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日晒色牢度试验机冷却方式的选择

2015-09-08 09:05 点击:

在纺织品所有物理检测项目中, 日晒色牢度是一项非常重要的指标, 日晒色牢度试验机自诞生以来, 已经过转鼓式风冷、 转鼓式水冷和平板式风冷的发展历史。 日晒色牢度试验机的购置成本和使用费用比较高, 市场上销售的日晒色牢度试验机有水冷的和风冷的两种机型多种款式, 如何科学选择合适的机型和款式, 是纺织品检测技术和管理人员需要认真对待的课题。

1 日晒色牢度试验机的发展历史
日晒色牢度试验机是一种环境实验设备, 通过模拟自然环境来测试纺织品在阳光照射下的褪色程度。 现代日晒色牢度试验机多采用氙弧灯管模拟太阳光, 由于氙弧灯管功率较大, 使用中产生大量热量, 需要进行强制散热, 散热方式有风冷 ( 以空气为介质) 和水冷 ( 以水为介质)两种。 日晒色牢度试验机根据氙弧灯管散热方式不同分为风冷和水冷机型, 市场上常见的风冷机型为美国 Atlas 公司生产的 Xe note st 150S+和 Alpha、 美国 Q- Panel公司生产的 Q- Sun Xe - 1 和Xe - 3 以及意大利 SOLARBOX系列、 日本 SUGA- U48 等以及国内几个厂家生产的日晒色牢度试验机, 水冷机型为美国 Atlas 公司生产的 CI3000 等。日晒色牢度试验机于 1918 年由德国人发明, 最早用碳弧棒作为模拟光源, 由于当时材料制造技术的限制, 碳弧棒沿四周发光不均匀, 加上碳弧棒每次使用后都要清除积碳, 最早的日晒色牢度试验机采用了一根碳弧棒在中间, 样品放在四周转鼓上的结构。 1954 年采用更接近太阳光光谱的氙弧灯日晒牢度试验机问世, 但沿用了碳弧试验机的转鼓式结构。 在此基础上, 第一款水冷型日晒色牢度试验机于 1977 年在美国问市。 20 年后, 采用 3 支氙弧灯管平行放置和平板式样品架的风冷型日晒色牢度试验机于 1997 在美国推向市场。 最早的氙灯日晒牢度试验机都是风冷的, 由于转鼓结构中间只能放一支灯管, 大多数试验对转鼓样品上的光照能量有严格要求, 样品离灯管的距离 ( 即转鼓半径) 很小, 使得转鼓式风冷日晒牢度试验机测试面积较小, 由于测试面积小,从减少成本角度考虑, 导致一些关键测试参数控制技术无法应用。

2 水冷机型的特点
对转鼓式日晒牢度试验机来说, 解决风冷机型测试面积小和关键参数控制成本高问题的唯一方法是采用大功率水冷灯管, 水冷灯管的结构比风冷灯管要复杂得多, 使用中高纯度的冷却水在灯管和内层滤光器之间和内外层滤光器之间循环流动, 带走热量。 由于使用大功率水冷灯管, 转鼓半径得以加大, 测试样品面积得以大幅度增加, 多项关键测试参数控制技术也得以应用。 水冷机型在 1977 年推出后, 在日晒色牢度测试量和测试环境控制方面得到很大提高, 在当时可以说是划时代的事件。 所以在水冷机型出现后很长一段时间里 ( 1977~1997 年) , 业界形成一种印象, 即风冷机型代表的是小的、 低挡的日晒牢度试验机, 水冷机型代表的是大的、 高挡的日晒牢度试验机。 水冷机型目前只有美国ATLAS 公司生产, 纺织行业最常用的水冷机型型号是 CI3000。 但在其加大了测试面积和提高了测试环境参数控制性能的同时, 却带来了购机成本和使用费用的大幅度增加。
2.1 水冷机型的优点
水冷机型的优点是显而易见的, 具体是: 1) 功率大, 如转鼓式风冷日晒牢度试验机最大灯管功率是 2.8 千瓦, 水冷机型最低的也达到 4.8千瓦。 2) 测试面积大, 如水冷机型最低的型号 ( CI3000) 的测试面积为 339 平方英寸。 3) 关键测试参数闭环控制, 如水冷机型能对光辐照度、 黑板温度、 测试室空气温度和相对湿度这四个参数实现精确控制,这是转鼓式风冷日晒牢度试验机所做不到的。
2.2 水冷机型的缺点
1) 购置成本高, 水冷机的购机成本根据配置不同大概需要 6~8 万美元 / 台。 2) 耗材费用高, 水冷机型的耗材包括灯管、 内外滤光器、 纯水过滤器、 黑板温度计和标准标定灯管等。 一台经常使用的机器年耗材费用 8~10 万元人民币。 水冷机型的一支灯管售价约 1400 美元。 3)水冷机型结构复杂, 故障率高, 运动部件多, 容易损坏, 维修相对不方便。 4) 样品摆放不方便, 跟转鼓式风冷机型一样, 水冷机型只能挂放规定尺寸的片状样品。 5) 灯管更换不方便, 水冷机型灯管更换需要经过移开样品、 放水、 取出滤光器、 更换灯管等一系列动作, 需要两个操作人员配合。 6) 光辐照度标定不方便, 水冷机型采用标准灯管进行光辐照度标定, 操作步骤跟更换灯管差不多, 标定值需要人工读数, 再输入机器。 标准灯管也有一定的使用寿命。

3 平板式风冷机型的特点
1997 年美国 Q- PANEL 公司推出了 Q- SUN 全功能平板式风冷日晒牢度试验机, 该机器采用 3 支灯管平行放置、 平板式样品架、 多参数闭环控制、 电子式光辐照度标定和永久型滤光器等多项专利技术, 使得 Q- SUN 日晒牢度试验机在保留了风冷灯管结构简单、 成本低等优点的同时, 通过灯管室和样品架的革新设计, 使机器总灯管功率达到 5.4千瓦, 测试样品面积达到 501 平方英寸, 可以摆放多种尺寸和形状的样品, 耗材只有灯管一种 ( 每支 260 美元) ; 与 CI3000 水冷机型相比,Q- SUN 日晒牢度试验机测试面积增大了近 48%, 购机成本低也大为降低, 使用费用也较低。

4 有关测试标准的比较说明
日晒色牢度常用的测试标准有国际标准 ISO 105B02、 中国国家标准 GB/T8427、 美国标准 AATCCTM16, 其中 GB/T8427 与 ISO105B02 等效。
4.1 GB/ T8427- 1998 标准
GB/T8427- 1998 标准对曝晒条件的规定较为简单, 其中通用的曝晒条件只有正常条件和极限条件。 湿度控制只规定中等有效湿度, 低有效湿度和高有效湿度; 用湿度控制标样校准、 控制试验仓内的湿度,用最高标准黑板温度温度控制试验仓内的温度。 按照这个试验条件, 湿度和温度只是一个控制范围, 对不同的实验室及不同的测试仪器, 试验条件就会存在较大的差异, 精度难以保证。 对美国的暴晒条件也仅简单提及。
对试验过程控制, GB/T8427- 1998 规定了 5 种方法对应的 5 种试验过程。 方法 1: 通过检查试样暴晒和未暴晒部分间的色差级别来控制曝晒周期。 方法 2: 通过检查兰色羊毛标准来控制曝晒周期。 方法 3:通过与规定的兰色羊毛标准一起曝晒, 核对试样是否达到该兰色羊毛标准的耐晒色牢度。 方法 4: 通过与参比样一起曝晒, 核对试样是否达到该参比样的耐晒色牢度。 方法 5: 通过达到规定辐射量来控制曝晒时间。对辐射能值如何核对, 如何进行定量控制, 没有具体的说明, 描述的较为简单, 不同设备可以用不同的方法控制, 但差异会较大。
4.2 AATCC TM16 标准
AATCCTM16 标准规定了 6 种曝晒条件的选择, 选择 1、 2 针对碳弧, 选择 3、 4、 5 针对氙弧, 选择 6 针对透过玻璃的太阳光。AATCCTM16 对试验条件的规定更为详细、 具体, 包括湿度、 黑板温度、 仓内温度、 辐射能量等, 都有数字量化的规定,其中, 用曝晒条3代替了 AATCC16 旧标准中被广泛使用的方法 E。对试验过程控制, AATCCTM16 引用 AFU ( AATCC 褪色单元)概念。 通过 AFU 对耐晒色牢度试验过程进行量化控制, 在试验条件 3和条件 4 的运行条件下, 20 个 AFU通过在 420nm 控制点累计能量85kj/m 2获得, 这个曝晒能量使 L4兰色羊毛标准用灰色样卡评定产生 4级色差或仪器 ( 分光光度计或色差仪) 评定色差为 1.7±0.3 CIELAB。以此推广至不同试验方法规定的试验条件下, 只要当 L4 兰色羊毛标准用灰色样卡评定产生 4 级色差或仪器 ( 分光光度计或色差仪) 评定色差为 1.7±0.3CIELAB 时褪色单元即为 20AFU。 兰色羊毛标准 L2- L9 每高一级要达到同样的褪色程度, 需要比前一级高一倍的曝晒能量即高一倍的褪色单元, 这样各级兰色羊毛标准的褪色就通过 AFU 褪色单元进行量化了, 从而为不同的试验方法: 如碳弧灯, 氙弧灯, 连续照明, 照明和黑暗交替等, 提供了一个有效又简便的衡量曝晒程度的控制方法。因此, 在 AATCCTM16 中, 曝晒时间不能被认为有效地表达试样的曝晒程度。
4.3 比较说明
通过以上对相关标准的分析可知, 灯管风冷水冷与测试结果无关,而与影响日晒色牢度测试的关键参数指标如光辐照度、 黑板温度、 测试室空气温度和相对湿度及其控制参数有关。 如 ATLAS 水冷 CI3000 性和 Q- SUN 风冷 Xe - 3 型, 由于他们都能对四个关键曝晒参数进行闭环控制, 满足最严格的标准要求, 这两个机型检测结果的可比性就很高。但对于不能进行光辐照度和测试室空气温度自动控制的风冷机型和水冷机型相比, 就很难保证其测试结果与能对四个关键曝晒参数进行闭环控制的机型的可比性。 2003 年发布的美国标准 AATCCTM16, 对测试曝晒条件的指标和误差范围提出了明确的规定 ( 见表 1) , 取消了跟测试无关的对机器的硬件限制, 实际上废弃了旧标准 AATCC16E 及其相关的水冷灯管等技术要求。

5 结论
日晒色牢度试验机经过转鼓式风冷、 转鼓式水冷和平板式风冷的发展历史, 技术日臻成熟, 测试标准也不断随之完善。 实验数据表明, 测试结果与灯管冷却方式和样品架结构无关, 在样品均匀的条件下, 测试结果的可比性取决于测试标准和测试参数的一致性。 因此, 用户在选用日晒色牢度试验机时, 应该根据自身情况, 从机器的技术先进性、 购置和使用成本、 以及使用维护方便性等方面综合考虑。

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