碳弧燈老化試驗是一種通過模擬太陽輻射（紫外、可見光及紅外波段）與濕熱環境，加速評估材料耐候性的實驗室測試方法。其核心原理是利用碳電極電弧產生的高強度光輻射，結合溫濕度循環，加速材料的光氧化、熱氧老化和水解反應，從而預測其在戶外長期暴露后的性能衰減（如褪色、粉化、開裂等）。以下是該試驗的全面解析：
?? 一、核心原理與設備類型
工作原理
碳弧燈通過碳棒放電產生連續光譜（280–700 nm），模擬自然陽光中的紫外線、可見光及紅外線，但光譜能量分布與真實太陽光存在差異（尤其在短波紫外區）。
輔以溫濕度控制（溫度60–85℃、濕度50–95% RH）和周期性噴淋，模擬雨水沖刷和濕熱環境，加速材料老化。
設備分類
類型 光譜特性 適用場景 優缺點 封閉式碳弧燈 光譜較窄（280–400 nm） 紡織品、早期塑料測試 成本低，但光譜匹配性差 開放式碳弧燈 光譜更寬（300–700 nm） 汽車零部件、建筑涂料、橡膠 光強更高，需水冷系統維護復雜
?? 二、測試標準體系
碳弧燈試驗的標準覆蓋多國行業規范，需根據材料類型和應用領域選擇：
國際通用標準
ISO 4892-4：塑料的開放式碳弧燈測試，規定輻照強度（0.55–0.89 W/m2·nm）和溫濕度循環。
ASTM G152：非金屬材料測試，強調光照+冷凝循環（如Cycle 1：光照60℃/噴淋40℃）。
SAE J2020：汽車外部材料（如車漆、密封條），要求≥1000小時測試驗證抗老化性。
國家/行業標準
中國 GB/T 16422.4：塑料開放式碳弧燈測試，等效ISO 4892-4。
日本 JIS D0205：汽車零部件耐候性試驗，強制要求陽光型碳弧燈。
軍工 GJB 1283A：航天密封件高輻照濕熱測試（5000小時）。
?? 三、測試流程與關鍵控制點
樣品制備
材料：塑料（厚度≥3 mm）、涂層（完全固化）、橡膠等，表面需清潔（無水乙醇擦拭）。
預處理：模擬實際應力狀態（如拉伸加載），避免測試偏差。
參數設置
輻照強度：340 nm波長下控制為0.35–1.5 W/m2，定期用輻射計校準。
溫濕度循環：例如光照階段63±3℃（黑板溫度），冷凝階段40–50℃。
噴淋頻率：18次/小時或連續噴淋，模擬雨水侵蝕。
性能評估
外觀變化：色差ΔE（ΔE>5顯著褪色）、粉化等級（ISO 104標準）。
力學性能：拉伸強度保留率（>80%合格）、斷裂伸長率（ASTM D638）。
化學分析：FTIR檢測羰基指數，評估氧化程度。
?? 四、典型應用場景
汽車工業
案例：保險杠涂層經1000小時SAE J2020測試，ΔE色差≤3.0，附著力保留90%。
失效預防：添加受阻胺光穩定劑（HALS）延緩龜裂。
建筑材料
案例：PVC門窗型材通過GB/T 1865測試5000小時，表面粉化等級≤2級（ISO 4892）。
改進措施：氟碳面漆（厚度≥60μm）阻斷紫外線滲透。
電子電器與軍工
案例：航天硅橡膠密封件（GJB 1283A測試5000小時），硬度變化≤10%，無裂紋。
防護設計：鋁箔復合層反射紫外光，提升耐候性。
?? 五、局限性及替代技術
碳弧燈的不足
光譜偏差：短波紫外（<300 nm）缺失，與實際戶外老化相關性較低。
光源不穩定：碳棒壽命僅90小時，需頻繁更換，光譜波動大。
替代技術對比
測試類型 光譜范圍 加速倍數 適用場景 碳弧燈 300–700 nm 10–50倍 汽車內飾、傳統紡織品 氙燈 300–800 nm 20–100倍 汽車涂層、戶外涂料（高精度） 紫外老化 280–400 nm 50–200倍 塑料、紡織品（快速篩選）
?? 總結與建議
碳弧燈老化試驗是材料耐候性評估的經典方法，尤其適用于汽車、建筑等傳統行業，但其光譜缺陷和設備維護成本促使行業逐步轉向氙燈測試。若需采用碳弧燈試驗，請注意：
標準選擇：汽車部件優先用SAE J2020/JIS D0205，塑料選ISO 4892-4或GB/T 16422.4。
參數優化：濕熱循環（如40℃/93% RH）可模擬熱帶氣候，提升測試真實性。
數據關聯：建立實驗室數據與戶外暴露的對應模型（如1000小時測試≈2年戶外暴露）。
防護升級：添加UV吸收劑（如UV-326）或改用ASA/POE共混樹脂，顯著延緩老化。
對于高精度耐候性需求（如新能源汽車涂層），建議結合氙燈測試+鹽霧循環，以更全面模擬復雜環境。