20世紀初期，研究人員通過把樣品放在豎立的、朝南的架子上在戶外進行曝曬，對材料的耐候性能進行評估。到了1908 年，美國材料實驗協(xié)會(ASTM)D-1委員會和涂料制造協(xié)會開始在新澤西州的大西洋城進行涂料的戶外曝曬測試。為了縮短測試時間，他們使用了一種傾斜 45 度朝南的架子，以使更多的陽光照射在樣品上。45 度角傾斜曝曬架是第一種戶外加速老化的方法。以后的幾十年里，加速老化的方法在不斷的改進。到了20 世紀 30 年代，發(fā)明了一種簡單的單軸的隨太陽轉(zhuǎn)動的裝置，它可從早到晚隨著太陽轉(zhuǎn)動。到了50年代，這種架子才開始商業(yè)化生產(chǎn)。60 年代，又在這種裝置上加上反射鏡，使陽光更多的集中到樣品上來加速老化。

Q -Trac自然太陽光跟蹤聚能曝曬裝置

Q-Trac自然太陽光跟蹤聚能曝曬裝置是一種先進的雙軸自然加速老化試驗機。它是一種戶外曝曬裝置，能自動地從早到晚跟蹤太陽，且能自動補償因季節(jié)變化而引起的不同太陽仰角的影響。同時，Q-Trac上的反射鏡可以把全光譜太陽光集中到測試樣品上。這種跟蹤太陽的日光聚集系統(tǒng)增加了照射到樣品上的陽光能量。

Q-Trac是有效的戶外加速老化方法，測試期間，它可以在短時間內(nèi)對產(chǎn)品性能進行評估。此外，與實驗室加速老化試驗裝置相比，Q-Trac無需考慮模擬光源是否與自然光匹配，因為其光源本身就是自然太陽光。

盡管 Q-Trac僅在亞利桑那使用，但它可以真實模擬很多實際應(yīng)用環(huán)境。例如，佛羅里達南部的氣候條件可通過附加超純水噴淋來進行模擬。Q-Trac快速、真實、可重復(fù)的測試結(jié)果使之成為一種引人關(guān)注的測試方法，適用于多種類型的材料測試和應(yīng)用環(huán)境的模擬。

會聚自然太陽光

反射鏡陣列

Q-Trac采用一列10個平面反射鏡來獲得單一曲面反射鏡的效果。這種類型的反射鏡陣列叫做菲涅耳聚能器(Fresnel)。當陽光以接近90度角照射到這些反射鏡上，反射鏡會反射太陽光，并會聚到樣品架上(如圖 1 所示)。

圖1. Q-Trac 是菲涅耳聚集器。陽光被 10 個反射鏡反射后直接聚集到樣品架上

反射鏡陣列經(jīng)特殊設(shè)計，僅反射 6 度視角太陽光，這保證了反射到樣品架上的光線是直射的光束，而非漫射(或散射)光。

Q-Trac 上的反射鏡反射性很強，且每隔一段時間 Q-Lab 的技術(shù)員，就會對其進行清潔處理以保持其反射率。一旦某塊鏡面上在 310nm 處的光譜反射率低于 65%，就應(yīng)更換反射鏡。

太陽跟蹤

單軸裝置:

20世紀60年代的單軸太陽光跟蹤聚能曝曬裝置能自動跟蹤太陽的方位(或者說是在一天中太陽從東轉(zhuǎn)向西的運動)變化。這種曝曬裝置從日出到日落水平的旋轉(zhuǎn)。因為地球 24 小時自轉(zhuǎn)一周，所以方位角每小時改變15 度。

為了全方位地跟蹤太陽，對太陽仰角或者說太陽與水平面之間的角度的跟蹤也很有必要。所以對于單軸裝置，每6-8周必須手動調(diào)節(jié)高度。但因為太陽的仰角每天都會發(fā)生變化，單軸裝置不能夠一直保持會聚陽光的較好位置。

雙軸裝置:

新的雙軸裝置能自動跟蹤太陽的方位角和仰角。為了跟蹤太陽仰角，Q-Trac 垂直傾斜，同時調(diào)整太陽隨季節(jié)發(fā)生的仰角變化和每天的方位變化。Q-Trac 連續(xù)、自動地跟隨太陽的方位角和仰角以保持太陽光沿法線方向入射到反射鏡座，或者說是鏡座垂直于太陽光(如圖 2 所示)。

圖2． Q-Trac 不僅每天從早到晚跟蹤太陽，而且為了補償太陽仰角的變化而作季節(jié)性調(diào)整，使得儀器永遠保持聚焦，樣品可接收到最大量的陽光

Q-Trac的旋轉(zhuǎn)和傾斜運動，由安裝在樣品架上的感光探頭(太陽能電池)來控制。感光探頭的一個元件控制水平旋轉(zhuǎn)運動，而另一元件控制傾斜運動。感光探頭的每一元件都裝備有一個內(nèi)置的遮光器。選擇好焦點,感光探頭的兩個元件會得到均等照射,不會有任一個被遮擋。當一個元件開始被遮擋時,Q-Trac 會自動調(diào)整以保持位置適當(如圖 3 所示)。

圖3．日光傳感器安裝在樣品架上，當一個裝置被遮擋時，Q-Trac 會自動調(diào)整裝置以保持聚焦方位。

亞利桑那晴朗無云，陽光充足

Q-Trac僅在天空晴朗、陽光充足的時候才能正常工作。為了使Q-Trac更有效地會聚陽光，要求日照時間長，云量少且光線散射小，同時空氣濕度也較低。通常來說由一個6 度直射光輻照計測量直射光束的輻射能，Q-Trac工作時其值不能低于75%。甚至當天空無云時，如果相對濕度很高，大量的陽光也會發(fā)生散射，而直射光束的量很可能低于75%。在美國大陸的少數(shù)幾個曝曬場，能夠提供理想測試條件、陽光充足、空氣濕度低的只有亞利桑那州的鳳凰城。它的相關(guān)氣候資料見附錄 A.2。

樣品的安裝和冷卻

樣品架

樣品架位于反射鏡陣列的正對面，是安裝樣品的區(qū)域。在 Q-Trac 上，樣品的最大長度和寬度不能大于樣品架的長度和寬度 60 英寸× 5.5 英寸(152.42 ×13.97厘米)。另外，樣品的厚度不得大于 0.5 英寸(13毫米)(如圖 4 和圖 5 所示)。

圖4. 樣品架位于反射鏡陣列的正對面，樣品朝向反射鏡，而非直接朝向太陽

圖5.樣品被夾住并安裝在樣品架上。

樣品的安裝方式包括有背板、無背板和玻璃框下三種。當把樣品直接安裝在樣品架上時，兩者之間沒有空隙，樣品被認為是“有背板”。有背板樣品的溫度比無背板樣品的溫度要高。

空氣冷卻系統(tǒng)

從反射鏡陣列產(chǎn)生的高度會聚的陽光可在樣品架上產(chǎn)生高溫。為了使樣品保持一個適當?shù)臏囟惹曳乐篃釗p失，樣品架安裝在一個空氣冷卻槽的下面。當空氣被強制通過冷卻槽時，一個空氣導(dǎo)向裝置使大量空氣通過樣品表面(如圖6 所示)。大部分Q-Trac測試樣品的溫度與曝曬在傳統(tǒng)戶外測試架上的相比，大約相差 10°C 以內(nèi)。

圖6．大量空氣被強制通過空氣冷卻槽，并轉(zhuǎn)向通過樣品表面

當電力不足或氣流不足的情況下，一個自動防故障裝置的離合器會自動釋放，重力使Q-Trac自然太陽光聚集器脫離聚焦，避免樣品過熱。

潮濕模擬：程控噴淋循環(huán)

有些測試要求水噴淋循環(huán)來有效的模擬實際應(yīng)用環(huán)境。用 Q-Trac微處理器控制的水噴淋循環(huán)可真實模擬熱沖擊和/或夜間潮濕(露水)。

用 4 個距樣品架大約18英寸的噴嘴來噴淋高純度水(如圖7所示)。噴嘴往測試材料上均勻噴水，流速在0.20-0.25 GPM (0.7569-0.9461 LPM)之間。

圖7. 四個噴嘴以0.0-0.5GPM的速率往樣品上噴淋高純度水。

晚上，Q-Trac旋轉(zhuǎn)到 5 度倒置鎖定位置，此時樣品朝上(如圖8所示)。這一重要設(shè)計使樣品整晚處于潮濕狀態(tài)，且真實模擬佛羅里達南部的潮濕時間(TOW)。老式單軸裝置，沒有5 度倒置功能，顯著減少了樣品的潮濕時間。

圖 8. 在5 度倒置鎖定位置模擬夜晚樣品表面上的露水形成,鎖定位置便于樣品安裝和測量。

用于 Q-Trac噴淋循環(huán)的水經(jīng)過反滲透和去離子凈化處理。高溫會引起不純的水腐蝕樣品表面。另外，不純的水會在樣品上形成污染沉積物。由腐蝕和污染物會引起通常在戶外曝曬時不會發(fā)生的結(jié)果。作為預(yù)防措施，在Q-Lab亞利桑那，水質(zhì)需要定期檢查。

模擬佛羅里達曝曬

在佛羅里達南部，潮濕在加速材料老化的過程中起關(guān)鍵性的作用。通過把測試樣品曝曬在白天和夜間的水噴淋循環(huán)中，Q-Trac 自然太陽光聚集器可以模擬亞熱帶條件的影響。有兩個循環(huán)用來模擬佛羅里達南部氣候條件：噴淋循環(huán)-1和噴淋循環(huán)-2。

噴淋循環(huán)-1

白天，Q-Trac向被測樣品每小時噴淋8 分鐘。晚上，Q-Trac反轉(zhuǎn)到 5 度鎖定位置。晚上9 點、午夜及凌晨3點分別向樣品噴淋8 分鐘以模擬露水的形成。噴淋循環(huán)-1特別適合于建筑材料、粘合劑和一些塑料制品的測試(如圖9所示)。

圖 9. 水噴淋循環(huán)用于模擬如佛羅里達南部地區(qū)的氣候條件。

噴淋循環(huán)-: 夜間濕潤

夜晚，水噴淋循環(huán)是：噴淋3 分鐘后停止12分鐘，每小時重復(fù)4 次，每晚整個過程從晚上7 點持續(xù)到早上 5 點。在白天，不進行噴淋。噴淋循環(huán)-2 特別適合于一些涂料測試。

測試時間的確定

有很多方法可用來確定Q-Trac的測試時間。當參照物的變化達到預(yù)先設(shè)定的程度，即取出試樣?；蛘弋斣嚇颖旧淼男阅?如光澤，顏色)下降到預(yù)先設(shè)定的程度來確定測試時間。Q-Lab推薦根據(jù)累計的紫外線曝曬量來規(guī)定測試時間，雖然規(guī)定測試時間也應(yīng)考慮總的太陽光輻射曝曬。

累計的紫外線曝曬量

.以累計的紫外線曝曬量來規(guī)定測試時間，我們推薦這一方法的原因是，太陽光中的紫外線通常是引起材料老化的主要原因。通常，試驗的終點由佛羅里達(亞熱帶)或亞利桑那(干旱地區(qū))的等效太陽年確定。等效太陽年以多年實際的日照測量數(shù)據(jù)的平均值為基礎(chǔ)(如表1所示)。

每年，Q-Trac將產(chǎn)生大約1420 MJ/m2的總紫外線輻射。這一數(shù)值大約是在佛羅里達(亞熱帶)測試5 年多累計的紫外線輻射，或是在亞利桑那(干旱地區(qū))測試 4.25年累計的紫外線輻射量(如圖10 所示)。但這并不意味著Q-Trac在一年測試中使樣品發(fā)生的降解是在佛羅里達必須要測試5 年才能達到相同結(jié)果。像所有的加速老化測試，加速老化程度與許多因素相關(guān)，如材料的成分，發(fā)生降解的模式，溫度響應(yīng)和潮濕等。然而一般來說，人們可期望Q-Trac的加速老化速度大約是佛羅里達進行自然曝曬的 3 到 10 倍。

輻照量的測量

到達樣品架上的輻照量不能直接測量。正確的做法應(yīng)該是：照射在反射鏡上的太陽能乘以反射鏡的數(shù)量，再乘以反射鏡的平均反射率來計算累計的輻照量。

一個特別設(shè)計的，太陽跟蹤裝置連續(xù)監(jiān)測接近法線入射處的太陽能。跟蹤裝置裝備有一個正入射直射光輻照計中度計(NIP)和兩個Eppley全紫外線輻射計(TUVR)(如圖11所示)。

僅測量紫外線

兩個 Eppley TUVR測量太陽光譜中的紫外線部分(295-385nm)。一個TUVR 裝備有一個黑色的遮蔽盤，僅用來測量散射光線。另一個 TUVR測量整個180度的區(qū)域，既包括直射光束又包括散射光線。遮蔽的和未遮蔽的TUVR之間的差值表明有多少直射的紫外線照射到Q-Trac的每個反射鏡上。這一數(shù)據(jù)是計算累計 TUV 量的基礎(chǔ)。

測量紫外線、可見光和紅外線

一個法線入射中度計(NIP)測量總的直射光束輻射(295-3000nm)。NIP可觀測 6 度視角范圍，并利用一個準直管來排除散射光。對總的輻射能的計算同計算總的紫外線輻射相類似。

凍融循環(huán)或硬質(zhì)纖維板 ( ASTM D57 )

白天，按照 ASTM G90，Procedure B，Cycle 1 曝曬樣品。傍晚，整個試驗架(包括樣品)從 Q-Trac 中取出。樣品被浸入去離子水箱中浸泡 1 小時，溫度保持在 21°C ± 3°C (70°F ± 5°F)。浸泡以后，將此試驗架(包括樣品)放在一個冷凍裝置中(溫度保持 -18°C [0°F ] )放置 12 個小時。

第二天早上，樣品在實驗室室溫條件下解凍，此解凍過程最少需要1小時。試驗架(包括樣品)重新安裝在 Q-Trac上，以進行下一天的戶外曝曬。這種循環(huán)被用來快速且精確地評價涂層的耐候性，如涂層的開裂、起皮及片狀剝落等。

總結(jié)

自然太陽光跟蹤聚能曝曬裝置自20世紀 60年代被用于自然戶外加速老化試驗。Q-Trac自然太陽光跟蹤聚能曝曬裝置是一種先進的雙軸裝置。它從早到晚持續(xù)跟蹤太陽且自動補償太陽仰角因季節(jié)變化引起的影響。反射鏡陣列把陽光高度聚集到測試樣品上。一年內(nèi)，Q-Trac樣品接收到的紫外線的總量是在佛羅里達的5倍。這使得對產(chǎn)品的測量周期大大縮短。

因為 Q-Trac在陽光充足的時候能最有效地會聚陽光，所以它僅適合在亞利桑那州的鳳凰城地區(qū)使用，鳳凰城的氣候條件是最適合的。在白天或夜間，水噴淋循環(huán)都能使樣品變濕以模擬不同的實際應(yīng)用條件。晚上，Q-Trac 旋轉(zhuǎn)到 5 度倒置鎖定位置，此處能提供更長的、更符合實際的潮濕時間。