陽光碳弧燈老化試驗是一種通過模擬自然陽光輻射及相關氣候條件（如溫度、濕度、淋雨等），評估材料在戶外環境中耐老化性能的加速老化試驗方法。它主要通過陽光碳弧燈提供輻射源，模擬材料長期暴露在戶外所遭受的光、熱、水等綜合老化作用，進而快速判斷材料的老化趨勢（如外觀劣化、性能下降等），廣泛應用于塑料、涂料、橡膠、紡織品、皮革等材料的質量檢測與研發。

一、試驗原理

陽光碳弧燈老化試驗的核心是 **“人工模擬自然老化環境”**：
陽光碳弧燈（一種以碳電極放電產生光輻射的光源）通過電弧放電產生連續光譜，其光譜涵蓋紫外線（UV）、可見光（VIS）及部分紅外線（IR），可在一定程度上模擬太陽光譜的輻射特性；同時，試驗箱內可控制溫度（如黑板溫度、箱內空氣溫度）、相對濕度，并通過淋雨裝置模擬自然降雨，從而構建 “光 - 熱 - 濕 - 水” 協同作用的老化環境。

材料在該環境中會因光氧化、熱降解、水解等化學反應，以及物理應力（如熱脹冷縮），逐漸出現老化現象（如變色、開裂、粉化、強度下降等）—— 通過加速試驗（通常數天至數月），可推測材料在實際戶外環境中的長期耐老化性能。

二、關鍵試驗要素

試驗結果的準確性與 “模擬真實性” 密切相關，需嚴格控制以下關鍵要素：

1. 光源：陽光碳弧燈的類型

陽光碳弧燈是試驗的核心，根據結構差異分為封閉式碳弧燈和開放式碳弧燈，兩者光譜特性不同，適用場景也有區別：

• 封閉式碳弧燈：電極外有石英罩（過濾短波紫外線），光譜中紫外線以長波（UVA，320-400nm）為主，可見光和紅外線占比高，更接近 “透過玻璃的陽光”（如室內材料老化模擬）。

• 開放式碳弧燈：無石英罩，光譜中含更多短波紫外線（UVB，280-320nm），輻射強度更高，更接近 “直接陽光”（如戶外暴露材料老化模擬）。

2. 核心試驗參數

參數需根據材料實際使用環境（如熱帶、溫帶、干旱或多雨地區）設定，常見關鍵參數包括：

• 輻照度：單位面積接收的輻射功率，是影響老化速度的核心參數（輻照度越高，老化越快）。通常需指定波長范圍（如 UVA 340nm 處，輻照度控制在 0.35-0.7W/m2），需通過輻照度計實時監測并校準。

• 溫度：包括 “黑板溫度”（模擬材料表面因光吸收產生的溫度，通常控制在 63±3℃或 70±3℃）和 “箱內空氣溫度”（控制環境基礎溫度，通常 50±5℃），溫度過高會加劇熱降解，需精準控溫。

• 相對濕度（RH）：通常控制在 30%-70%（如模擬潮濕環境可設 50%-70%，干旱環境設 30%-50%），高濕度會加速材料水解或霉變。

• 淋雨周期：通過噴淋裝置模擬降雨，常見周期如 “120min 光照 + 18min 淋雨”“200min 光照 + 40min 淋雨”，淋雨可沖刷材料表面老化產物（如粉化層），加速進一步老化。

3. 試驗標準

不同行業 / 地區有明確的標準規范試驗流程，確保結果的可比性，常見標準包括：

注：標準中會明確光源類型、參數范圍（如輻照度、溫度）、樣品安裝方式、試驗周期等，需根據材料類型（如塑料、涂料）選擇對應標準。

三、試驗流程（以塑料樣品為例）

1. 樣品準備

• 裁剪樣品：按標準要求裁剪（如 100mm×100mm 的平板樣品），需保證樣品表面無劃痕、無油污，每組至少 3 個平行樣（減少誤差）。

• 初始性能測試：試驗前需記錄樣品初始狀態，如外觀（拍照）、色差（用色差儀測 ΔE?）、拉伸強度（用拉力機測試）、硬度等，作為后續對比基準。

2. 試驗操作

• 樣品安裝：將樣品固定在試驗箱內的樣品架上（避免相互遮擋，與光源保持固定距離，通常 15-30cm），確保樣品表面與光源輻射方向垂直。

• 參數設定：根據標準或實際需求，設定輻照度（如 0.5W/m2@340nm）、黑板溫度（63℃）、相對濕度（50%）、淋雨周期（120min 光照 + 18min 淋雨）。

• 啟動試驗：開啟設備，實時監測參數（如輻照度、溫度），定期（如每 24h、100h）觀察樣品狀態，記錄外觀變化（如是否開裂、粉化）。

3. 老化后評價

試驗結束（或達到預定周期，如 500h、1000h）后，對樣品進行性能測試，與初始狀態對比，常用評價指標包括：

• 外觀評價：通過肉眼或顯微鏡觀察，記錄是否出現開裂、鼓泡、粉化（用膠帶測試粉化程度）、變色（如發黃、褪色）。

• 色差測試：用色差儀測老化后樣品的 ΔE（總色差），ΔE 越大，變色越嚴重（如 ΔE≤2 為輕微變色，ΔE>5 為明顯變色）。

• 力學性能測試：復測拉伸強度、沖擊強度等，計算 “性能保留率”（老化后性能 / 初始性能 ×100%），保留率越低，老化越嚴重（如拉伸強度保留率 < 70% 可能判定為不耐老化）。

• 其他指標：如分子量（通過 GPC 測試，判斷降解程度）、表面粗糙度（通過粗糙度儀，反映表面劣化）等。

四、優缺點及適用場景

優點

• 早期應用廣泛：技術成熟，設備成本相對較低（相較于氙燈老化試驗），適合批量樣品的快速篩選。

• 可模擬綜合環境：能同時實現 “光 - 熱 - 濕 - 水” 協同老化，接近自然老化的多因素作用。

缺點

• 光譜匹配性較差：陽光碳弧燈的光譜與自然光差異較大（如紫外線區域輻照度分布不均，部分短波 UVB 過量，而長波 UVA 不足），導致試驗結果與實際戶外自然老化的 “相關性” 較弱（即試驗中快速老化的材料，實際戶外可能老化較慢，或反之）。

• 穩定性不足：碳電極易損耗，需定期更換，可能導致輻照度波動（影響試驗重復性）；且燈的使用壽命較短（通常數百小時）。

適用場景

目前因光譜匹配性問題，陽光碳弧燈老化試驗已逐漸被氙燈老化試驗（光譜更接近自然光）取代，但在部分特定場景仍有應用：

• 傳統行業的質量控制：如老舊標準中明確要求的試驗（如部分涂料、紡織品的行業標準）。

• 材料快速篩選：在研發初期，需快速排除耐老化性能極差的材料時，可作為低成本的初步試驗方法。

五、與其他老化試驗的區別

常見的人工加速老化試驗還包括 “氙燈老化試驗”“熒光紫外燈老化試驗”，三者的核心區別在于 “光源光譜”，直接影響模擬真實性：

• 氙燈老化試驗：氙燈光譜最接近自然光（通過濾光片可精準匹配不同地區陽光光譜），與自然老化相關性最好，但設備成本高。

• 熒光紫外燈老化試驗：僅模擬紫外線（UVA/UVB），無可見光和紅外線，適合研究 “光老化主導” 的材料（如僅因紫外線開裂的塑料），但無法模擬熱、光協同作用。

• 陽光碳弧燈老化試驗：光譜介于兩者之間，但整體與自然光差異較大，目前更多作為 “傳統方法” 保留，而非首選。

綜上，陽光碳弧燈老化試驗是一種經典的人工加速老化方法，雖因光譜局限性逐漸被替代，但了解其原理、參數及流程，對理解材料老化測試的 “模擬邏輯”（通過控制關鍵環境因素加速老化）仍有重要意義。實際應用中，需優先根據材料使用場景和標準要求，選擇與自然老化相關性更高的試驗方法（如氙燈法）。