温度的重要性
材料风化主要是由太阳照射、温度和湿度等应力引起的。虽然太阳辐射(主要是波长在300-400 nm之间的紫外线)是大多数化学反应的主要引发剂，但样品温度通常是一个控制因素。样品温度对降解速率的影响可通过Arrhenius方程量化:
(1）
Kd=化学反应速率常数;
E =活化能;
A =与材料性能和试验条件有关的反应常数;
K =玻尔兹曼常数;而且
T =绝对温度。
由方程可知，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以及表面热导率。不同颜色或材料的样品之间的温度变化可能是显著的。例如，在同时进行的风化测试中，使用各种彩色有机涂料的铝板显示出高达25ºC的温度变化。2这样的观察结果可能会影响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被转化为热量，吸收的量也与颜色有松散的联系，白色材料只吸收约20%的可见光，黑色约90%。因此，颜色越深，温度越高。暴露的塑料试样表面温度可达77℃，3.在封闭的汽车内暴露在阳光下的标本可以达到120ºC。4
升高的温度可以通过加速二次反应的速率和改变化学键断裂的主要光化学步骤后的反应过程，显著地影响光对聚合物材料的破坏作用。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的降解机制。因此，无论每年接受多少太阳辐射，地球各气候带的温度差异在很大程度上导致了风化作用的变化(图1和图2)。例如，新墨西哥州中部海拔较高、较冷的地区接受了非常高水平的紫外线辐射，但一般来说，它不会像亚利桑那州南部的风化基准气候那样快地降解材料。
由于温度对二次反应的影响在不同材料之间存在差异，因此随着温度的升高，材料的稳定性等级也会发生变化。
虽然在样本暴露于自然风化过程中，通过测量日平均值和极端气温来量化温度条件，但材料所达到的温度高于周围大气的温度。
由于聚合物材料的低导热系数和热容，其表面和本体之间的温差会引起物理应力。由于热膨胀系数不匹配，每日和季节的温度循环会在复合材料系统中引起机械应力，例如涂层和基材之间或涂层层之间。这种差异往往会导致涂层开裂和失去附着力。温度及其循环也通过影响水分的作用来影响高分子材料的风化。温度的升高会加速水解反应，而温度的降低则会在材料上凝结成露水。冻融循环或冷雨撞击干燥热表面引起的热冲击会引起机械应力，这可能会导致某些系统的结构失效，或加速已经开始的退化。
测量单个试样的表面温度通常是不实际的，因为(a)暴露的试样相对于可用的数据采集系统的位置和/或(b)在每个面板上安装温度传感元件的费用和人工。因此，使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
人工风化试验的目标是模拟，然后加速自然或最终使用的风化过程。因此，测量和控制样品温度是这些室中的重要因素是合乎逻辑的。与自然风化测试一样，通常使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小组。例如，ASTM G151，在使用实验室光源的加速测试装置中暴露非金属材料的标准实施规程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。风化仪器制造商将这些面板作为测试室的标准配置，在这些仪器中进行的测试通常会将黑色面板的温度设定点定义为众多参数之一。
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，具有良好的耐老化性，并吸收在曝光期间接受的至少90%的辐照。热敏元件牢固地附着在暴露表面的中心。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的对面。然后将金属连接到由未填充的聚偏氟乙烯(PVDF)制成的5毫米厚的底板上。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
虽然这些描述为构造提供了一般基础，但省略了某些细节，例如面板厚度、使用的特定金属类型以及使用的温度传感器的类型和安装方法。此外，不同的风化仪制造商可能会根据光源的方向和暴露的样品对黑色面板使用不同的安装技术。
如上所述，测量单个试样的表面是不实际的，在暴露过程中试样架的旋转和/或需要将导线穿过试验室门或试验室的其他孔，这可能代表安全隐患，从而扩大了这种不实用性。
没有测量实际试样表面温度是普通人工风化试验的一个固有弱点。当研究问题的重点是确定人工试验的加速因子或近似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，温度是材料降解率的主要因素。
人工试验中测定试样温度的新方法
所有材料都发射出与温度有关的辐射谱。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，并在图4中说明了各种温度。发射主要在红外区域。真实的材料不像一个理想的黑体，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率)。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)发射的测量构成了红外热测量的基础。
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集成到旋转架、氙弧人工风化仪和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，不会明显干扰(阴影)氙气灯的辐射;
•响应时间-必须足够快，能够在典型样品宽度为2.5”(7毫米)的表面上提供多次测量;
•光谱响应-不得受氙弧灯的光谱范围的影响;
•空间分辨率-必须提供足够小的测量表面积，以仅查看样品表面，而不是室壁或样品架;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择的红外高温计，进一步的研发工作开发了一种方法，使仪器能够确定在任何给定时间测量的样品温度。考虑了不同的样本索引方法，最终选择了使用通用的RFID(射频识别)技术。这种方法需要一个RFID阅读器，可以识别与特定标本对应的标签安装在样品夹上。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。
曝光的标本以每分钟一圈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野内通过时，沿试样表面水平至少读取5个读数。同时，安装在样品支架背面的RFID标签进入安装在室外保护玻璃后面的RFID阅读器的视野。这将“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，触发的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用的数据收集方法存储和检索。
S³系统的验证
一旦选择了组件并将所有硬件/软件集成到天气计的设计中，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——使用一套标准材料进行测试，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。
•温度范围-该系统使用了各种常用的温度黑色面板设定点;从AATCC TM16(63ºC)到SAE J2412(89ºC)的较低温度。
•材料/颜色的范围-几种类型的材料(纺织品，涂料，塑料)，以及各种颜色被用来确定是否有效的温度可以达到与系统。
•BPT/BST的红外高温计测量-进行了测试，比较了标准绝缘和非绝缘黑色面板的测量，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Weather-Ometer的极端性能，包括辐照度水平、室内温度、相对湿度、光/暗循环和喷雾。
空间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，这里描述了一个验证测试的例子，它结合了上面列出的产品验证的前三个方面。9
在这些测试中使用了7块涂有彩色PVC薄膜的铝板，涂层和基材之间嵌入了T型热电偶。颜色有白色、黄色、橙色、红色、绿色、蓝色和黑色。表1列出了此验证中的测试。在每次测试中，S³系统和热电偶都记录并跟踪了七个彩色面板的表面温度。在稳定测试阶段，对每个着色样品在10分钟内的测量温度进行平均，结果如图6所示。
S³系统的限制
虽然将S³系统纳入人工风化测试是一项革命性的进步，但该系统的某些局限性值得注意。
•材料的发射率-从根本上说，红外测热法最适合发射率相对较高的材料。这包括从塑料到纺织品到涂料的各种材料。大多数不透明材料的发射率都在0.85以上，而S³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，用于开窗应用的裸金属和低e涂层不适合S³T。
•标本的位置-在Weather-Ometer中，标准的旋转机架有三层，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速度旋转。尽管红外高温计的响应时间很短(0.2秒)，但RFID组件和红外高温计必须以每分钟一圈的机架转速进行正确同步
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。工程83,136-139(2000)。ACS全国会议，2000年8月20-24日。
3.加纳、B l;帕皮洛，P.J.工业工程师。化学。决议第1号，249-253号，1962年。
4Clauson, D.，第75届IFAI年会，1987年11月，工业织物协会。明尼苏达州圣保罗Int 'l，1988，pp. 96–110 (Preprint).
5ASTM G151，在使用实验室光源的加速测试装置中暴露非金属材料的标准操作规程，2010年修订版。
6ISO 4892-2:塑料——实验室光源照射方法——通用指南，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张杰。SST研究综述，内部地图集研发研究报告，2007。
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