紫外老化试验箱：结构剖析与功能解析

一、引言

二、紫外老化试验箱的结构组成

（一）箱体外壳

1. 材质特性：紫外老化试验箱的箱体外壳通常采用优质不锈钢板或防锈铝合金材料制成。不锈钢板具有出色的耐腐蚀性、强度高以及良好的密封性，能够有效抵御外界环境因素对箱体内部的干扰，防止因生锈或腐蚀而影响设备的性能与寿命。防锈铝合金则在保证一定强度的同时，具有较轻的重量，便于设备的移动与安装，且其表面氧化层能提供一定的防护作用。

2. 结构设计：箱体外壳设计为双层结构，中间填充有隔热材料，如聚氨酯泡沫或岩棉等。这种双层隔热结构能够显著减少箱体内外热量的交换，降低能耗，同时有助于维持箱体内温度和湿度的稳定性。外壳的形状一般为长方体或立方体，其尺寸根据不同的试验需求和样品容量而定，具备良好的空间利用率，方便样品的放置与操作。

（二）紫外光源系统

1. 光源类型与选择依据：紫外老化试验箱常用的紫外光源有荧光紫外灯和氙弧灯。荧光紫外灯根据其发射光谱的不同可分为 UVA - 340、UVB - 313 等型号。UVA - 340 灯的光谱能量分布与太阳光中的紫外线部分较为相似，主要模拟户外阳光中的长波紫外线，适用于对材料耐候性的长期评估；UVB - 313 灯则发射更多的中波紫外线，能产生更强烈的老化效果，可用于快速筛选材料或产品的耐紫外性能，但因其能量较强，可能会对某些材料造成过度老化。氙弧灯的光谱分布则更接近自然阳光全光谱，包括紫外线、可见光和红外线部分，能够更全面地模拟自然环境下的光照条件，对于一些对光谱完整性要求较高的测试，如汽车涂料、纺织品的耐光色牢度测试等尤为适用。

2. 光源布局与数量：紫外光源在箱体内的布局经过精心设计，以确保箱内光照强度均匀性。一般采用多支灯管均匀分布在箱体顶部或四周的方式，例如，对于小型试验箱，可能配备 4 - 8 支紫外灯；中型试验箱则可能有 10 - 20 支不等。通过合理的布局和数量配置，使样品在箱内各个位置都能接收到较为均匀的紫外辐射，避免因光照不均导致的测试误差。同时，光源系统还配备有反光罩，通常采用铝制或不锈钢制的抛物面反光罩，能够将光源发出的光线集中反射到样品表面，提高光照效率，减少光线散失，进一步增强老化效果。

（三）温度控制系统

1. 加热元件与制冷装置：温度控制系统由加热元件和制冷装置组成。加热元件一般采用不锈钢加热丝或陶瓷加热片，它们具有加热速度快、热效率高、稳定性好等特点。通过电加热的方式，将电能转化为热能，使箱体内空气温度升高。制冷装置则多采用压缩机制冷系统，类似于冰箱或空调的制冷原理。压缩机将制冷剂压缩成高温高压气体，经过冷凝器散热后变为高压液体，再通过膨胀阀节流降压，进入蒸发器吸收热量而汽化，从而使箱体内温度降低。这种制冷系统能够精确地控制箱体内的低温环境，满足不同低温测试需求。

2. 温度传感器与控制方式：为了实现精准的温度控制，箱体内安装有高精度的温度传感器，如铂电阻温度传感器或热电偶温度传感器。这些传感器能够实时监测箱体内的温度变化，并将温度信号反馈给控制器。控制器采用先进的 PID（比例 - 积分 - 微分）控制算法，根据设定温度与实际温度的差值，自动调节加热元件的加热功率或制冷装置的运行状态。例如，当箱内温度低于设定温度时，控制器增加加热功率；当温度高于设定温度时，启动制冷装置或降低加热功率，从而使箱内温度稳定在设定值的一定范围内。一般来说，温度控制精度可达到 ±1℃甚至更高，能够满足大多数材料老化测试对温度控制的严格要求。

（四）湿度控制系统

1. 加湿方式与装置：湿度控制系统用于调节箱体内的湿度环境。加湿方式主要有蒸汽加湿和雾化加湿两种。蒸汽加湿是通过加热水产生蒸汽，将蒸汽引入箱体内，从而增加空气湿度。这种方式加湿速度较快，湿度控制相对稳定，适用于需要较高湿度环境的测试。雾化加湿则是利用超声波雾化器或高压雾化泵将水雾化成微小水滴，再通过风机将水雾吹散到箱体内。雾化加湿能够产生更细腻的水雾，在较低湿度范围内也能实现较好的控制效果，且不易产生水滴凝结现象。加湿装置通常包括水箱、水泵（或雾化器）、蒸汽发生器（若采用蒸汽加湿）以及相关的管道和阀门等部件。水箱用于储存加湿用水，水泵将水输送到蒸汽发生器或雾化器，蒸汽发生器产生蒸汽，通过管道和喷头将蒸汽或水雾均匀分布在箱体内。

2. 除湿方式与原理：除湿功能主要通过冷凝除湿和分子筛吸附除湿两种方式实现。冷凝除湿是利用制冷系统使箱体内空气冷却到露点温度以下，空气中的水蒸气凝结成水滴，通过排水管道排出箱外。这种方式在湿度较高时除湿效果明显，但在低湿度环境下效率较低。分子筛吸附除湿则是利用分子筛的吸附特性，分子筛内部具有大量的微孔结构，能够吸附空气中的水分子。当空气通过分子筛时，水分子被吸附在分子筛表面，从而降低空气湿度。分子筛吸附除湿在低湿度环境下具有较好的控制效果，且能够实现连续除湿。湿度控制系统同样配备有湿度传感器，如电容式湿度传感器或电阻式湿度传感器，实时监测箱内湿度变化，控制器根据设定湿度与实际湿度的差值，自动调节加湿或除湿装置的运行，使箱内湿度稳定在所需的范围内，湿度控制精度一般可达 ±3% RH。

（五）样品架与转架系统

1. 样品架材质与结构设计：样品架用于放置被测试的样品，其材质通常选用不锈钢或铝合金，具有良好的耐腐蚀性和强度，能够承受一定重量的样品。样品架的结构设计根据不同的试验需求而异，常见的有平板式、多层式和可调节式等。平板式样品架适用于放置片状或块状样品，如塑料板材、金属薄片等；多层式样品架可以增加样品的放置数量，提高试验效率，常用于小型样品的批量测试；可调节式样品架则能够根据样品的大小和形状进行灵活调整，方便不同规格样品的放置，例如可调节样品架的搁板高度和角度，以适应弯曲或不规则形状的样品。

2. 转架系统功能与运行方式：转架系统是为了使样品在试验过程中能够均匀地接受紫外辐射、温度和湿度的作用而设置的。转架一般采用电动驱动，通过电机带动链条或齿轮传动，使样品架围绕中心轴缓慢旋转。转架的转速可调节，一般在每分钟 1 - 10 转之间，操作人员可以根据样品的特性和试验要求设定合适的转速。例如，对于一些对光照均匀性要求高的样品，如光学材料或涂层样品，可以适当提高转架转速，以确保样品各个表面都能得到充分且均匀的老化处理。转架系统还具备定位功能，在试验过程中可以随时停止转架的转动，方便操作人员取出或更换样品，同时也便于对样品进行定期观察和检测。

（六）控制系统与操作界面

1. 控制系统硬件组成：紫外老化试验箱的控制系统主要由控制器、数据采集器、驱动器等硬件组成。控制器是整个控制系统的核心，通常采用可编程逻辑控制器（PLC）或微处理器控制单元（MCU）。它负责接收来自温度传感器、湿度传感器、紫外光强传感器等各种传感器的信号，根据预先设定的试验程序和控制算法，对加热元件、制冷装置、加湿与除湿装置、紫外光源以及转架系统等执行部件进行控制。数据采集器用于采集和存储试验过程中的各种数据，如温度、湿度、紫外辐射强度、试验时间等，以便后续进行数据分析和处理。驱动器则根据控制器的指令，驱动电机、电磁阀等执行元件工作，实现对设备各部分的精确控制。

2. 操作界面与功能设置：操作界面一般采用触摸屏或按键式面板，具有直观、便捷的操作特点。操作人员可以通过操作界面设置试验参数，如温度设定值、湿度设定值、紫外光照时间、转架转速、试验周期等。操作界面还能够实时显示设备的运行状态，包括当前温度、湿度、紫外光强、各部件的工作状态（如加热、制冷、加湿、除湿、光源开启等）以及试验剩余时间等信息。此外，操作界面还具备故障报警功能，当设备出现故障时，如传感器故障、加热或制冷系统异常、紫外光源损坏等，操作界面会立即显示故障代码和报警信息，提醒操作人员及时进行处理。操作人员还可以通过操作界面查询历史试验数据，方便对不同批次的试验结果进行对比分析，为材料性能评估和产品质量改进提供数据支持。

三、紫外老化试验箱的功能实现

（一）模拟自然环境老化

1. 紫外辐射模拟：通过选择合适的紫外光源并调节其光照强度、光谱分布以及光照时间，紫外老化试验箱能够模拟自然界中不同强度和波长的紫外辐射。例如，在模拟户外阳光老化时，采用 UVA - 340 荧光紫外灯或氙弧灯，按照一定的光照周期（如 12 小时光照、12 小时黑暗）进行照射，使样品在短时间内经受相当于长时间户外暴露的紫外辐射量，加速材料的光老化过程。对于一些特殊应用场景，如高海拔地区或特定纬度地区的阳光辐射模拟，可以根据当地的太阳光谱数据调整紫外光源的参数，以更精准地再现实际环境中的紫外辐射条件。

2. 温度与湿度协同模拟：在模拟自然环境老化时，温度和湿度的协同作用对材料老化效果有着重要影响。温度控制系统和湿度控制系统协同工作，能够根据不同的试验需求设置温度和湿度的变化曲线。例如，模拟热带地区的高温高湿环境时，将温度设定在 40℃ - 60℃，湿度设定在 80% RH - 90% RH；模拟沙漠地区的高温低湿环境时，温度可设置在 50℃ - 70℃，湿度在 20% RH - 30% RH。通过这种方式，使样品在紫外辐射的同时，经受与实际环境相似的温度和湿度变化，更全面地模拟自然环境下的老化过程，因为在自然环境中，温度和湿度的变化会影响材料对紫外辐射的吸收、扩散以及化学反应速率，从而影响材料的老化速度和老化机理。

（二）加速材料老化测试

1. 强化环境因素作用：紫外老化试验箱通过提高紫外辐射强度、加大温度变化幅度以及控制湿度范围等手段，强化了环境因素对材料的作用，从而实现加速老化测试的目的。与自然环境老化相比，试验箱内的紫外辐射强度可以根据需要提高数倍甚至数十倍，例如，自然阳光中的紫外辐射强度一般在每平方米几十瓦到几百瓦之间，而试验箱内的紫外辐射强度可设置为每平方米数千瓦。同时，温度的升降速率也可以加快，如自然环境中温度的日变化幅度可能在 10℃ - 20℃之间，而试验箱内可以在短时间内实现几十度的温度变化。这种强化的环境因素作用能够使材料在较短时间内发生在自然环境中需要数月或数年才能出现的老化现象，大大缩短了材料老化测试的周期，提高了测试效率，为材料研发和产品质量控制提供了更快速的评估手段。

2. 数据采集与分析辅助：在加速老化测试过程中，数据采集与分析系统发挥着重要作用。数据采集器实时采集温度、湿度、紫外辐射强度以及样品在老化过程中的性能变化数据（如材料的力学性能、颜色变化、表面形貌变化等，这些数据可通过在试验箱内配备相应的检测仪器或在试验前后对样品进行检测获得）。通过对这些数据的分析，可以建立材料老化模型，深入研究材料在加速老化条件下的老化机理，预测材料在自然环境中的使用寿命。例如，对于某种塑料材料，通过分析其在不同紫外辐射强度、温度和湿度条件下的拉伸强度变化数据，可以建立拉伸强度与环境因素之间的数学关系模型，进而根据自然环境中的平均紫外辐射强度、温度和湿度数据，预测该塑料材料在自然环境中的拉伸强度随时间的变化曲线，从而评估其使用寿命，为材料的优化设计和产品的合理使用提供科学依据。

（三）材料性能评估与筛选

1. 对比测试与性能指标测定：紫外老化试验箱可用于对不同材料或同一材料的不同配方、不同工艺处理后的样品进行对比测试。在相同的老化试验条件下，将多个样品同时放入试验箱进行测试，通过测定样品在老化前后的各项性能指标，如力学性能（拉伸强度、弯曲强度、冲击强度等）、光学性能（透光率、光泽度、颜色变化等）、化学性能（成分变化、氧化程度等）以及表面性能（粗糙度、附着力、裂纹扩展等），评估不同材料或样品的耐紫外老化性能差异。例如，在评估几种不同品牌的涂料耐候性时，将涂覆有这些涂料的样板放入试验箱，经过一定时间的老化试验后，测定样板的光泽度变化、颜色褪色程度以及涂层的附着力变化等指标，比较不同涂料的耐紫外老化性能，从而为涂料的选择和应用提供依据。

2. 筛选优质材料与优化产品设计：基于材料性能评估的结果，可以筛选出耐紫外老化性能材料，用于产品的生产制造，提高产品的质量和耐久性。同时，通过对材料老化过程中性能变化的分析，还可以为产品设计提供优化建议。例如，如果发现某种材料在老化过程中表面容易出现裂纹，导致产品性能下降，可以通过改进产品结构设计，减少材料在使用过程中的应力集中，或者采用表面防护处理等措施，提高产品的抗老化能力。此外，紫外老化试验箱还可以用于新产品研发过程中的材料选型和性能验证，在产品设计初期，通过对多种候选材料进行老化测试，选择合的材料，避免在产品大规模生产后因材料老化问题导致的质量事故和经济损失。

四、结论