CN103499390B - 基于高分子材料老化试验的太阳光辐照的监测及分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于高分子材料老化试验的太阳光辐照的监测及分析方法，包括步骤（1）在大气暴露试验场内选择与试验样品处于同等光辐照条件的位置作为监测点，对该监测点的太阳光谱进行测量，获得以波长λ为横坐标瞬时太阳光辐照强度Ee_λ为纵坐标的瞬时太阳光谱图，以及当次测量的总太阳光辐照强度Ee，每天监测的太阳光谱数据不少于50组；（2）根据步骤（1）获得的数据，分析高分子材料试验样品老化历程、预测高分子材料试验样品的使用寿命，并且为开发高分子材料人工光老化加速试验方法和试验设备提供依据。

Description

基于高分子材料老化试验的太阳光辐照的监测及分析方法

技术领域

本申请涉及一种太阳光谱的测量方法，具体是指大气暴露试验场内基于高分子材料老化试验的太阳光辐照的监测及分析方法。

背景技术

众所周知，高分子材料在使用或贮存过程中由于受到环境的影响，如光、热、氧、潮湿、应力、化学浸蚀等，其性能会劣化或丧失，这种现象被称作高分子材料的老化。自然大气暴露试验是研究高分子材料老化行为和老化机理的最为常用的一种试验方法。

光是影响高分子材料老化的重要因素。进行自然大气暴露试验的试验场也会对太阳辐照总量进行监测。试验场测量太阳辐照主要有两种方法：一种是通过辐照计测量波长范围在300nm～2500nm的总日光辐照量，另一种方法是通过分光谱辐照计，对太阳光中的紫外波段、可见光波段和红外光波段的辐照量分别进行测量，并通过求和得出太阳光总辐照量。

上述两种方法都不能得出太阳光的某一具体波长在某一段时间内的辐照量。而引起高分子材料的某些特定链段断裂却与某一频率的光子或者说某一特定光波波长的能量有关，测量某一波长的太阳光在某一段时间内的辐照量，对研究高分子材料老化机理方面就显得尤为重要。同时，由于到达地面的太阳光谱受大气层的影响，不同地域，不同季节的太阳光谱会有不同，因此研究太阳光谱以及太阳光谱随季节和地域的变化情况对了解高分子材料的老化历程、预测高分子材料的使用寿命、开发高分子材料实验室人工光老化加速试验方法和试验设备，指导工程中的材料应用方面都有着重要的作用。

发明内容

本申请的目的在于提供大气暴露试验场内基于高分子材料老化试验的太阳光辐照的监测及分析方法，该方法通过对大量的测试所得的样本数据的统计分析，可以获得某一地区在某一时间段内的以太阳光波波长为横坐标，以辐照强度为纵坐标的太阳光谱图，为分析高分子材料的老化历程和老化机理，开发高分子材料实验室加速试验方法和试验设备提供依据。

本发明的上述目的通过如下技术方案来实现的：大气暴露试验场内太阳光辐照的监测及分析方法，该方法包括如下步骤：

（1）在大气暴露试验场内选择与高分子材料试验样品处于同等光辐照条件的位置作为监测点，对该监测点的太阳光谱进行测量，获得以波长λ为横坐标、瞬时太阳光辐照强度Ee_λ为纵坐标的瞬时太阳光谱图，以及当次测量的总太阳光辐照强度Ee，每天监测的太阳光谱数据不少于50组；

（2）根据步骤（1）获得的数据，分析高分子材料试验样品老化历程、预测高分子材料试验样品的使用寿命，并且为开发高分子材料人工光老化加速试验方法和试验设备提供依据。

根据步骤（1）获得的数据，可以针对需要研究的高分子材料样品监测获得引起其链段断裂的敏感波段的太阳辐照，分析不同环境条件对同一种高分子材料老化行为的影响。

本发明中，所述步骤（1）中，对监测点的太阳光谱采用光纤光谱仪进行测量，测量时间为晴好天气的上午9～12点之间。

本发明中，所述步骤（1）中，对太阳光谱测量获得的数据进行如下步骤的处理：

（1.1）将每次测得的太阳光谱数据用比强度作图，即用波长λ下的瞬时太阳光辐照强度Ee_λ除以当次测量的总太阳光辐照强度Ee，得到该波长λ下太阳辐照强度在总强度中所占的比例，该比例即为比强度，以比强度为纵坐标，波长λ为横坐标绘制出相对太阳光谱图；

（1.2）用步骤（1.1）获得的相对太阳光谱图进行统计平均，求得每天的平均相对太阳光谱图，分析每一组相对太阳光谱图与平均相对太阳光谱图之间的一致性，当相对太阳光谱图与平均相对太阳光谱图的光谱强度数据的相似度达到95%时，即认为两者一致，对多组光谱强度数据重复上述过程，最终获得不少于20组符合一致性要求的光谱强度数据再次进行统计平均，得到当天的平均相对太阳光谱图；

其中，相对太阳光谱图与平均相对太阳光谱图的光谱强度数据的相似度采用公式（1）进行计算，

$\frac{E{e}_{\mathrm{\λi}}/{\mathrm{Ee}}_i}{{\mathrm{Ee}}_{\mathrm{\λ}}^{\mathrm{\θ}}/{\mathrm{Ee}}^{\mathrm{\θ}}}\×100\%---\left(1\right)$

式中：

Ee_λi——第i次测得的瞬时太阳光谱在某一波长段处的辐照强度，单位W/(m²·nm)

——当日在同一波长段处的辐照强度的统计平均值，单位W/(m²·nm)

Ee_i——第i次测得的瞬时太阳光谱的总辐照强度，单位W/m²

Ee^θ——当日测量的太阳光谱的总辐照强度的统计平均值，单位W/m²

i——当日测量的样本编号，i＝1～50。

作为本发明的进一步改进，所述步骤（1.2）后还包括步骤：

（1.3）若通过步骤（1.2）后获得的一致性数据少于20组，则筛除相似度小于90%的数据组，重复步骤（1.2），若最终获得的一致性数据仍少于20组，需在当天下午的14:00～16:00之间进行太阳光谱数据的补测，补测后获得的太阳光数据重复步骤（1.1）～（1.2）进行补充分析。

本发明中，测量前，使用标准能量灯对整个测量系统进行校准，确保每次测量结果的基准一致，保证测量结果的重现性和可比性。

本方法通过在大气暴露试验场利用光纤光谱仪、固定在专用夹具上的带有余弦校正器的光纤对每日太阳光谱进行测量，比较当日多次测量的结果，通过统计平均分析得到试验场所处地区的太阳光谱图。

现有大气暴晒试验场仅是采用辐照计测量波长范围在300nm～2500nm的总日光辐照量；或者通过分光谱辐照计，对太阳光中的紫外波段、可见光波段和红外光波段的辐照量分别进行测量，并通过求和得出太阳光总辐照量。这两种方法都不能得出材料表面在某一段时间内接受到的太阳光在某一具体波长范围的辐照量。而高分子材料老化初期的结构变化与照射到其表面的光线的光谱，及某些特定波长段的光强相关，因此，测量在某一段时间内某一波长的太阳光的辐照量，对研究高分子材料老化机理方面就显得尤为重要。

与现有技术相比，本发明具有如下显著效果：

（1）在原有对太阳累积辐照量的监测的基础上增加了太阳光谱的监测和分析，增加了试验场的监测项目，增强了大气暴晒试验场环境因素监测和分析的能力。

（2）在大气暴露试验场，与试验样品处于同一区域、同一高度、同一朝向，对太阳光谱进行监测，利用专用夹具可以得到不同角度的太阳光谱数据，能够更好地反应试验样品表面接收到的太阳辐照的情况。对比高分子材料老化的过程，能够更好地分析高分子材料老化的机理。

（3）在不同地区的大气暴露试验场监测当地的太阳光谱，结合在该试验场进行的高分子材料老化试验结果，能够更好地对比研究高分子材料在不同地区老化行为的差异。

（4）利用光纤光谱仪对太阳光谱的监测可以精确测得每纳米太阳光的辐照强度，提高了测量精度。

（5）测量前，使用了标准能量灯对整个测量系统进行了校准，确保每次测量结果的基准一致，即保证了测量结果的重现性和可比性。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的详细说明。

图1是采用本发明的方法测量得到的海南琼海试验场2010年9月某日45度角方向的瞬时太阳光谱图；

图2是采用本发明的方法分析得到的海南琼海试验场2010年9月某日45度角方向的平均相对太阳光谱图；

图3用当天的太阳辐照总量计算所得的海南琼海45度角方向的太阳光谱图。

具体实施方式

根据测量需要，将光纤光谱仪与带有余弦校正器的光纤连接好后用标准能量灯对整个测量系统进行校准，确保每次测量结果的基准一致。将光纤固定在专用夹具上，该专用夹具采用ZL2011204124804公开的不同测量角度及其调节方式，稳定放置于大气暴露试验场中的合理位置，即与大气暴晒高分子材料试验样品同一区域，同一高度、同一朝向、周围没有遮挡。

本发明的基于高分子材料老化试验的太阳光辐照的监测及分析方法，选在在海南琼海试验场进行监测，具体包括如下步骤：

（1）在大气暴露试验场内选择与高分子材料试验样品处于同等光辐照条件的位置作为监测点，本实施例中的高分子材料试验样品为聚碳酸酯样品，监测点选择在试验的聚碳酸酯样品试样架旁边与试验样品等高的工作台上，对监测点的太阳光谱采用光纤光谱仪进行测量，测量时间为晴好天气的上午9～12点之间，获得以波长λ为横坐标、瞬时太阳光辐照强度Ee_λ为纵坐标的瞬时太阳光谱图。瞬时太阳光谱图如图1所示，根据国际照明委员会标准要求，λ代表太阳光波长，单位为nm，λ是250-2450之间的任意一个整数。同时获得当次测量的总太阳光辐照强度Ee。每天监测的太阳光谱数据为50组。其中，在所述步骤（1）中，对太阳光谱测量获得的数据进行如下步骤的处理：

（1.1）将每次测得的太阳光谱数据用比强度作图，即用波长λ下的瞬时太阳光辐照强度Ee_λ除以当次测量的总太阳光辐照强度Ee，得到该波长λ下太阳辐照强度在总强度中所占的比例，该比例即为比强度，以比强度为纵坐标，波长λ为横坐标绘制出相对太阳光谱图，相对太阳光谱图表征了测量当日试验场内的太阳光谱的形状，如图2所示；

（1.2）用步骤（1.1）获得的相对太阳光谱图进行统计平均，求得每天的平均相对太阳光谱图，分析每一组相对太阳光谱图与平均相对太阳光谱图之间的一致性，当相对太阳光谱图与平均相对太阳光谱图的光谱强度数据的相似度达到大于等于95%时，即认为两者一致，对多组光谱强度数据重复上述过程，最终获得20组符合一致性要求的光谱强度数据再次进行统计平均，得到当天的平均相对太阳光谱图；

其中，相对太阳光谱图与平均相对太阳光谱图的光谱强度数据的相似度采用公式（1）进行计算，

$\frac{E{e}_{\mathrm{\λi}}/{\mathrm{Ee}}_i}{{\mathrm{Ee}}_{\mathrm{\λ}}^{\mathrm{\θ}}/{\mathrm{Ee}}^{\mathrm{\θ}}}\×100\%---\left(1\right)$

式中：

Ee_λi——第i次测得的瞬时太阳光谱在某一波长段处的辐照强度，单位W/(m²·nm)

——当日在同一波长段处的辐照强度的统计平均值，单位W/(m²·nm)

Ee_i——第i次测得的瞬时太阳光谱的总辐照强度，单位W/m²

Ee^θ——当日测量的太阳光谱的总辐照强度的统计平均值，单位W/m²

i——当日测量的样本编号，i＝1～50

（2）根据步骤（1）获得的数据，分析高分子材料试验样品老化历程、预测高分子材料试验样品的使用寿命，并且为开发高分子材料人工光老化加速试验方法和试验设备提供依据。

结合大气暴露试验场当天用太阳辐照计监测到的太阳辐照总量，即可绘制出该试验场当日的太阳光谱图，如图3所示。

作为本实施例的变换，所述步骤（1）中，对太阳光谱测量获得的数据进行处理的步骤，在步骤（1.2）后还包括步骤（1.3）：若获得的一致性数据少于20组，则筛除相似度小于90%的数据组，重复步骤（1.2），若最终获得的一致性数据仍少于20组，需在当天下午的14:00～16:00之间进行太阳光谱数据的补测，补测后获得的太阳光数据重复步骤（1.1）～（1.2）进行补充分析。

本实施例，根据步骤（1）获得的数据，可以针对需要研究的高分子材料样品监测获得其敏感波段的太阳辐照，分析不同环境条件对同一种高分子材料老化行为的影响。例如，针对聚碳酸酯，引起其链段断裂的敏感波长范围分别是285～305和330～360nm，根据本专利公开的步骤（1）可在不同大气暴露试验场监测这两个波段的太阳辐照强度以及其随季节的改变，结合聚碳酸酯材料老化试验结果有利于分析聚碳酸酯在不同地区老化行为的差异。

本实施例的监测及分析方法同样可以应用于其它的高分子材料老化试验的，其测量方法与本实施例中的聚碳酸酯样品相同。

本发明的上述实施例并不是对本发明保护范围的限定，本发明的实施方式不限于此，凡此种种根据本发明的上述内容，按照本领域的普通技术知识和惯用手段，在不脱离本发明上述基本技术思想前提下，对本发明上述结构做出的其它多种形式的修改、替换或变更，均应落在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.基于高分子材料老化试验的太阳光辐照的监测及分析方法，该方法包括如下步骤：

(1)在大气暴露试验场内，选择与高分子材料试验样品处于同等太阳辐照条件的位置作为监测点，对该监测点的太阳光谱进行测量，获得以波长λ为横坐标、瞬时太阳光辐照强度Ee_λ为纵坐标的瞬时太阳光谱图，以及当次测量的总太阳光辐照强度Ee，每天监测的太阳光谱数据不少于50组，对太阳光谱测量获得的数据进行如下步骤的处理：

(1.1)将每次测得的太阳光谱数据用比强度作图，即用波长λ下的瞬时太阳光辐照强度Ee_λ除以当次测量的总太阳光辐照强度Ee，得到该波长λ下太阳辐照强度在总强度中所占的比例，该比例即为比强度，以比强度为纵坐标，波长λ为横坐标绘制出相对太阳光谱图；

(1.2)用步骤(1.1)获得的相对太阳光谱图进行统计平均，求得每天的平均相对太阳光谱图，分析每一组相对太阳光谱图与每天的平均相对太阳光谱图之间的一致性，当相对太阳光谱图与每天的平均相对太阳光谱图的光谱强度数据的相似度达到95％时，即认为两者一致，对多组光谱强度数据重复上述过程，最终获得不少于20组符合一致性要求的光谱强度数据再次进行统计平均，得到当天的平均相对太阳光谱图；

其中，相对太阳光谱图与每天的平均相对太阳光谱图的光谱强度数据的相似度采用公式(1)进行计算，

$\frac{{\mathrm{Ee}}_{\mathrm{\λi}}/{\mathrm{Ee}}_i}{{\mathrm{Ee}}_{\mathrm{\λ}}^{\mathrm{\θ}}/{\mathrm{Ee}}^{\mathrm{\θ}}}\×100\%---\left(1\right)$

式中：

Ee_λi——第i次测得的瞬时太阳光谱在某一波长段处的辐照强度，单位W/(m²·nm)

——当日在同一波长段处的辐照强度的统计平均值，单位W/(m²·nm)

Ee_i——第i次测得的瞬时太阳光谱的总辐照强度，单位W/m²

Ee^θ——当日测量的太阳光谱的总辐照强度的统计平均值，单位W/m²

i——当日测量的样本编号，i＝1～50；

(2)根据步骤(1)获得的数据，分析高分子材料试验样品老化历程、预测高分子材料试验样品的使用寿命，并且为开发高分子材料人工光老化加速试验方法和试验设备提供依据。

2.根据权利要求1所述的基于高分子材料老化试验的太阳光辐照的监测及分析方法，其特征在于：所述步骤(1.2)后还包括步骤：

(1.3)若通过步骤(1.2)后获得的一致性数据少于20组，则筛除相似度小于90％的数据组，重复步骤(1.2)，若最终获得的一致性数据仍少于20组，需在当天下午的14:00～16:00之间进行太阳光谱数据的补测，补测后获得的太阳光数据重复步骤(1.1)～(1.2)进行补充分析。

3.根据权利要求1至2任一项所述的基于高分子材料老化试验的太阳光辐照的监测及分析方法，其特征在于：测量前，使用标准能量灯对整个测量系统进行校准，确保每次测量结果的基准一致，保证测量结果的重现性和可比性。