太阳光跟踪曝晒装置

20世纪初期，研究人员通过把样品放在竖立的、朝南的架子上在户外进行曝晒，对材料的耐候性能进行评估。到了1908 年，美国材料实验协会(ASTM)D-1委员会和涂料制造协会开始在新泽西州的大西洋城进行涂料的户外曝晒测试。为了缩短测试时间，他们使用了一种倾斜 45 度朝南的架子，以使更多的阳光照射在样品上。45 度角倾斜曝晒架是第一种户外加速老化的方法。以后的几十年里，加速老化的方法在不断的改进。到了20 世纪 30 年代，发明了一种简单的单轴的随太阳转动的装置，它可从早到晚随着太阳转动。到了50年代，这种架子才开始商业化生产。60 年代，又在这种装置上加上反射镜，使阳光更多的集中到样品上来加速老化。

Q -Trac自然太阳光跟踪聚能曝晒装置

Q-Trac自然太阳光跟踪聚能曝晒装置是一种先进的双轴自然加速老化试验机。它是一种户外曝晒装置，能自动地从早到晚跟踪太阳，且能自动补偿因季节变化而引起的不同太阳仰角的影响。同时，Q-Trac上的反射镜可以把全光谱太阳光集中到测试样品上。这种跟踪太阳的日光聚集系统增加了照射到样品上的阳光能量。

Q-Trac是有效的户外加速老化方法，测试期间，它可以在短时间内对产品性能进行评估。此外，与实验室加速老化试验装置相比，Q-Trac无需考虑模拟光源是否与自然光匹配，因为其光源本身就是自然太阳光。

尽管 Q-Trac仅在亚利桑那使用，但它可以真实模拟很多实际应用环境。例如，佛罗里达南部的气候条件可通过附加超纯水喷淋来进行模拟。Q-Trac快速、真实、可重复的测试结果使之成为一种引人关注的测试方法，适用于多种类型的材料测试和应用环境的模拟。

会聚自然太阳光

反射镜阵列

Q-Trac采用一列10个平面反射镜来获得单一曲面反射镜的效果。这种类型的反射镜阵列叫做菲涅耳聚能器(Fresnel)。当阳光以接近90度角照射到这些反射镜上，反射镜会反射太阳光，并会聚到样品架上(如图 1 所示)。

图1. Q-Trac 是菲涅耳聚集器。阳光被 10 个反射镜反射后直接聚集到样品架上

反射镜阵列经特殊设计，仅反射 6 度视角太阳光，这保证了反射到样品架上的光线是直射的光束，而非漫射(或散射)光。

Q-Trac 上的反射镜反射性很强，且每隔一段时间 Q-Lab 的技术员，就会对其进行清洁处理以保持其反射率。一旦某块镜面上在 310nm 处的光谱反射率低于 65%，就应更换反射镜。

太阳跟踪

单轴装置:

20世纪60年代的单轴太阳光跟踪聚能曝晒装置能自动跟踪太阳的方位(或者说是在一天中太阳从东转向西的运动)变化。这种曝晒装置从日出到日落水平的旋转。因为地球 24 小时自转一周，所以方位角每小时改变15 度。

为了全方位地跟踪太阳，对太阳仰角或者说太阳与水平面之间的角度的跟踪也很有必要。所以对于单轴装置，每6-8周必须手动调节高度。但因为太阳的仰角每天都会发生变化，单轴装置不能够一直保持会聚阳光的较好位置。

双轴装置:

新的双轴装置能自动跟踪太阳的方位角和仰角。为了跟踪太阳仰角，Q-Trac 垂直倾斜，同时调整太阳随季节发生的仰角变化和每天的方位变化。Q-Trac 连续、自动地跟随太阳的方位角和仰角以保持太阳光沿法线方向入射到反射镜座，或者说是镜座垂直于太阳光(如图 2 所示)。

图2． Q-Trac 不仅每天从早到晚跟踪太阳，而且为了补偿太阳仰角的变化而作季节性调整，使得仪器永远保持聚焦，样品可接收到最大量的阳光

Q-Trac的旋转和倾斜运动，由安装在样品架上的感光探头(太阳能电池)来控制。感光探头的一个元件控制水平旋转运动，而另一元件控制倾斜运动。感光探头的每一元件都装备有一个内置的遮光器。选择好焦点,感光探头的两个元件会得到均等照射,不会有任一个被遮挡。当一个元件开始被遮挡时,Q-Trac 会自动调整以保持位置适当(如图 3 所示)。

图3．日光传感器安装在样品架上，当一个装置被遮挡时，Q-Trac 会自动调整装置以保持聚焦方位。

亚利桑那晴朗无云，阳光充足

Q-Trac仅在天空晴朗、阳光充足的时候才能正常工作。为了使Q-Trac更有效地会聚阳光，要求日照时间长，云量少且光线散射小，同时空气湿度也较低。通常来说由一个6 度直射光辐照计测量直射光束的辐射能，Q-Trac工作时其值不能低于75%。甚至当天空无云时，如果相对湿度很高，大量的阳光也会发生散射，而直射光束的量很可能低于75%。在美国大陆的少数几个曝晒场，能够提供理想测试条件、阳光充足、空气湿度低的只有亚利桑那州的凤凰城。它的相关气候资料见附录 A.2。

样品的安装和冷却

样品架

样品架位于反射镜阵列的正对面，是安装样品的区域。在 Q-Trac 上，样品的最大长度和宽度不能大于样品架的长度和宽度 60 英寸× 5.5 英寸(152.42 ×13.97厘米)。另外，样品的厚度不得大于 0.5 英寸(13毫米)(如图 4 和图 5 所示)。

图4. 样品架位于反射镜阵列的正对面，样品朝向反射镜，而非直接朝向太阳

图5.样品被夹住并安装在样品架上。

样品的安装方式包括有背板、无背板和玻璃框下三种。当把样品直接安装在样品架上时，两者之间没有空隙，样品被认为是“有背板”。有背板样品的温度比无背板样品的温度要高。

空气冷却系统

从反射镜阵列产生的高度会聚的阳光可在样品架上产生高温。为了使样品保持一个适当的温度且防止热损失，样品架安装在一个空气冷却槽的下面。当空气被强制通过冷却槽时，一个空气导向装置使大量空气通过样品表面(如图6 所示)。大部分Q-Trac测试样品的温度与曝晒在传统户外测试架上的相比，大约相差 10°C 以内。

图6．大量空气被强制通过空气冷却槽，并转向通过样品表面

当电力不足或气流不足的情况下，一个自动防故障装置的离合器会自动释放，重力使Q-Trac自然太阳光聚集器脱离聚焦，避免样品过热。

潮湿模拟：程控喷淋循环

有些测试要求水喷淋循环来有效的模拟实际应用环境。用 Q-Trac微处理器控制的水喷淋循环可真实模拟热冲击和/或夜间潮湿(露水)。

用 4 个距样品架大约18英寸的喷嘴来喷淋高纯度水(如图7所示)。喷嘴往测试材料上均匀喷水，流速在0.20-0.25 GPM (0.7569-0.9461 LPM)之间。

图7. 四个喷嘴以0.0-0.5GPM的速率往样品上喷淋高纯度水。

晚上，Q-Trac旋转到 5 度倒置锁定位置，此时样品朝上(如图8所示)。这一重要设计使样品整晚处于潮湿状态，且真实模拟佛罗里达南部的潮湿时间(TOW)。老式单轴装置，没有5 度倒置功能，显著减少了样品的潮湿时间。

图 8. 在5 度倒置锁定位置模拟夜晚样品表面上的露水形成,锁定位置便于样品安装和测量。

用于 Q-Trac喷淋循环的水经过反渗透和去离子净化处理。高温会引起不纯的水腐蚀样品表面。另外，不纯的水会在样品上形成污染沉积物。由腐蚀和污染物会引起通常在户外曝晒时不会发生的结果。作为预防措施，在Q-Lab亚利桑那，水质需要定期检查。

模拟佛罗里达曝晒

在佛罗里达南部，潮湿在加速材料老化的过程中起关键性的作用。通过把测试样品曝晒在白天和夜间的水喷淋循环中，Q-Trac 自然太阳光聚集器可以模拟亚热带条件的影响。有两个循环用来模拟佛罗里达南部气候条件：喷淋循环-1和喷淋循环-2。

喷淋循环-1

白天，Q-Trac向被测样品每小时喷淋8 分钟。晚上，Q-Trac反转到 5 度锁定位置。晚上9 点、午夜及凌晨3点分别向样品喷淋8 分钟以模拟露水的形成。喷淋循环-1特别适合于建筑材料、粘合剂和一些塑料制品的测试(如图9所示)。

图 9. 水喷淋循环用于模拟如佛罗里达南部地区的气候条件。

喷淋循环-: 夜间湿润

夜晚，水喷淋循环是：喷淋3 分钟后停止12分钟，每小时重复4 次，每晚整个过程从晚上7 点持续到早上 5 点。在白天，不进行喷淋。喷淋循环-2 特别适合于一些涂料测试。

测试时间的确定

有很多方法可用来确定Q-Trac的测试时间。当参照物的变化达到预先设定的程度，即取出试样。或者当试样本身的性能(如光泽，颜色)下降到预先设定的程度来确定测试时间。Q-Lab推荐根据累计的紫外线曝晒量来规定测试时间，虽然规定测试时间也应考虑总的太阳光辐射曝晒。

累计的紫外线曝晒量

.以累计的紫外线曝晒量来规定测试时间，我们推荐这一方法的原因是，太阳光中的紫外线通常是引起材料老化的主要原因。通常，试验的终点由佛罗里达(亚热带)或亚利桑那(干旱地区)的等效太阳年确定。等效太阳年以多年实际的日照测量数据的平均值为基础(如表1所示)。

每年，Q-Trac将产生大约1420 MJ/m2的总紫外线辐射。这一数值大约是在佛罗里达(亚热带)测试5 年多累计的紫外线辐射，或是在亚利桑那(干旱地区)测试 4.25年累计的紫外线辐射量(如图10 所示)。但这并不意味着Q-Trac在一年测试中使样品发生的降解是在佛罗里达必须要测试5 年才能达到相同结果。像所有的加速老化测试，加速老化程度与许多因素相关，如材料的成分，发生降解的模式，温度响应和潮湿等。然而一般来说，人们可期望Q-Trac的加速老化速度大约是佛罗里达进行自然曝晒的 3 到 10 倍。

辐照量的测量

到达样品架上的辐照量不能直接测量。正确的做法应该是：照射在反射镜上的太阳能乘以反射镜的数量，再乘以反射镜的平均反射率来计算累计的辐照量。

一个特别设计的，太阳跟踪装置连续监测接近法线入射处的太阳能。跟踪装置装备有一个正入射直射光辐照计中度计(NIP)和两个Eppley全紫外线辐射计(TUVR)(如图11所示)。

仅测量紫外线

两个 Eppley TUVR测量太阳光谱中的紫外线部分(295-385nm)。一个TUVR 装备有一个黑色的遮蔽盘，仅用来测量散射光线。另一个 TUVR测量整个180度的区域，既包括直射光束又包括散射光线。遮蔽的和未遮蔽的TUVR之间的差值表明有多少直射的紫外线照射到Q-Trac的每个反射镜上。这一数据是计算累计 TUV 量的基础。

测量紫外线、可见光和红外线

一个法线入射中度计(NIP)测量总的直射光束辐射(295-3000nm)。NIP可观测 6 度视角范围，并利用一个准直管来排除散射光。对总的辐射能的计算同计算总的紫外线辐射相类似。

冻融循环或硬质纤维板 ( ASTM D57 )

白天，按照 ASTM G90，Procedure B，Cycle 1 曝晒样品。傍晚，整个试验架(包括样品)从 Q-Trac 中取出。样品被浸入去离子水箱中浸泡 1 小时，温度保持在 21°C ± 3°C (70°F ± 5°F)。浸泡以后，将此试验架(包括样品)放在一个冷冻装置中(温度保持 -18°C [0°F ] )放置 12 个小时。

第二天早上，样品在实验室室温条件下解冻，此解冻过程最少需要1小时。试验架(包括样品)重新安装在 Q-Trac上，以进行下一天的户外曝晒。这种循环被用来快速且精确地评价涂层的耐候性，如涂层的开裂、起皮及片状剥落等。

总结

自然太阳光跟踪聚能曝晒装置自20世纪 60年代被用于自然户外加速老化试验。Q-Trac自然太阳光跟踪聚能曝晒装置是一种先进的双轴装置。它从早到晚持续跟踪太阳且自动补偿太阳仰角因季节变化引起的影响。反射镜阵列把阳光高度聚集到测试样品上。一年内，Q-Trac样品接收到的紫外线的总量是在佛罗里达的5倍。这使得对产品的测量周期大大缩短。

因为 Q-Trac在阳光充足的时候能最有效地会聚阳光，所以它仅适合在亚利桑那州的凤凰城地区使用，凤凰城的气候条件是最适合的。在白天或夜间，水喷淋循环都能使样品变湿以模拟不同的实际应用条件。晚上，Q-Trac 旋转到 5 度倒置锁定位置，此处能提供更长的、更符合实际的潮湿时间。