温度的重要性
材料的风化主要是由太阳照射、温度和湿度的应力引起的。虽然太阳辐射(主要是300-400纳米之间的紫外线波长)是大多数化学反应的主要引发因素，但样品温度往往是一个控制因素。样品温度对降解速率的影响可以通过Arrhenius方程量化:
(1）
Kd=化学反应速率常数;
E =活化能;
A =与材料性能和测试条件有关的反应常数;
K =玻尔兹曼常数;而且
T =绝对温度。
该方程表明，温度是决定材料降解速率的关键参数。在风化测试过程中，样品的实际温度会发生变化，主要是由于样品的发射率或太阳吸收率和表面热导率。不同颜色或材料的样品之间的温度变化可能是显著的。188金宝搏bet官网例如，在同时进行的风化测试中，涂有各种颜色有机涂料的铝板显示温度变化可达25摄氏度。2这样的观察结果可能会损害许多依赖于加速测试的使用寿命预测的有效性。
吸收的辐射有很大一部分转化为热量，吸收的量与颜色也有松散的联系，白色材料只吸收约20%的可见光，黑色材料吸收约90%的可见光。188金宝搏bet官网因此，颜色越深，温度越高。暴露的塑料试件表面温度可达77℃，3.封闭的汽车内暴露在阳光下的标本可达120摄氏度。4
温度升高可以显著影响光对聚合物材料的破坏作用，它加速了二次反应的速率，改变了键断裂这一主要光化学步骤之后的反应过程。188金宝搏bet官网例如，氧扩散速率的增加和自由基重组概率的降低可以改变主要降解机制。因此，无论每年接受多少太阳辐射，地球不同气候带的温度差异在很大程度上导致了风化的变化(图1和图2)。例如，新墨西哥中部较高、较冷的海拔地区接受非常高水平的紫外线辐射，但一般来说，它们降解材料的速度不会像亚利桑那州南部的风化基准气候那样快。188金宝搏bet官网
由于温度对二次反应的影响在材料之间存在差异，材料的稳定性等188金宝搏bet官网级会随着温度的升高而变化。
虽然测量了日平均值和极端气温，以量化样品暴露于自然风化过程中的温度条件，但材料获得的温度高于周围大气的温度。188金宝搏bet官网
由于高分子材料的低导热率和热容，其表面和本体之间的温差会引起物理应力。188金宝搏bet官网由于热膨胀系数不匹配，每日和季节性的温度循环会在复合材料系统中造成机械应力，如涂层和基板之间或涂层层之间。这种差异经常导致开裂和涂层附着力的丧失。温度及其循环也通过影响水分的作用来影响聚合物材料的风化。188金宝搏bet官网温度升高会加速水解反应，而温度降低则会在材料上凝结成露珠。冻融循环或冷雨撞击干热表面引起的热冲击会引起机械应力，这可能导致某些系统的结构失效，或加速已经开始的退化。
测量单个试件的表面温度通常是不切实际的，因为(a)相对于可用的数据采集系统，暴露的试件的位置和/或(b)在每个面板上安装温度传感元件的费用和劳动力。因此，用黑色面板和白色面板温度传感器分别表示样品获得的最高温度和最低温度。
加速测试仪器中的样品温度
人工风化试验的目的是模拟自然或最终用途的风化过程，然后加速。因此，测量和控制样品温度是这些腔室中的重要因素是合乎逻辑的。与自然风化试验一样，通常用黑色面板表示所达到的最高温度。
许多标准机构已经定义了这些面板。例如，ASTM G151，在使用实验室光源的加速试验装置中暴露非金属材料的标准实施规程188金宝搏bet官网ISO 4892 - 2,塑料。实验室光源照射方法。一般指南描述这些面板的特性。风化仪制造商将这些面板作为测试室内的标准特征，在这些仪器中进行的测试通常将确定黑色面板温度设定点作为众多参数之一。
有两种常见的黑色面板。一个不保温的黑色面板由涂有黑色层的扁平金属板组成，该金属板具有良好的耐老化性能，并能吸收曝晒过程中至少90%的辐照。一个热敏元件牢固地附着在裸露表面的中心。一个绝缘黑色面板也有类似的涂层，但温度传感器连接在辐射源对面的一侧。然后将金属连接到一个5毫米厚的由未填充的聚偏氟乙烯(PVDF)制成的底板上。5在常见的风化术语中，未绝缘的黑色面板被称为“BPT”，绝缘的黑色面板被称为“BST”或“黑色标准温度计”(图3)。6
虽然这些描述提供了施工的一般基础，但省略了某些细节，如面板厚度、所使用的金属的具体类型、所使用的温度传感器的类型和安装方法。此外，不同的风化仪器制造商可能使用不同的黑色面板安装技术，这取决于光源的方向和暴露的标本。
如上所述，测量单个测试样品的表面是不实际的，而且在暴露过程中，样品架的旋转和/或需要通过测试箱的门或其他孔将电线布线，这可能代表安全隐患。
没有测量实际试件表面温度的事实是常见人工风化试验的固有弱点。当研究问题的重点是确定人工试验的加速因子或接近所研究材料的最终使用寿命时，尤其如此，因为正如已经确定的那样，温度是材料降解速率的主要因素。
人工试验中测定试样温度的新方法
所有的材料都发出与温度有关的辐射谱。188金宝搏bet官网普朗克定律(方程2)及其各种衍生形式描述了理想黑体的光谱分布，图4说明了不同温度下的普朗克定律。发射主要在红外区域。真实的材料188金宝搏bet官网并不是一个理想的黑体，因此人们经常必须考虑发射率(定义为在特定波长和温度下的材料发射率与理想黑体发射率的比值)。幸运的是，一个简单的校准可以解释材料相关的发射率。(红外)发射的测量是红外热测量的基础。
米BB=黑体的辐射度
h =普朗克常数
k =玻尔兹曼常数
C =光速和
绝对温度
基于这一基本前提，Atlas材料测试技术有限责任公司的研发人员开展了一个项目，将现有的温度传感技术整合到旋转机架氙气弧人工风化仪Weather-Ometer中®．根据以下标准选择合适的红外高温计:
•传感器头尺寸-必须足够小，不会显著干扰(阴影)氙气弧灯的辐射;
•响应时间—必须足够快，能够在典型样品宽度为2.5”(7毫米)的表面上进行多次测量;
•光谱响应-不能受氙气弧灯的光谱范围影响;
•空间分辨率-必须提供足够小的测量表面积，只能查看样品表面，而不能查看腔壁或样品支架;而且
•工作环境温度/相对湿度-在实际风化试验中必须承受风化室的恶劣环境。
最初的工作验证了所选的红外高温计，进一步的研发努力开发了一种方法，使仪器能够确定在任何给定时间被测量的样品温度。考虑了不同的标本索引方法，最终选择使用通用的RFID(射频识别)技术。这种方法需要一个射频识别阅读器，可以识别安装在样品支架上的标签，对应特定的样品。图5显示了这些组件在旋转机架氙气弧风化仪中的使用情况。
暴露的样品以每分钟一转的速度围绕光源旋转。红外高温计每0.2秒连续读数一次。当试样在高温计的视场内通过时，沿试样表面水平方向至少取5个读数。同时，安装在样品支架背面的RFID标签进入安装在腔室外保护玻璃后面的RFID阅读器的视野。这“触发”红外高温计的适当温度测量，然后显示在天气计的图形用户界面上。温度可以以表格或趋势图的形式显示，触发样品温度测量和红外高温计连续读数的原始数据都可以通过常见的数据收集方法存储和检索。
S³T系统的验证
一旦选择了组件，并将所有硬件/软件纳入到天气计的设计中，就需要进行几个方面的产品验证。这些包括:
•与传统温度测量技术的比较——使用一组标准材料，将热电偶和/或rtd安装在表面，以确定是否可以实现类似的温度测量。188金宝搏bet官网
•温度范围-该系统使用多种常用的温度黑色面板设定点;从AATCC TM16(63ºC)到SAE J2412(89ºC)。
•材料/颜色的范围-几188金宝搏bet官网种类型的材料(纺织品，涂料，塑料)，以及各种颜色被用来确定是否可以通过该系统获得有效温度。
•BPT/BST的红外高温计测量-对标准绝缘和非绝缘黑色面板的测量进行了比较测试，以确保与标准化的数据采集方法一致。
•压力测试-系统测试了天气测试仪的性能极限，包括辐照度水平、室内温度、相对湿度、明暗循环和喷雾。
空间的限制限制了在研发工作过程中收集和分析的大量数据。但是，这里描述了一个结合了上面列出的产品验证的前三个方面的验证测试示例。9
在这些测试中使用了7个镀有彩色PVC薄膜的铝板，在涂层和衬底之间嵌入T型热电偶。颜色有白、黄、橙、红、绿、蓝、黑。此验证中的测试如表1所示。在每次测试中，S³T系统和热电偶都记录并跟踪了七种颜色面板的表面温度。在每个彩色样品的稳定测试阶段，测量的温度在10分钟内平均，结果如图6所示。
S³T系统的极限
虽然将S³T系统纳入人工风化测试是一项革命性的进步，但该系统仍有一些值得一提的局限性。
•材料的发射率——基本上，使用红外热法对具有相对高发射率的材料效果最好。188金宝搏bet官网这包括从塑料到纺织品到涂料的广泛材料。188金宝搏bet官网大多数不透明材料的发射率188金宝搏bet官网都在0.85以上，S³T系统中使用的红外高温计可以校准到特定的发射率水平。然而，用于开窗的裸金属和低e涂层并不适合S³T。
•标本的位置—在天气计中，标准旋转机架有三层，标本可以安装在上面。由于红外高温计的潜在阴影，只能测量机架中间层的样品。
•机架转速/高辐照度—为了在测试过程中保持适当的温度和辐照度均匀性，天气计的机架在需要高辐照度的测试中以更高的转速旋转。尽管所选红外高温计的响应时间很短(0.2秒)，但为了使RFID组件和红外高温计正确同步，必须使用每分钟转一圈的机架转速
参考文献
1http://www.nrel.gov/gis/images/map_pv_us_annual10km_dec2008.jpg
2费舍尔，R.M.和同事们。变异较大。板牙。科学。Eng.83, 136 - 139(2000)。ACS全国会议，2000年8月20-24日。
3.加纳、B l;和Papillo, P.J. Ind. Eng。化学。Prod. Res. Dev.1, 249-253, 1962。
4Clauson, D.在第75届IFAI年会，1987年11月，工业织物协会。国际，圣保罗，明尼苏达州。，1988，pp. 96–110 (Preprint).
5ASTM G151，在使用实验室光源的加速试验装置中暴露非金属材料的标准操作规程，2010年修订版。188金宝搏bet官网
6ISO 4892-2，塑料-实验室光源暴露方法-一般指南，2006年修订版。
7http://www.eldoradocountyweather.com/climate/US%20Climate%20Maps/Lower%2048%20States/Temperature/Mean%20Daily%20Maximum%20Temperature/Gallery/us- mean-daily-max-temps-gallery.html
8http://www.sciencephoto.com/media/146802/enlarge
9张军。SST研究综述，内部地图集研发研究报告，2007。
报告的评论