装备环境工程第19卷第11期·150·EQUIPMENT ENVIRONMENTAL ENGINEERING2022年11月
太阳跟踪反射聚能户外加速曝晒方法
的对比研究
刘丹1，张晓略1，杜砚文2，毛敬侨3，张恒4（1.泛亚汽车技术中心有限公司，上海 201201；2.上海关点质量检测技术服务有限公司，上海 201319；
3.东华大学，上海 201620；
4.美国Q-Lab公司上海代表处，上海 201114）
摘要：目的找出太阳跟踪反射聚能户外加速曝晒方法的特点和价值。方法基于几种典型的透明高分子材料试样，分别在佛罗里达典型亚热带潮湿环境自然曝晒、汽车外饰实验室氙灯加速耐候试验及亚利桑那太阳跟踪反射聚能户外加速曝晒黄变结果相关性、加速性和区分度的对比分析，来比较这几种试验方法的特点。结果户外加速曝晒和自然曝晒的相关性高于氙灯加速试验和自然曝晒的相关性。与自然曝晒相比，户外加速曝晒的平均加速倍率及不同试样的加速倍率的相对差异明显小于氙灯加速试验。自然曝晒和户外加速曝晒的区分度也明显大于实验室氙灯加速试验。结论户外加速曝晒方法较好地均衡了相关性、加速性、加速一致性及区分度，适合高分子材料的验证性试验。
关键词：高分子材料；氙灯；老化；太阳跟踪聚能曝晒；户外加速曝晒；耐候性；黄变
中图分类号：TQ317.6 文献标识码：A 文章编号：1672-9242(2022)10-0150-06
DOI：10.7643/ issn.1672-9242.2022.11.020
Comparative Study on Accelerated Outdoor Exposure Methods with Solar Tracking
and Reflective Energy Accumulation
LIU Dan1, ZHANG Xiao-lue1, DU Yan-wen2, MAO Jing-qiao3, ZHANG Heng4
(1. Pan Asia Automotive Technology Center Co., Ltd., Shanghai 201201, China; 2. Shanghai Guandian Quality Inspection and
Technology Service Co., Ltd., Shanghai, 201319, China; 3. Donghua University, Shanghai 201620, China; 4. Shanghai Repre-
ntative Office of American Q-Lab Company, Shanghai 201114, China)
ABSTRACT: This paper aims to find the characteristics and value ofoutdoor accelerated exposure m
ethod with solar tracking reflection and concentrated energy.Bad on veral typical transparent polymer material samples, the characteristics of the test methods are compared by comparing the correlation, acceleration and discrimination of the yellowing results of natural ex-posure in Florida’s typical subtropical humid environment, xenon lamp accelerated weathering test in the automotive exterior decoration laboratory and Arizona’s solar tracking reflection shaped energy outdoor accelerated exposure. The correlation be-tween outdoor accelerated exposure and natural exposure is higher than that between xenon lamp accelerated test and natural exposure. Compared with natural exposure, the average acceleration ratio of outdoor accelerated exposure and the relative dif-
收稿日期：2021–12–01；修订日期：2022–03–14
Received：2021-12-01；Revid：2022-03-14
作者简介：刘丹（1984—），男，硕士，工程师，主要研究方向为汽车非金属材料及非金属材料老化性能。
Biography：LIU Dan (1984-), Male, Master, Engineer, Rearch focus: nonmetallic materials of automotive and aging of nonmetallic materials. 通讯作者：张晓略（1979—）女，硕士，工程师，主
要研究方向为汽车非金属材料。
Corresponding author：ZHANG Xiao-lue (1979-), Female, Master, Engineer, Rearch focus: nonmetallic materials of automotive.
引文格式：刘丹, 张晓略, 杜砚文, 等. 太阳跟踪反射聚能户外加速曝晒方法的对比研究[J]. 装备环境工程, 2022, 19(11): 150-155.
LIU Dan, ZHANG Xiao-lue,DU Yan-wen, et al. Comparative Study on Accelerated Outdoor Exposure Methods with Solar Tracking and Reflective En-ergy Accumulation[J]. Equipment Environmental Engineering, 2022, 19(11): 150-155.
第19卷第11期刘丹，等：太阳跟踪反射聚能户外加速曝晒方法的对比研究·151·
ference of acceleration ratio of different samples are obviously smaller than that of xenon lamp accelerated test. The distinction between natural exposure and outdoor accelerated exposure is also significantly greater than that of xenon lamp accelerated test in laboratory. The outdoor accelerated exposure method has well balanced the correlation, acceleration, acceleration consistency and discrimination, and is suitable for the verification test of polymer materials.
KEY WORDS: polymer; xenon lamp; weathering; concentrated nature sunlight exposure;exposure methods withsolar tracking accumulation; weatherability; yellowing
高分子材料在使用过程中，因为光照、温度和潮湿等气候因素的影响，会产生不同程度的老化[1-2]。自然曝晒是评估材料耐候性较为可靠的方法之一[3]，将高分子材料及零部件放置在自然环境下进行曝晒试验，使得试样承受各种环境因素的综合作用，对试样进行定期外观及力学性能的评估，考察试样的耐候性能[4]，为预测高分子材料使用寿命提供依据[5]。自然曝晒试验的周期较长，不同地区、年份的气候差异可能很大，试验结果可重复性差，不同自然环境的试验结果往往不能进行直接比较[6]。
实验室加速耐候试验，通过模拟光照、温度及水分等环境参数，控制并提高试验强度，以缩短试验周期[7]。实验室加速耐候试验适合材料耐候性能的质量控制[8]。实验室加速耐候试验光源主要有碳弧灯、氙弧灯、荧光紫外灯和金属卤素灯等[9]。氙灯可以较好地全波段模拟太阳光，是目前高分子材料光老化试验的主要光源之一。实验室试验方法的缺点是模拟的环境参数有限，且试验条件相对户外实际条件较简单，试验结果与自然曝晒的一致性因材料而异。
太阳跟踪反射聚能户外加速曝晒试验[10]利用自然太阳光作为光源，白天自动跟踪太阳，使用多面反射镜，将太阳光全光谱反射并汇聚在试样上，实现多倍太阳光辐照，还可以根据需要对试样进行喷水，以模拟潮湿气候对试样的影响。试验使用自然太阳光，试验周期为自然周期（24 h），是一种国际上已经存在多年的户外加速试验方法[11]。
材料耐候试验目的可细分为质量控制、开发验证和寿命预测等。评估这几种试验方法，可为不同目的的试验方法的选择提供参考。本文将4种高分子材料试样（2种PC材料，2种PS材料），分别进行佛罗里达自然曝晒试验（以下简称自然曝晒）、氙灯实验室加速试验（以下简称氙灯加速试验）和亚利桑那用户外太阳跟踪反射聚能装置加速曝晒试验（以下简称户外加速曝晒），定期测量试样的黄变值[12]。通过分析试验结果，来对比评估这几种试验方法。
1 试验
1.1 材料
本次试样的原料成分有聚碳酸酯和聚苯乙烯。聚碳酸酯（PC）是主链中含有碳酸酯基的高分子聚合物，无色透明，具有良好的力学性能，耐冲击性能好，易于加工，作为工程塑料广泛应用于汽车工业、电子电器工业、医疗保健及玻璃工业[13]，如汽车天窗、车灯、仪表板等，因此研究聚碳酸酯的老化性能对其应用很重要。PC材料在自然曝晒过程中容易发生酯基的Fries光重排反应和偕二甲基光氧老化反应，老化产物含变色基团，从而产生黄变[14]。
pocket聚苯乙烯（PS）的侧链上连接着侧苯基，苯环
在紫外光的作用下容易形成醌式结构而变黄[15]。也因为其老化周期相对较短，试样制备时稳定性好，
纯聚苯乙烯避免了高分子材料复杂的化学结构对老
化的影响[16]，所以聚苯乙烯常被选作标准材料来评估老化试验的重现性。
将4种试样分别用代号PC1、PC2、PS1和PS2表示。PC1是国内企业开发的标准参照样；PC2为车灯用聚碳酸酯材料；PS1是用于SAE J2412及SAE J2527标准比对测试的商业参照样；PS2为通用级聚苯乙烯材料。
1.2 主要设备及仪器
实验室设备：户外标准曝晒架、太阳跟踪反射聚能曝晒装置、氙灯老化箱、色差计等。
1.3 自然曝晒
自然曝晒在佛罗里达进行，站点气象信息见
表1[17]。在佛罗里达按照SAE J1976 A方法进行有背板自然曝晒试验[18]，试样面向赤道与水平夹角为5°。每2个月对试样进行1次性能评估。
表1 佛罗里达站点地理位置及气候特点
Tab.1 Geographical location and climate conditions of Florida 地点佛罗里达blurt
地理位置北纬25°27'，西经80°30'，海拔7 m
气候特点亚热带气候，阳光充足，潮湿，温暖
年平均温度26 ℃
年平均相对湿度 84% 年平均降水量 1 245 mm
年辐射总量 6 588 MJ/m2
年辐射紫外部分总量280 MJ/m2
·152· 装 备 环 境 工 程 2022年11月
1.4 氙灯加速试验
按照SAE J2527汽车外饰氙灯加速试验标准[19]
进行氙灯加速试验，试验参数见表2。
1.5 户外加速曝晒
在Q-Lab 公司美国亚利桑那曝晒场用Q-TRAC
太阳跟踪反射聚能曝晒装置进行户外加速曝晒。试验根据ASTM G 90[20]的循环3，晚上7点至早上5点期间，水喷淋3 min ，停止12 min ，每小时重复4次，白天不进行水喷淋。每隔10 d 测量1次试样的黄变值。50 d 的试验过程中，录得总辐照量4428 MJ/m 2，其中紫外辐照量为180MJ/m 2。
表2 氙灯加速试验循环参数
Tab. 2 Xenon lamp weathering test parameters
标准
滤光片
周期
步骤 试验循环和参数设定
1 辐照度为0，黑板温度为(38±3) ℃，相对湿度为95%±5%，60 min 黑暗循
环，箱体空气温度为(38±3) ℃，正面+背面水喷淋 2
辐照度为0.55 W/m 2@340 nm ，黑板温度为(70±3) ℃，相对湿度为50%±5%，40 min 光照循环，箱体空气温度为(47±3) ℃ 3 辐照度为0.55 W/m 2@340 nm ，黑板温度为(70±3) ℃，相对湿度为50%±5%，20 min 光照循环，箱体空气温度为(47±3) ℃，正面水喷淋 SAE J2527
紫外延展型 3 h
4
辐照度为0.55 W/m 2@340 nm ，黑板温度为(70±3) ℃，相对湿度为50%±5%，60 min 光照循环，箱体空气温度为(47±3) ℃
1.6 试样性能评估
试样颜色变化的评定参照SAE J1545[21]，选用CIE L*a*b 色空间、D65光源、10°观察角、镜面反射
纳尼亚传奇片尾曲
包含条件进行测定[22]。测量颜色的L 值（明度）
、a 值（红绿相）、b 值（黄蓝相），测量3次取平均值。因为试样的颜色变化主要来源于b 值的变化，所以计
算Δb ，即黄变值[23]
，来反映试样的老化。
2 结果
exm4种试样在佛罗里达自然曝晒、氙灯加速试验和Q-TRAC 户外加速曝晒的黄变值分别如图1—3所示。3种试验条件中，4种试样黄变值与曝晒时间都基本呈线性关系。
3 加速试验与自然曝晒的对比分析
3.1 相关性分析
皮尔逊相关系数[24]是度量2个变量序列之间相
图1 佛罗里达自然曝晒结果
Fig.1 Natural exposure results in Florida
图2 SAE J2527标准氙灯加速试验结果 Fig.2 Xenon lamp accelerated weathering test
result with SAE J2527
图3 亚利桑那太阳跟踪反射聚能户外加速曝晒试验结果 Fig.3 Test result from accelerated outdoor exposure with
concentrated natural sunlight in Arizona
关程度的一种常用方法[25]。皮尔逊相关系数值介于‒1和1之间，其值越大，相关性越好，在0.8~1为极强
第19卷第11期刘丹，等：太阳跟踪反射聚能户外加速曝晒方法的对比研究·153·
正相关。选取试样老化黄变程度相当，不同方法的相应时间节点来做比较，分别计算120 d的自然曝晒与50 d户外加速曝晒和14 d氙灯加速试验间的皮尔逊相关系数。
SAE J2527氙灯加速试验方法与佛罗里达自然曝晒的相关系数为0.88，户外加速曝晒与佛罗里达自然
曝晒的相关系数高达0.96。2种加速试验方法和自然曝晒都属于极强相关，户外加速曝晒方法比氙灯加速试验方法与佛罗里达自然曝晒的相关性更好，可能的原因有：户外加速曝晒在自然环境中，利用的自然太阳光，且试验周期和自然曝晒相同（24 h），而氙灯加速试验在人工环境，使用的人工光源与太阳光会有一定的差异，且试验周期（3 h）较短。
3.2 加速倍率比较
因为氙灯加速试验与户外加速曝晒相对于自然曝晒的相关系数都很高，所以可以进一步考察2种加速方法相对自然曝晒的加速倍率。根据达到相同黄变值时不同方法所需要的时间来求加速倍率，加速因子
（AF）[26]根据式（1）来计算，即加速方法相对于自
然曝晒的加速倍率。
1
subject什么意思2
t
AF
t
(1)新航道英语
式中：AF为加速因子；t1为达到指定黄变值时
的自然曝晒天数；t2为达到相同黄变值时加速试验
的天数。通过加速试验终止时的黄变值，在图1中
找出对应的自然曝晒所需天数，计算3种试样加速
倍率，及加速倍率的平均值和变异系数，结果见表
3、表4。
由表3和表4可以看出，亚利桑那户外加速曝晒
相对于佛罗里达自然曝晒的平均加速倍率为 2.9，
SAE J2527氙灯加速试验相对于佛罗里达自然曝晒的
平均加速倍率为10，氙灯加速试验的加速倍率大于
户外加速曝晒。佛罗里达的自然曝晒环境比世界上的
大多数地方要严酷许多，近3倍的户外加速曝晒的加
速倍率可以满足大多数验证试验的需求。
表3 Q-Trac 户外加速曝晒相对于自然曝晒的加速倍率 Tab.3 Accelerating factor of Q-Trac sunlight concentrator test
材料Q-TRAC户外加速曝晒最
终黄变值
佛罗里达自然
曝晒/d
Q-TRAC户外加速
曝晒/d
加速倍率平均加速倍率变异系数/%
PS2 13.67 140 50 2.8
PS1 7.03 125 50 2.5
PC1 11.45 166 50 3.3
PC2 1.38 141 50 2.8
2.9 10
表4 氙灯加速试验相对于自然曝晒的加速倍率
Tab.4 Accelerated rate of xenon lamp accelerated weathering test
材料氙灯加速试验
最终黄变值
佛罗里达自
然曝晒/d
Q-TRAC户外加
速曝晒/d
加速倍率平均加速倍率变异系数/%
PS2 7.94 82 14 5.9
PS1 5.64 100 14 7.1
PC1 9.44 135 14 9.6
PC2 3.15 269 14 19
10 50
另外，4种试样氙灯加速试验的加速倍率变异系数（50%）远大于户外加速曝晒的加速倍率变异系数
（10%）。较低的加速倍率变异系数，更有利于加速试验中不同试样之间的平行比较。表4中PC2试样的氙灯加速试验的加速倍率（19倍）是PC1试样的加速倍率（5.9倍）的3倍多，其原因可能来自相同的加速方法中参数的加强（更高光强、更高温度、更多紫外线等），作用在不同材料的实际效果会有差异，有些材料可能会对某些波段的紫外线更敏感，某些材料可能对温度更敏感，脱离材料谈加速方法的加速倍率意义不大。在质量控制中，设定实验室氙灯加速试验时长和指标要求时，建议对于不同材料要区别对待。3.3 区分度分析
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3种曝晒条件下，4种试样曝晒时间不同但黄变值相当的结果比较如图4所示。从图4中可以更直观地看出，Q-Trac户外加速曝晒与佛罗里达自然曝晒试样结果排序的一致性，明显好于SAE J2527氙灯加速试验与佛罗里达自然曝晒试样结果排序的一致性。同时，从图4还可以看出，同一试验方法中，佛罗里达自然曝晒和Q-Trac户外加速曝晒中试样的的差别明显大于SAE J2527试验结果。
这里尝试用区分度来表达2种加速老化方法对不同材料的区分能力。在不同领域，区分度有不同的计算方法[27]，统计学中的变异系数可以表达结果的离
·154· 装 备 环 境 工 程 2022年11月
图4 4种试样在3种试验方法下最终黄变值 Fig.4 yellowing degree of four materials under three tests 散程度。本文用变异系数来表征试验方法的区分度，
分别计算同一组试样在不同试验条件下试验结果（黄变值）的变异系数，结果见表5。在Q-Trac 加速试验中，4种试样黄变值的变异系数（56%）和自然曝晒的（59%）相当，而SAE J2527氙灯加速试
验中的4种试样黄变值的变异系数（36%）要小很多。变异系数反应结果的离散程度，相关性好的前提下，试验方
法的变异系数越大，该方法对被测的一组试样的区分
能力越强，越有利于考察材料性能差异。
销售员英文表5 4种试样在3种试验方法下黄变值的变异系数
Tab.5 Coefficient of Variation of four materials’ yellowing degree under three tests
黄变值
佛罗里达 （120 d ） Q-TRAC （50 d ） SAE J2527 （14 d ） PS1 10.81 13.67 7.94 PC1 8.35 11.45 9.44 PS2 6.31 7.03 5.64 PC2 0.44 1.38 3.15
平均值 6.48 8.38 6.54
标准差
3.83
4.70 2.38 变异系数/%
59 56 36
4 结论
通过对3种耐候试验方法的相关性、加速倍率、
加速倍率的变异系数和区分度的分析，可以得出以下
结论：
fanyi1）户外加速曝晒和自然曝晒的相关系数明显高
于氙灯加速试验和自然曝晒的相关系数。
2）户外加速曝晒相对自然曝晒的加速倍率小于
氙灯加速试验相对自然曝晒的加速倍率。
3）户外加速曝晒相对自然曝晒的不同样品，加
assure
速倍率的相对差异也小于氙灯加速试验，有利于加速试验时试样之间的平行比较。 4）自然曝晒和户外加速曝晒中，试样之间的性能差异比氙灯加速试验中的更明显，有利于试样之间的区分比较。 总之，除了加速倍率小于氙灯加速试验外，户外
加速曝晒较好地均衡了相关性、加速性、加速一致性和区分度，适合高分子材料的配方筛选、工艺改进时验证性对比试验和寿命预测。另外，此次研究结果基于选取的几种通用材料，不一定适用其他材料。 参考文献：
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