Bao nhiêu giờ trong Buồng thử nghiệm Xenon Q-Sun hoặc Máy thử thời tiết QUV tương đương với một năm phơi ngoài trời?
Đây là một câu hỏi đơn giản, nhưng thật không may là không có câu trả lời đơn giản nào. Về mặt lý thuyết, không thể có một con số kỳ diệu duy nhất mà bạn có thể nhân với số giờ tiếp xúc của máy thử thời tiết để tính toán số năm tiếp xúc ngoài trời.
Vấn đề không phải là chúng ta vẫn chưa phát triển được máy thử thời tiết hoàn hảo. Cho dù bạn chế tạo máy thử thời tiết của mình tinh vi hay đắt tiền đến đâu, bạn vẫn sẽ không tìm ra được yếu tố kỳ diệu.
Vấn đề lớn nhất là tính biến đổi và phức tạp vốn có của các tình huống tiếp xúc ngoài trời.
Mối quan hệ giữa tiếp xúc của máy thử và tiếp xúc ngoài trời phụ thuộc vào một số biến số, bao gồm:
- Vĩ độ địa lý của địa điểm tiếp xúc (gần xích đạo hơn có nghĩa là nhiều tia UV hơn).
- Độ cao (cao hơn có nghĩa là nhiều tia UV hơn).
- Các đặc điểm địa lý tại địa phương, chẳng hạn như gió làm khô các mẫu thử nghiệm hoặc sự gần gũi của một vùng nước để thúc đẩy sự hình thành sương
QUV là máy thử thời tiết được sử dụng rộng rãi nhất trên thế giới.
- Sự thay đổi ngẫu nhiên của thời tiết theo từng năm có thể khiến mức độ suy thoái thay đổi tới 2:1 trong những năm liên tiếp tại cùng một địa điểm.
- Biến đổi theo mùa (ví dụ, phơi nhiễm vào mùa đông có thể chỉ nghiêm trọng bằng 1/7 so với phơi nhiễm vào mùa hè)
- Hướng của mẫu (5° Nam so với hướng thẳng đứng Bắc).
- Mẫu cách nhiệt (các mẫu ngoài trời có lớp cách nhiệt thường xuống cấp nhanh hơn 50% so với các mẫu không cách nhiệt).
- Chu kỳ hoạt động của máy thử nghiệm (giờ có ánh sáng và giờ ẩm ướt).
- Nhiệt độ hoạt động của máy thử nghiệm (nóng hơn thì nhanh hơn).
- Vật liệu cụ thể được thử nghiệm.
- Phân bố công suất quang phổ (SPD) của nguồn sáng trong phòng thí nghiệm.
Rõ ràng, về mặt logic, việc nói về hệ số chuyển đổi giữa nhiều giờ phong hóa tăng tốc và nhiều tháng phơi ngoài trời là vô nghĩa. Một là điều kiện không đổi, trong khi điều kiện kia là biến đổi. Việc tìm kiếm hệ số chuyển đổi đòi hỏi phải đẩy dữ liệu vượt quá giới hạn hợp lệ của nó.
Nói cách khác: Dữ liệu thời tiết là dữ liệu so sánh.
Tuy nhiên, bạn vẫn có thể có được dữ liệu độ bền tuyệt vời từ các máy thử nghiệm thời tiết tăng tốc. Nhưng bạn phải nhận ra rằng dữ liệu bạn nhận được là dữ liệu so sánh, không phải dữ liệu tuyệt đối. Điều nhiều nhất bạn có thể yêu cầu từ quá trình phong hóa trong phòng thí nghiệm là các chỉ báo đáng tin cậy về thứ hạng tương đối của độ bền của vật liệu so với các vật liệu khác. Trên thực tế, điều tương tự cũng có thể nói về các thử nghiệm phơi nhiễm ở Florida. Không ai biết một năm trong điều kiện phơi nhiễm "Hộp đen" ngoài trời ở 5° Nam so với một năm trên một ngôi nhà hoặc ô tô. Ngay cả thử nghiệm ngoài trời cũng chỉ cung cấp cho bạn các chỉ báo tương đối về tuổi thọ thực tế.
Tuy nhiên, dữ liệu so sánh có thể rất mạnh mẽ. Ví dụ, bạn có thể thấy rằng một công thức hơi thay đổi có độ bền gấp đôi so với vật liệu tiêu chuẩn của bạn. Hoặc bạn có thể thấy rằng trong số một số nhà cung cấp cung cấp những vật liệu trông giống hệt nhau, một số hỏng rất nhanh, hầu hết hỏng trong khoảng thời gian trung bình và một số chỉ hỏng sau khi tiếp xúc trong thời gian dài. Hoặc bạn có thể thấy rằng một công thức rẻ hơn có độ bền tương đương với vật liệu tiêu chuẩn của bạn, có hiệu suất chấp nhận được trong khoảng thời gian sử dụng thực tế, chẳng hạn như 5 năm.
Nhiều phòng thí nghiệm đã phát triển thành công "Quy tắc chung" của riêng mình để chuyển đổi giờ Q-Sun hoặc QUV thành giờ phơi sáng.
Đây là một ví dụ điển hình về sức mạnh của dữ liệu so sánh. Một nhà sản xuất lớp phủ đang phát triển một loại lớp phủ trong suốt mới. Các thử nghiệm QUV ban đầu gây ra hiện tượng nứt nghiêm trọng trong vòng 200 đến 400 giờ. Điều này sớm hơn nhiều so với các lớp phủ thông thường được sử dụng cho cùng mục đích. Tuy nhiên, sau 3 năm liên tục cải tiến và thử nghiệm lại trong QUV, lớp phủ đã được cải tiến để các công thức khác nhau có thể chịu được 2,000 đến 4,000 giờ trong QUV - tốt hơn nhiều so với các lớp phủ thông thường. Các thử nghiệm song song sau đó ở Florida cho thấy độ bền tăng 10:1 tương tự. Tuy nhiên, nếu các nhà hóa học về lớp phủ đã đợi dữ liệu của Florida trước khi thay đổi công thức của họ, họ vẫn sẽ quay lại giai đoạn đầu của quá trình cải tiến và lớp phủ sẽ không thành công về mặt thương mại như hiện nay.
Mặt khác, nếu bạn vẫn khăng khăng sử dụng hệ số chuyển đổi “Quy tắc ngón tay cái”, hãy tìm hệ số đó theo kinh nghiệm. Mặc dù không thể có hệ số chuyển đổi chung, hàng trăm phòng thí nghiệm đã phát triển thành công “Quy tắc ngón tay cái” nội bộ của riêng họ để chuyển đổi giờ Q-Sun hoặc QUV của họ thành giờ phơi sáng ngoài trời. Tuy nhiên, điều quan trọng cần nhớ là các quy tắc ngón tay cái này được phát triển từ các so sánh thực nghiệm giữa các thử nghiệm tăng tốc của phòng thí nghiệm với các lần phơi sáng ngoài trời của họ. Hơn nữa, các phép chuyển đổi theo quy tắc ngón tay cái chỉ có giá trị đối với:
- Vật liệu cụ thể được thử nghiệm.
- Bộ chu kỳ thời gian và nhiệt độ cụ thể của máy kiểm tra phòng thí nghiệm.
- Địa điểm tiếp xúc ngoài trời cụ thể và quy trình lắp mẫu.
Nếu bạn có kinh nghiệm ngoài trời với vật liệu của mình, bạn sẽ không mất quá vài tháng để phát triển quy tắc chung của riêng mình. Nếu bạn không có kinh nghiệm với vật liệu của riêng mình, bạn có thể làm việc với các vật liệu cạnh tranh có lịch sử phục vụ ngoài trời.
Tương quan thứ hạng
Ngoài ra, điều quan trọng cần nhớ là: “Tương quan” có nghĩa là “Tương quan thứ hạng”. Khi ai đó hỏi “Máy thử nghiệm tăng tốc có tương quan như thế nào với ngoài trời?” thì điều họ thực sự nên hỏi là “Xếp hạng độ bền của vật liệu trong máy thử nghiệm tăng tốc có trùng khớp với xếp hạng vật liệu ngoài trời không?” Để đo tương quan thứ hạng, chúng tôi đề xuất rho của Spearman, một biện pháp thống kê dễ tính toán và không yêu cầu loại giả định mạnh về dữ liệu mà các biện pháp tương quan tuyến tính yêu cầu. Một nghiên cứu về xếp hạng độ bền của QUV và Florida của 27 lớp phủ ô tô đã tạo ra tương quan thứ hạng lên tới .89 giữa xếp hạng QUV và xếp hạng Florida. Tương quan thứ hạng giữa các lần tiếp xúc khác nhau ở Florida là .88 đến .95. Nói cách khác, QUV có thể tái tạo thứ hạng của Florida gần như tốt như Florida có thể tự tái tạo.
H. Q-Sun và QUV tạo ra bao nhiêu Langley, joule hoặc watt/m2?
Câu hỏi này nghe có vẻ đơn giản, nhưng nó dựa trên một số giả định sai lầm. Nhìn chung, người hỏi câu hỏi này có ý định lấy sản lượng ánh sáng của máy thử nghiệm (được biểu thị bằng Langley, joule hoặc watt/m2) và chia cho cường độ ánh sáng mặt trời ngoài trời để có được hệ số kỳ diệu để chuyển đổi giờ tiếp xúc với máy thử nghiệm tăng tốc thành năm tiếp xúc ngoài trời. Thật không may, không có cách nào hợp lệ về mặt toán học để thực hiện phép tính như vậy, vì nó trái ngược với các nguyên tắc cơ bản nhất của quá trình phong hóa tăng tốc. (Chưa kể đến việc, theo định nghĩa, Langley chỉ đề cập đến mặt trời chứ không phải các nguồn sáng khác.) Kết quả của phép tính như vậy trong trường hợp tốt nhất là vô nghĩa, và trong trường hợp tệ nhất là hoàn toàn gây hiểu lầm.
Một lý do khiến phép tính như vậy không hợp lệ là vì nó bỏ qua tác động của bước sóng. Yếu tố quyết định lượng phân hủy quang không phải là tổng liều lượng ánh sáng tính bằng joule, mà là cách phân bổ các joule đó theo bước sóng. Ví dụ, một joule của ánh sáng UV (bước sóng ngắn) có thể gây hại nhiều hơn một joule của ánh sáng khả kiến hoặc hồng ngoại (bước sóng dài hơn), tùy thuộc vào vật liệu bạn đang thử nghiệm.
Ngoài ra, lượng tia UV trong ánh sáng mặt trời thay đổi khá nhiều, điều này có thể có tác động rất lớn đến quá trình phong hóa của các mẫu. Langley và joule không phản ánh được sự thay đổi lớn trong tia UV mặt trời xảy ra theo mùa, theo ngày và thực tế là theo giờ. Vì lý do này, một số nghiên cứu đã chỉ ra rằng trong các lần tiếp xúc ngoài trời liên tiếp, khi các mẫu sao chép được tiếp xúc giống nhau trong Langley, có thể có sự thay đổi tới 7:1 về lượng thiệt hại được tạo ra. Nói cách khác, Langley quá không nhất quán để được sử dụng làm thước đo tiêu chuẩn về mức độ tiếp xúc ngoài trời. Kết luận rất rõ ràng: Langley có thể có những ứng dụng hợp lệ, nhưng chắc chắn không phải trong lĩnh vực phong hóa trong phòng thí nghiệm.
Ngay cả phép đo Tổng tia UV (TUV), chẳng hạn như “UV Langley” hoặc “UV joule”, cũng có thể gây hiểu lầm vì cùng một lý do: trong tia UV, bước sóng ngắn hơn thường khiến vật liệu bền bị phân hủy nhanh hơn.
Sau đây là một ví dụ về những kết luận sai lầm mà bạn có thể nhận được khi sử dụng Langley, joule hoặc thậm chí TUV để đánh giá các thiết bị kiểm tra thời tiết tăng tốc. QUV có thể sử dụng hai loại đèn: Đèn UV-A có đỉnh phát xạ ở bước sóng 340 nm hoặc đèn UV-B có đỉnh ở 313 nm. Đèn UV-A tạo ra nhiều joule hơn (và nhiều joule UV hơn) so với đèn UV-B, vậy có hợp lý không khi suy ra rằng đèn UV-A sẽ tạo ra sự phân hủy nhanh hơn? Không phải lúc nào cũng vậy. Nhiều vật liệu sẽ phân hủy chậm hơn với đèn UV-A vì tia UV mà chúng tạo ra là tia UV có bước sóng dài hơn. Trong Q-Sun, bạn sẽ tìm thấy những biến thể tương tự này tùy thuộc vào bộ lọc được sử dụng.
Một lý do khác khiến bạn không thể so sánh cường độ ánh sáng của Q-Sun hoặc QUV với ánh sáng mặt trời là các quy trình như vậy hoàn toàn bỏ qua tác động của độ ẩm. Chúng tôi thấy rằng đối với nhiều vật liệu, tác động của mưa và sương quan trọng hơn tác động của ánh sáng mặt trời. Điều này thường đúng ngay cả đối với các hiện tượng như mất độ bóng và thay đổi màu sắc, đôi khi được coi là những thay đổi do tia cực tím gây ra. Nếu bạn không tính đến độ ẩm, bạn không thể đưa ra hệ số chuyển đổi kỳ diệu.
Cuối cùng, phép tính chuyển đổi dựa trên cường độ ánh sáng là không hợp lệ vì nó bỏ qua tác động của nhiệt độ. Có thể chọn nhiều phạm vi nhiệt độ trong máy thử tăng tốc và có thể có nhiều phạm vi nhiệt độ khi tiếp xúc ngoài trời. Nhiệt độ có tác động sâu sắc đến tốc độ phân hủy quang học. Chúng tôi quan sát thấy trong máy thử tăng tốc của mình rằng trong một số trường hợp, nhiệt độ thử nghiệm tăng 10°C có thể tăng gấp đôi tốc độ phân hủy.
Để biết thêm thông tin, hãy xem bản tin kỹ thuật LU-8030 của Q-Lab Corporation, Lỗi do sử dụng Joule để tính thời gian thử nghiệm phơi sáng trong phòng thí nghiệm và ngoài trời.
H. Hệ số chuyển đổi giữa giờ trong máy thử QUV và giờ trong buồng thử xenon là bao nhiêu?
Đây là một câu hỏi đơn giản khác mà không có câu trả lời đơn giản. Hình dạng của đường cong SPD khác nhau đối với từng loại máy kiểm tra. Do đó, không có quy trình toán học hợp lệ nào để tính tỷ lệ công suất phân hủy quang. Ngoài ra, có thể sử dụng các bộ lọc khác nhau trong máy kiểm tra xenon, khiến việc so sánh với QUV trở nên khó khăn hơn.
Tương tự như vậy, rất khó để so sánh bất kỳ máy thử nào trong số này với máy thử hồ quang carbon. Một lần nữa, các đường cong SPD khác nhau. Kết quả có thể khác nhau tùy thuộc vào bộ lọc được sử dụng và loại hồ quang carbon được sử dụng (“ánh nắng mặt trời” so với “kín”).
Hơn nữa, các thiết bị thử nghiệm sử dụng cơ chế độ ẩm về cơ bản là khác nhau.
Cuối cùng, quá trình phong hóa trong phòng thí nghiệm phụ thuộc vào vật liệu. Một vật liệu dễ bị ánh sáng nhìn thấy và tia cực tím sóng dài thường sẽ bị phân hủy nhanh hơn nhiều trong máy thử xenon. Nhưng một vật liệu dễ bị tia cực tím sóng ngắn thường sẽ bị phân hủy nhanh hơn nhiều trong QUV.
