CN103528938B - 采用紫外线发光二极管的不同紫外线波长进行风化试验 - Google Patents

Abstract

采用紫外线发光二极管的不同紫外线波长进行风化试验。本发明包含风化室（1），其中设置有紫外线辐射装置（2），并可设置至少一个试样（3），其中紫外线辐射装置（2）包含多个紫外线发光二极管（UV‑LEDs）（2.1；21），它们包含具有不同光照带的紫外线发光二极管（2.1；21）。其中可通过这一方式控制紫外线发光二极管（2.1；21），即特定光照带的多个紫外线发光二极管（2.1；21）可独立于另一光照带的紫外线发光二极管（2.1；21）进行共同开启和关闭。在方法中通过特定光照带的至少一个紫外线发光二极管（2.1；21）的辐射对至少一个试样进行辐照，紧接着对试样在辐照作用下的变化进行分析。

Description

采用紫外线发光二极管的不同紫外线波长进行风化试验

技术领域

本发明涉及一种试样的人工风化或耐光性检验的方法和一种用于进行试样的人工风化或耐光性检验的装置。

背景技术

在人工风化装置中对试样、尤其是平面的材料试样的在大气环境下的老化状态进行评估，其中对试样进行人工风化。为达到这一目的，上述装置通常包含风化室，其中设置有用于固定进行风化的试样的固定装置以及用于对试样进行辐照、尤其是紫外线辐照的辐射源。

在对材料试样进行人工风化或耐光性检验的此类装置中大多必须对材料的使用寿命进行评估，这些材料在使用过程中持续处在自然的天气环境中，并且在气候影响下其状况逐渐变差，上述气候影响包括太阳光、太阳热、潮湿等。为真实模拟自然的气候条件，有利的是，在装置中产生的光线的光谱能量分配尽可能符合自然光照的光谱能量分配，因此在此类设备中一直使用氙气辐射器作为辐射源。此外，在材料的慢速拍摄的老化试验中基本上是对试样进行比自然条件下更密集的辐照，以使试样老化。由此在较短时间后即可就材料试样的长期老化状态做出结论。

大部分在人工风化设备中进行试验的材料试样都由聚合材料制成。其中受大气影响的老化基本上是由阳光辐射中的紫外线比例造成的。在此进行的光化学的源过程，也就是照片的吸附和活跃态或自由基的产生，都是不受温度影响的。与此相反，后续的与聚合物或添加剂的反应步骤是受温度影响的，因此，所观察的材料的老化也同样是受温度影响的。

在至今已知的风化试验设备中大多使用氙气灯作为辐射源。众所周知，使用氙气灯虽然不能很好地模拟太阳光光谱，但是所发出的辐照在红外光谱范围中却包含比较高的光谱比例，为防止试样升温过大，必须使用过滤器过滤上述红外光谱。此外，市面通用的氙气辐射源的使用寿命只有约1500小时。

此外也可使用金属卤素灯作为辐射源，但是具有一个缺点，即它不可调节或非常难调节。具有同样特点的是荧光灯，它同样广泛地在风化检验设备中被使用为辐射源，但是不利的是它的使用寿命较短。

上述风化检验设备的常规辐射源的另外一个缺点是其结构和控制方式相对不灵活，无法根据待辐照材料试样的表面的不同条件进行调整。

发明内容

因此本发明的任务在于，提供一种试样的人工风化或耐光性检验的方法和一种用于进行试样的人工风化或耐光性检验的装置，通过它们可在光谱方面对紫外线辐射的效果进行更好的分析。

通过独立的权利要求书中所述的特性解决这一任务。在从属权利要求书中说明了有利设计和进一步方案。

本发明的基本认识是，在许多待检的材料试样中，在紫外线辐射下的老化状态或耐光性的变化不仅取决于紫外线辐射的强度，还取决于光谱特性。尤其是由有机材料制成的试样大多具有光敏性，而光敏性与紫外线辐射的光子能量之间存在很大的相关性。为更好地进行分析，证明有利的是，在紫外线光谱的一个或数个特定波长或光照带下可进行辐射。

下文根据第一方面的试样人工风化或耐光性检验方法，第二方面的用于试样的人工风化或耐光性检验的装置以及第三方面的紫外线辐射装置对本发明进行说明。在此指出，仅在三个方面中的一个中说明的所有特性或细节也可使用于其他两个方面。

根据第一方面的本发明的用于进行试样的人工风化或耐光性检验的方法包含以下步骤：

a.装备风化室，它包含紫外线辐射装置，此装置带有具有不同光照带的紫外线发光二极管（UV-LED）；

b.在风化室中设置至少一个试样，试样与紫外线发光二极管保持距离；

c.通过至少一个具有特定光照带的紫外线发光二极管的辐射对试样进行照射；

d.对照射产生的变化进行分析。

根据本发明方法的一实施方式可在一个或数个其他光照带中进行步骤c和d，方法是通过相应的紫外线发光二极管的紫外光对试样进行辐照。

根据本发明方法的一实施方式，紫外线辐射装置针对每个光照带包含一个等级的多个紫外线发光二极管。可对一个光照带的紫外线发光二极管进行设置和/或控制，以使在至少一个试样的范围内，取决于地点的辐射强度的变化位于规定界限内。因此在紫外线辐射装置内存在一定数量、例如3个或更多等级的、具有不同光照带的紫外线发光二极管。在此可进行设计，使每个等级的紫外线发光二极管的分配具有空间均匀性，并设置在一个平面上。在这个情况下可对紫外线发光二极管进行控制，使它们发射具有相同辐射功率的紫外线辐射。如果试样层距离紫外线发光二极管层足够远，那么相邻紫外线辐射椎体在试样层中的重叠不会使辐射强度沿着试样层出现大的波动。但是也可能是这一情况，即可将至少一个等级的紫外线发光二极管设置在一个平面上，不具有足够的空间均一性。在这一情况下，当通过相同的辐射功率运行一个等级的每个紫外线发光二极管时，在试样层中辐射强度出现过大的、与地点相关的变化。如果这一变化超出规定阈值，可为这一等级的紫外线发光二极管设计控制方式，即它们以不同的辐射功率发射紫外线辐射，以平衡或至少降低试样层中辐射强度的与地点相关的变化，并遵守提及的规定界限或阈值。

根据本发明方法的一实施方式可改变风化室内的紫外线发光二极管的空间位置。特别地可如此设计，即在对试样的辐射过程中，一个等级的单个或全部紫外线发光二极管相对于试样出现空间变化，例如在横向上与紫外线发光二极管层相平行地、以特定方式来回移动，或进行另一方式的规律运动，比如盘绕运动。其作为上面提及的规律的补充，目的在于在辐射过程中在试样层内创造尽可能具有空间均一性的辐射强度。

根据本发明方法的一实施方式，紫外线发光二极管发射的紫外线辐射为CW-辐射，也即是具有恒定的辐射功率。

根据本发明方法的另一实施方式，紫外线发光二极管发射的紫外线辐射具有变化的辐射功率，例如以具有规律脉冲串的脉冲形式。进行上述设计的前提是涉及特定老化效果的分析，且老化效果与辐射功率之间存在非线性联系。在这一情况下重要的是，紫外线发光二极管以尽可能短的脉冲发射尽可能高的最大功率。

根据本发明方法的一实施方式，将多个试样设置在风化室内的、专为此设计的试样层上，并通过一个等级的紫外线发光二极管的紫外线辐射进行平行辐照。根据本发明方法的一实施方式，采用规定的辐射强度对在至少每个不同光照带上的试样进行规定时间的辐照，以进行快动作的风化试验。其中的一般目的在于尽可能准确地模拟自然太阳辐射的影响。但是太阳光光谱在紫外线范围内具有独特的边缘，约为300nm。可实现这一情况，即根据本发明规定的紫外线发光二极管光照带的光谱位于紫外线边缘范围内，因此其最大值在波长上，其中在太阳光光谱中通过不同强度代表波长。由此可以考虑这一事实，即根据太阳光光谱中的情况对紫外线发光二极管的辐射功率进行调节或对辐照的持续时间进行相应调节，其中也可能采取上述两种措施。

根据第二方面的本发明的用于进行试样的人工风化或耐光性检验的装置包含风化室，其中设置有紫外线辐射装置，并可设置至少一个试样。紫外线辐射装置包含多个紫外线发光二极管（紫外线发光二极管），它们包含具有不同光照带的紫外线发光二极管。可通过这一方式控制紫外线发光二极管，即特定光照带的多个紫外线发光二极管可独立于另一光照带的紫外线发光二极管进行共同开启和关闭。

根据第三方面的本发明的紫外线辐射装置包含多个紫外线发光二极管（紫外线发光二极管），它们包含两个或多个等级的、具有不同光照带的紫外线发光二极管，其中通过这一方式控制紫外线发光二极管，即特定光照带的多个紫外线发光二极管可独立于另一光照带的紫外线发光二极管进行共同开启和关闭。

根据本发明装置一实施方式，紫外线辐射装置包含一定数量的、例如三个或多个等级的紫外线发光二极管，其中在每个等级内紫外线发光二极管具有相同的发射特性和发射的紫外线辐射的共同光照带。

根据本发明装置一实施方式，沿着矩阵的行和列设置全部紫外线发光二极管。

根据本发明装置一实施方式，全部紫外线发光二极管以空间分配的方式设置在平坦的平面上，且在与其间隔开来的试样层上可设置至少一个试样。在试样层上可存在定位面，在这个定位面上一个或多个试样可被固定在为此设计的范围内。可通过这一方式设计这些范围，使特定标准尺寸的试样可以容纳在其中。

根据本发明装置的另一实施方式，对紫外线发光二极管进行空间非均衡的分配。可以两个，三个，四个或多个紫外线发光二极管集合的形式设置紫外线发光二极管，特别是以三数组，四数组或n数组（n=自然数）的形式。紫外线发光二极管的这些集合体可以规律地分配在平面上。在每个集合体，例如每个三数组或四数组的内部可分别有一个紫外线发光二极管代表每个不同辐射特性等级。下文也通过一个实施例详细说明这一点。

根据本发明装置一实施方式，可通过这一方式对一个等级或一个特定光照带的紫外线发光二极管进行可控制和/或空间分配设置，以使在试样层中可获得规定的、与地点相关的辐射强度，其与地点相关的变化位于规定的界限或阈值内。在此尤其可对一个等级或一个特定光照带的紫外线发光二极管进行空间分配设置，使得仅通过紫外线发光二极管的相同的辐射功率即可在试样层内获得足够的空间均匀性。可规定这一点适用于所有等级的紫外线发光二极管。

根据本发明装置一实施方式，一个等级或一个特定光照带的紫外线发光二极管均匀设置在一个平坦的平面上。可规定这一点适用于所有等级的紫外线发光二极管。

根据本发明装置一实施方式，使紫外线发光二极管相对于至少一个试样以空间可变化的方式进行固定。特别地，单个紫外线发光二极管或全部紫外线发光二极管可相对于至少一个试样以空间横向、即平行于试样层或垂直于试样层的方式移动。也可使每个可行的移动以规律方式进行，例如在封闭的导轨上移动紫外线辐射装置。

附图说明

附图1根据本发明的用于试样的人工风化或耐光性检验的装置的实施例的立体图；

附图2根据本发明的包含多个紫外线发光二极管的紫外线辐射装置的实施方式的俯视图；

附图3波长强度图表，用于显示太阳光光谱的紫外线部分的上升边缘以及四个紫外线发光二极管的发射光谱；

附图4根据本发明的包含多个紫外线发光二极管的紫外线辐射装置的实施方式的俯视图。

具体实施方式

下文结合实施方式和附图对本发明进行进一步说明。

附图1立体显示了人工风化或耐光性检验装置的实施方式。装置10包含风化室1，其中设置有紫外线辐射装置2。在试样室1的底部，可在底板上设置适合的固定装置，可用于固定一定数目的试样3。由此将装置设计为具有固定试样固定装置的风化设备。但是本发明也可使用在具有移动固定试样固定装置的风化设备中。

紫外线辐射装置2包含多个紫外线发光二极管2.1，它们可沿着矩阵的行和列安装在平坦的平面上，例如电路板上，同时根据它们的反射特性可将它们对齐，使发射的辐射垂直向下对准待检验的试样3。在实用的实施方式中，电路板连同固定在其下表面上的紫外线发光二极管一起可被设计为插入式暗盒的一部分，其中暗盒可插入位于装置10的上侧的、为此设置的间隙中。在此，电路板可构成插入式暗盒的一个下底面，同时冷却介质可穿过位于上方的空间范围，以便有效地散发紫外线发光二极管产生的热量。

装置10自然可包含其他元件，用于使试样产生风化，为简化说明，在此不显示这些元件。

附图2为根据一实施方式的紫外线辐射装置的俯视图。紫外线辐射装置20包含多个紫外线发光二极管21，它们可沿着矩阵的行和列设置，并可安装在平面底板22（例如电路板）上。在多个紫外线发光二极管21中可刚好包含四个等级的光照带不同的紫外线发光二极管21。这些光照带可具有特性，即波长最大值为310nm、320nm、330nm和340nm。

附图3显示的是，紫外线发光二极管21的四个等级的光照带光谱在太阳光光谱的紫外线部分的上升边缘中位于哪个位置。可以看出，在波长为310nm时，太阳光光谱中的强度还处在相对较低的水平，当波长为320nm、330nm和340nm时太阳光光谱中的强度逐步提高。

在考虑到太阳光光谱内的变化的光谱走向时，具有以下两种可能性：在单个光照带中以相同辐射强度和不同辐照持续时间进行测量，或辐照持续时间相同，但是光照带之间的辐射强度不同。如附图3所示，在这一实施方式中采用的是后一种方案。在设置子电路板22上的一共77个紫外线发光二极管21中，29个的波长最大值为340nm，26个的波长最大值为330nm，16个的波长最大值为320nm，6个的波长最大值为310nm。波长为340nm的紫外线发光二极管在太阳光光谱中具有相对最高的强度，因此在紫外线辐射装置20中的数量也最多，随着波长的降低，相应地在太阳光光谱中的强度也降低，那么相应的紫外线发光二极管的数量也下降。

可进行如下规定，即一个等级的紫外线发光二极管21可独立于另一等级的紫外线发光二极管进行共同开启和关闭。当每个紫外线发光二极管21以相同辐射功率发射，各个紫外线发光二极管等级的总辐射功率比例与太阳光光谱中的相应波长的强度比例相符合。由此在这一实施方式中可对试样进行试验，其中各个试样按顺序受到单个等级紫外线发光二极管21的紫外光的辐射，且整体辐照时间可一致。

另一个待解决的问题是，通过分配在平面上的四个等级的紫外线发光二极管可对一定距离外的带有试样3的平面进行照射，且照射到试样层上的辐射强度的变化尽可能的小。上述这一点可根据附图2的实施方式实现，即将四个等级中的每一个的紫外线发光二极管21规律地设置在电路板22上，其中可在相对于中心紫外线发光二极管21.1的点对称中形成规律分布。通过这一空间设置可实现试样层上的辐射强度的良好的空间均匀性。如果证明在一个等级的紫外线发光二极管具有相同辐射功率的情况下，试样层上的某些点上存在辐射强度的过强的空间变化，通过以下方式可平衡或至少降低变化，及控制单个紫外线发光二极管，使它带来的辐射强度低于或高于此等级的剩余紫外线发光二极管。为实现这一目的，可将紫外线发光二极管21设计为可个别调节。

也可选择其它紫外线发光二极管21设置方式，不同于附图2显示的实施方式。例如，可选择单个等级的紫外线发光二极管的点对称设置，其中对称点并非位于紫外线发光二极管中，例如附图2的紫外线发光二极管21.1，而是位于紫外线发光二极管之间的间隙中。

附图2中的另一个可选的实施方式为，提及的四个光照带或等级中的紫外线发光二极管的数量相同，但是在试样的单独辐照过程中，辐照的总体持续时间不同，以考虑太阳光光谱中不同的波长光谱强度。

附图4显示的是根据一实施例的紫外线辐射装置的俯视图。紫外线辐射装置30包含多个紫外线发光二极管31.n，它们按照在平面底板32上，例如电路板。与附图2中的设置不同，紫外线发光二极管31.n的分配不是空间均衡的，而是连结为多个小组31，其中小组31的形成是一致的。在所示的实施例中，小组各包含三个不同紫外线光照带的紫外线发光二极管31.n。但是每个小组也可仅包含两个带有光照带的紫外线发光二极管。但是在每个小组中也可包含超过三个具有不同紫外线光照带的紫外线发光二极管，例如具有光照带的四个组，如图3所示。如有必要，在小组中特定等级的、即具有特定紫外线光照带的紫外线发光二极管的数量可以是几倍。

此外还可对位于一个小组中的紫外线发光二极管31.n之间的距离进行设计，使其相对于紫外线辐射装置30与试样层之间的距离具有可忽略性。其结果是，每个小组31相对于试样层都产生一个以期望的方式混合（“完成”）的光谱。可将各个直接相邻的紫外线发光二极管的中心点距离的平均值规定为紫外线发光二极管31.n之间的距离，且紫外线辐射装置30和试样层之间的距离可以是这一距离的10倍、50倍或100倍。

虽然在这一说明书中对具体实施方式进行了描述和说明，但是本领域的专业人员必须意识到，在不偏离本发明保护范围的情况下，可通过大量可选的和/或等效的实施方式替换在此显示和说明的具体实施方式。本申请覆盖了在此分析的具体实施方式的任何调整或变更。因此规定，本发明仅通过权利要求及其等效物来限制。

Claims (7)

1.用于进行试样的人工风化或耐光性检验的方法，包含以下步骤：

a.装备风化室(10)，它包含紫外线辐射装置(2)，此装置带有具有各自多个不同光照带的多个不同种紫外线发光二极管(UV-LED)(2.1)，紫外线发光二极管的所有不同的光照带平均分布在太阳光光谱的一特定光谱部分，所述特定光谱部分仅包括随增加的波长稳定增加的光强；

b.在风化室(1)中设置至少一个试样，试样与紫外线发光二极管(2.1)保持距离；

c.通过一个或多个仅具有多个光照带中一特定光照带的紫外线发光二极管(2.1)的辐射对至少一个试样进行照射；

d.对照射产生的变化进行分析；及

e.对于四个不同光照带中每一其他光照带单独执行步骤c，d，其中

对于所有的光照带使用相同辐射强度中的任一，且对于不同光照带中的照射的每一个，使用不同的照射持续时间，该不同的持续时间对应于太阳光光谱中的光谱轮廓内的光照带的不同强度，

或对于所有光照带的照射使用相同的照射持续时间，且在不同光照带中每一个的照射使用照射的不同辐射强度，不同的辐射强度对应于太阳光光谱中的光谱轮廓内不同的光照带的强度。

2.根据权利要求1所述的方法，其中可使用一个或多个紫外线发光二极管(2.1)进行步骤c和d，其中紫外线发光二极管带有一个或多个另外的光照带。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其中在步骤a中针对每个光照带的紫外线辐射装置(2)包含多个紫外线发光二极管(2.1)。

4.根据权利要求3所述的方法，其中对一个光照带的紫外线发光二极管(2.1)进行设置和/或控制，以使在至少一个试样的范围内的、与地点相关的辐射强度变化位于规定的界限内。

5.根据权利要求4所述的方法，其中对一个光照带的紫外线发光二极管(2.1)进行控制，使其具有不同辐射功率。

6.根据权利要求4所述的方法，其中对一个光照带的紫外线发光二极管(2.1)进行控制，使其具有相同辐射功率。

7.根据权利要求1所述的方法，其中在步骤c中对试样进行辐照，其中辐射强度具有时间恒定性。