Gyorsított időjárás szimuláció módszertana
Ebben a cikkben az Ultraibolya vizsgálati módszerek, továbbá az alkalmazott UV-kamrák kerülnek ismertetésre.
Amint azt mindenki tudja, aki a szabadban töltött időt, a napfény potenciálisan károsíthatja a bőrt. Hatása ugyanilyen káros a sokféle gyártott anyagra, különösen ingadozó hőmérséklettel, páratartalommal és páralecsapódással szinergikusan kombinálva.
Idővel ez a halmozott károsodás a termék minőségromlását okozhatja. Az anyag fizikai tulajdonságai megváltoznak, ilyen például a repedés, hámlás, tapadás elvesztése, szilárdság vagy szerkezeti képesség károsodása. A napfény is okozhat vizuális eltérést is, például színek megváltozása és elhalványulása. Minden egyes anyag, sőt ugyanannak az anyagnak különböző színei, eltérő érzékenységgel rendelkezhet az ultraibolya (UV) károsító hatásával szemben.
A gyorsított UV időjárási tesztkamrák a természetes napfényt szimulálják és lehetőséget biztosítanak a gyártóknak termékeik relatív ellenállásának felmérésére, vagy termékeik tesztelésére; azoknak napfény hatására való lebomlásának vizsgálatára. Gyorsított UV időjárási hatások sokféle szerves anyagra alkalmazhatók, beleértve a textileket, műanyagokat, gumit, fát, üveget, festéket, pácokat, bevonatokat és egyéb szerves anyagokat. Közel egy évszázada használják a különféle gyártási ágazatokban, mint például az ipar, az autóipar, a repülőgépipar, a védelem, az elektronika, a kommunikáció, a bútorok, a textil, a háztartási gépek, a játékok stb.
Miért végezzünk gyorsított UV időjárási vizsgálatot?
A felgyorsított UV időjárás tesztelés végső célja, hogy a valós terepi környezetekben szükséges idő töredéke alatt pontos UV-degradációs információkat biztosítson. Nyilvánvalóan nem célszerű több évet várni egy termék tényleges időjárásállóságának meghatározására. A megfelelően megtervezett UV időjárásálló programok több hónapos vagy rövidebb élettartam-romlást képesek szimulálni.
A tesztelés a szükségletekhez igazítható vagy kifejleszthető olyan speciális kívánt jellemzők értékelésére, mint a polimer lebomlása, színváltozás akár egy adott éghajlati környezetben is. A tesztelés elvégezhető meghibásodási módok generálására, a meghibásodásig eltelt idő meghatározására, a piacon versenyben lévő anyagok vagy készítmények összehasonlítására vagy rangsorolására vagy minőség-ellenőrzési követelmény teljesítésére, illetve meghatározására.
A felgyorsított UV-öregedés költséghatékony azáltal, hogy visszajelzést ad az anyagok tovább fejlesztésén dolgozó K+F részére, csökkenti a forgalomba hozatali időt, és javítja a minőségellenőrzést.
A napfény megértése
Az UV-öregedés megértéséhez alapvető ismeretekkel kell rendelkezni a napfényről. A napfény különböző hullámhosszú elektromágneses energiából áll. A napfény intenzitása földrajzi elhelyezkedéstől függően változik, és mivel a légkör, a felhőzet, a szennyezés stb. szűri, ezáltal a napfény intenzitása adott hullámhosszon nemcsak évszakonként változik; de egy napon belül is számtalanszor.
A napfényt általában három fénykategóriára osztják: ultraibolya, látható és infravörös. Az ultraibolya fény a legrövidebb hullámhosszokból áll, legfeljebb 400 nanométer (nm).
Időjárás okozta degradáció
Az időjárás károsító hatása általában három tényezőre vezethető vissza: napfény, hőmérséklet és nedvesség.
Napfény – A legkárosabb napfény hullámhosszai az UV tartományba esnek, és tovább oszlanak UV-A, UV-B és UV-C tartományokra.
- UV-A: megközelítőleg 315-400 nm
- UV-B: megközelítőleg 270-315 nm
- UV-C: megközelítőleg 270 nm vagy kevesebb
Az UV-C-t jellemzően kiszűri a légkör, így az UV-sugárzással kapcsolatos aggályok az UV-A és UV-B tartományokra, valamint a rövidebb látható fény hullámhosszaira korlátozódnak. Ezek a hullámhosszok felelősek a polimerek lebomlásáért.
A színérzékenység (spektrális érzékenység) azt jelenti, hogy a fényérzékeny anyag milyen hullámhosszúságú sugárzásokra érzékeny. Ez az érték nagyon eltérő lehet a hasonló anyagok között. Az UV-hullámhosszak, és kisebb mértékben néhány rövidebb látható hullámhossz, az anyagok kémiai kötéseinek megszakításával fotokémiai reakciókat hoznak létre. A kémiai kötés elvesztését általában anyagromlásnak nevezik.
Minden anyagnak egyedi küszöbenergiája van. Ennél a küszöbenergiánál rövidebb hullámhosszúságú fény a kémiai kötések felszakadását okozza, míg a hosszabb hullámhosszúak nem, intenzitásuk ellenére. Ezért az UV-B-t tartják a leginkább káros polimert lebontó természetes hullámhossznak. Általában a küszöb feletti hullámhosszak nagyobbak és ezáltal nagyobb valószínűséggel okoznak színváltozást.
Bár az infravörös hullámhossz nem okoz fotokémiai reakciókat, de növeli a hőmérsékletet. A hőmérséklet emelkedése, akár besugárzás, akár környezet miatt, egyenesen arányos az UV-hullámhosszok megnövekedett oxidációs sebességével. Mivel a sötétebb színek több fényenergiát nyelnek el, érzékenyebbek a fény által kiváltott hőhatásokra.
Hőmérséklet – A hőmérséklet-ingadozások táguláson és összehúzódáson keresztül fizikai igénybevételt kölcsönöznek az anyagoknak. Ez gyakran aggodalomra ad okot a laminált vagy bevont anyagok esetében, ahol az eltérő tágulás/összehúzódás fokozott fizikai igénybevételhez, a tapadás elvesztéséhez vagy rétegek leválásához vezethet.
Nedvesség – Akár nedvesség, akár páralecsapódás formájában, a nedvesség megváltoztatja az anyagromlás sebességét, esetleg módozatait. A nedvesség a legnehezebben gyorsítható elem a tesztelés során, mivel a napi ciklusok megfelelő szimulálásához felhordási és száradási időszakokra van szükség.
UV szimulációs kamrák
A gyorsított UV vizsgálatok elvégzésére általában három típusú UV-tesztelőt használnak: ezek a széníves időjárási tesztkamrák, a xenoníves időjárási tesztkamrák és a fluoreszcens UV-teszterek. Amint az várható volt, mindhárom módszernek van némi közös jellemzője a tervezést illetően:
Minta hőmérséklet-szabályozás. Ezt általában egy szabványos fekete panel biztosítja, amelyet a próbatestek mellett helyeznek el. A fekete panel a termosztáthoz hasonlóan hőmérséklet-visszajelzést ad a műszernek. Megjegyzendő, hogy mivel a fekete több hőenergiát nyel el, mint a világosabb színek, előfordulhat, hogy a próbatestek valamivel alacsonyabb hőmérsékletnek vannak kitéve, mint amit a vizsgálati protokoll meghatároz. Néhány újabb specifikáció a fehér panel hőmérsékleti adatait is megköveteli, bár a vezérlés továbbra is a fekete panelen keresztül történik.
Páratartalom szabályozás. Ezt általában egy víztartály felmelegítésével biztosítják gőz előállítására. A nedves/száraz izzó érzékelői kiszámítják a kamra relatív páratartalmát, és visszajelzést küldenek a gőz generátornak a szükséges pára beállításához.
Világos/Sötét ciklus. Egyes vizsgálati profilok megkövetelik, hogy a próbatesteket folyamatos fénynek tegyék ki az expozíció alatt. Más tesztprofilokhoz világos időszakokra van szükség, majd sötét periódusokra a napi ciklusok szimulálására. Az egyes ciklusok időtartama a tesztprofiltól függően változhat. A világos/sötét ciklust jellemzően a kívánt ciklusra jellemző mechanikus vezérmű irányítja, vagy vezérlőszoftveren keresztül programozható.
Nedvesség/víz spray. A világos/sötét ciklusokhoz hasonlóan egyes külső expozíciókhoz vízpermetezési ciklus is szükséges a harmat vagy eső szimulálásához, a felületi anyagok erodálásához vagy hősokk kifejtéséhez. A permetezés időzítése és időtartama a tesztprofiltól függően változik, jellemzően az adott világos/sötét ciklussal összefüggésben. A vízpermet vezérlése a kívánt ciklusra jellemző mechanikus vezérművel történik, vagy vezérlőszoftverrel programozható.
A minta rögzítése. A széníves és a régebbi típusú xenon íves egységekben a próbatesteket egy forgódobos állványra rögzítik lapos fém mintatartókban. A forgódob egy központi fényforrás körül keringenek meghatározott távolságban. A forgatás csökkenti a fényforrásban lévő potenciális intenzitásváltozások által okozott hibákat. A bonyolultabb geometriájú minták speciális előkészítést és rögzítést igényelnek, hogy biztosan illeszkedjenek a mintatartóba és a fényforrástól megfelelő távolságban helyezkedjenek el.
A fluoreszkáló UV teszterekben lapos fém mintatartókat használnak a fényforrástól meghatározott távolságra. A minták azonban lapos panelen vannak elhelyezve. A régebbi egységek megkövetelik a próbatestek időszakos forgatását és a lámpák cseréjét a fényforrás intenzitásváltozásának csökkentése érdekében. Az újabb egységek ezt az igényt a fényérzékelő visszacsatolása révén kiküszöbölik. Megjegyzendő, hogy ezeket az egységeket lapos, plakkszerű, nagyjából 3 x 6 hüvelykes próbatestekhez tervezték (a konkrét méretek egységenként és modellenként változnak). A bonyolultabb geometriájú minták speciális előkészítést és rögzítését igényelnek, annak érdekében, hogy illeszkedjenek a tesztkamrába, és megfelelő távolságban maradjanak a fényforrástól.
A közelmúltban „platformos” Xenon íves egységeket fejlesztettek ki, amelyekben xenonlámpák sorozata világít le egy síkfelületre. A mintatartó elég nagy ahhoz, hogy hozzávetőleg 16 x 28 hüvelykes minták is elhelyezhetők legyenek, és bővíthető bizonyos bonyolultabb geometriával rendelkező mintákhoz. A nagyobb mintatartók használata előnyös a további vizsgálatokhoz.
Noha ezen a módszereknek megvan a maga előnye és hátránya, azonban számos paraméterrel rendelkeznek, amelyek segítségével az „időjárási tényezők” a szükséges vizsgálati elvárásoknak megfelelően beállíthatóak. A fő különbség az UV időjárási tesztkamrák különböző típusai között megközelítésük és képességük a természetes napfény megfelelő szimulálására.
Következtetés és megjegyzések
A történelem során az ipar különböző szegmensei használtak speciális UV időjárási tesztkamrákat – némelyik a tesztmódszer termékhez való kialakítása miatt, mások pedig a piaci elsőbbség vagy adatok elérése miatt. A jobb spektrumillesztésnek, besugárzásszabályozásnak köszönhetően azonban megbízhatóság, reprodukálhatóság és költséghatékonyság miatt a Xenon széníves időjárási tesztkamrák és a fluoreszkáló UV tesztkamrák egyre népszerűbbekké válnak.
A gyártók gyakran felteszik a kérdést, hogy az időtartamok hogyan felelnek meg a tényleges szabadtéri élettartamnak. Míg egyes iparágakban általános számítások vannak arra vonatkozóan, hogy megpróbálják a tesztadatokat a szabadtéri élettartam alatt a terméket érő tényezők meghatározásához közelíteni, nincs végleges korreláció anélkül, hogy nagyon specifikus tanulmányokat végeznének, amelyek összehasonlítják az adott anyagot, színt, gyártási módszert a tényleges szabadtéri élettartammal meghatározott földrajzi elhelyezkedés tekintetében. Még ilyen körülmények között is a korreláció a legjobb esetben is csak megközelítő becslés.
A technológiai fejlődés ellenére egyetlen tesztegység sem képes teljes mértékben reprodukálni az összes lehetséges helyszíni üzemi körülményt, amellyel egy termék találkozhat. Az UV időjárási tesztkamrák pusztán a termék vagy anyag relatív időjárási ellenállásának mérésére szolgáló eszköz. Pontosabban a termék meghibásodási módjainak megbízható és reprodukálható létrehozására, az idő és a meghibásodás közötti összehasonlításra, a versengő anyagok vagy készítmények rangsorolására, illetve a minőség-ellenőrzési követelmények teljesítésére vagy meghatározására használhatóak ezek a tesztkamrák.
