lab老化箱均为平板型，使用Q-Lab自产灯管及滤光镜，且其中1台不带湿度控制功能（型号为Xe-1-S）；

（2） Atlas老化箱均为旋鼓型，主要型号为Ci 4000，也有1台Ci 5000参与比对，使用Atlas自产灯管与滤光镜；

（3） 标格达老化箱主要型号为BGD 862，为旋鼓型老化箱，使用Atlas品牌灯管与滤光镜，另有1台BGD 867平板型老化箱，使用Q-Lab品牌灯管与标格达自产滤光镜。

经比对结果分析可知，不同品牌、老化箱型号、灯管、滤光器的试验结果之间并未发现系统性、显著性的差别。

4.1.2 氙灯老化箱试样架形式对试验结果的影响

氙灯老化箱试样架形式主要可分为旋鼓型与平板型两种。参与本次比对试验的实验室中，采用旋鼓型氙灯老化箱的有12家，采用平板型氙灯老化箱的有10家。将两种类型的氙灯老化箱的试验数据分组处理比对，结果如表8所示。

表8 两种不同结构的样板架的氙灯老化试验箱数据对比Table 8 Data comparison of xenon test from cabinets with different sample holders

由表8可见，旋鼓型老化箱试验数据（包括色差与失光率）的方差均小于平板型老化箱对应的数据，这表明旋鼓型氙灯老化箱试验结果的一致性高于平板型氙灯老化箱。从模型上看，旋鼓型老化箱的氙弧灯（光源）竖直于老化箱的正中央，试板放置在环绕着氙弧灯的环形试样架上，试验时，环形试样架围绕氙弧灯匀速转动，使试板架各位置接受光辐照能量更加均匀。而平板型氙灯老化箱试板架的各个位置接受的光辐照能量可能偏差相对较大，导致其试验数据的一致性较低。因此，使用平板氙灯老化箱时，建议在试验期间交换试板在试板架中的位置，以求让各位置的试板能接受较一致的辐照能量。

经平板型老化箱试验的试板的失光率总体明显大于旋鼓型老化箱试验的试板，这可能是由于喷淋后水分在平板型老化箱的试板上停留时间更长，也更容易留下水渍，而旋鼓型老化箱的试板经喷淋后的水分干燥较快，因此造成了最终的光泽差异。

4.1.3 氙灯辐照度与品牌讨论

不同品牌的氙灯老化箱采用不同的校准方式：

（1） Atlas采用标准灯管校准，其本质为使用标准光源、设定一定功率，假定该功率在确定的Atlas机型上对应一个确定的辐照度，以此来对老化箱辐照度测量传感器进行校准；

（2） Q-Lab采用标准辐照度计校准，其品牌的辐照度计探头在校准证书上的不确定度为6.5 %，但在实际使用时发现其不同批次的探头存在一定程度的差异，且示值可能随温度的升高而改变。

（3） 标格达主要采用辐照度计校准、辅以爱万提斯（Aventes）AvaSUN-XL光谱能量仪及对灯管功率的关注来溯源老化箱辐照度，其标准辐照度计包括Q-Lab辐照度计及自产的辐照度校准仪。

虽然本次氙灯老化试验比对结果未发现系统性显著差异，但Atlas与Q-Lab两大进口品牌对辐照度的不同校准方法本身就会产生差异，辐照度校准的溯源问题有待国内厂商和测试机构进一步研究，这或许是需要各实验室持续关注并共同讨论的话题。

4.1.4 试验喷淋用水对失光率的影响

在本次比对试验的数据中，6#与15#实验室的失光率数值明显大于平均水平，经询问后得知其样板在试验后表面水渍明显，这可能是由于试验中喷淋水质出现问题所致；结合试板总体的光泽变化率不大，水渍问题可能是其样板失光的主要原因。另有其他实验室反映，试验后未经完全擦拭干净的试板，其光泽度数值偏小。

图1 带水渍的试板Figure 1 The test panel with water stain

4.2 荧光紫外老化试验结果分析

在本次试验中，参加荧光紫外老化试验比对的实验室采用的老化箱主要来自于美国Atlas、Q-Lab与国内标格达品牌，其中Atlas的UV-TEST与UV2000各1台，标格达BGD 856 2台，其余均为Q-Lab的QUV。由于本次比对样本量偏少，且与有关专家沟通后得出，240 h的比对时间可能未能充分反映试板老化的情况，因此较容易出现偶发因素导致的结果偏差。总体而言，荧光紫外老化比对试验结果并未出现明显异常，结果供相关实验室参考。其中，8#实验室的结果为歧离值，与该实验室沟通后，得出原因可能是由于其色差仪未正确校准所致。

4.3 测试的其它辅助设备

在本次比对试验中，大部分实验室采用d/8模型的色差仪（均采用包含镜面反射SCI模式）；小部分实验室采用8/d模型的色差仪；1家实验室采用多角度色差仪，该组数据只采集45°的测量数据进行比对。

在收集色差数据时，发现不同类型或同样类型但不同模式的色差仪的测量数据存在系统差异，在测量原始试板的L、a、b值时存在系统性差异，并不能完全比对上；用同样d/8模型的色差仪［包含镜面反射模式（SCI）与消除镜面反射模式（SCE）］测量试板试验前后的色差（ΔE）值时，两者也有差别。

另外，光泽度的测量与环境温湿度有重要关系，与前文提到的信息类似，有实验室反映在试板转移环境后，如温湿度变化过大，须重新擦拭后才能测量其光泽与色差。

5 结语

本次组织开展的氙灯老化比对试验与荧光紫外老化比对试验的结果为开展相关老化试验的测试机构提供了参考，且具有实际意义，主要包括以下下几点：

（1） 不同品牌、老化箱型号、灯管、滤光器的试验结果之间并未发现系统性、显著性的差别；然而，几个品牌的老化箱对辐照度的不同校准方法可能对辐照度的控制造成差异，辐照度校准的溯源问题有待国内厂商和测试机构进行进一步研究。

（2） 旋鼓型氙灯老化箱试验结果的一致性高于平板性氙灯老化箱，且旋鼓型老化箱的失光率结果普遍小于平板型老化箱，这可能是由试板架模型决定的。

（3） 水渍问题可能是造成样板失光的主要原因，因此在进行老化试验时，应密切关注水质，减少由水质不良引起的水渍问题。

（4） 使用不同模型或同样类型但不同模式的色差仪测量同一样品的光译时，结果可能存在差异，如需进一步提高试验结果的可比性，应对色差仪的模型及测量模式作进一步统一要求。