PC透鏡紫外老化對道路照明效果的影響

李江山，宋潔瓊，莊曉波

(國家燈具質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心、國家電光源質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心(上海)、上海時代之光照明電器檢測有限公司，上海 201114)

引言

LED路燈已經(jīng)逐漸成為市政道路照明工程的主要選擇。使用LED路燈時需要通過合理的光學(xué)設(shè)計實現(xiàn)特定配光，才能滿足道路照明設(shè)計要求。在LED路燈中，二次光學(xué)設(shè)計主要依靠透鏡來實現(xiàn)。現(xiàn)有的自由曲面設(shè)計方法使得透鏡可根據(jù)實際需求實現(xiàn)更精確、更多樣化的配光設(shè)計方案。聚碳酸酯(PC)是一種熱塑性工程塑料，有高透光率、高抗沖擊性、適用溫度范圍廣、易加工成型等優(yōu)點，非常適合用于制作LED路燈的透鏡。PC的老化受多種機(jī)理影響，比如物理老化、紫外老化，熱-氧老化、接觸水老化等[1]。這些老化機(jī)理均會影響PC材料的物理、化學(xué)性能。

本文重點分析紫外老化對PC材料的影響，通過對比PC材質(zhì)透鏡經(jīng)過紫外老化前后燈具產(chǎn)品的配光數(shù)據(jù)，以及對比基于給定道路安裝條件下由該配光數(shù)據(jù)進(jìn)行的道路照明模擬計算結(jié)果，分析PC透鏡經(jīng)過紫外老化對道路照明效果的影響。

1 關(guān)于紫外老化的規(guī)定

1.1 照明產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)缺少紫外老化的規(guī)定

PC分子結(jié)構(gòu)中存在碳酸酯鍵，在紫外光照射下發(fā)生老化降解，容易發(fā)黃。加工制作工程中水分、雜質(zhì)、添加劑以及受熱等因素也會造成PC材料的黃變[2]。PC在紫外線輻照下發(fā)生降解的機(jī)理主要有兩種：光-弗里斯重排和光-氧化，當(dāng)照射PC材料的紫外線波長不同時，兩種機(jī)理的占比也會不同，但兩種機(jī)理均會使PC在紫外線下發(fā)生光致黃變[3]。黃變會對LED路燈的光學(xué)性能產(chǎn)生不利影響，如光輸出下降、顏色漂移等。特別是透鏡光誘導(dǎo)折射指數(shù)的變化，會直接改變LED路燈配光的形狀，進(jìn)而影響道路照明的效果。

LED路燈有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)一般通過考核壽命和光性能維持來驗證產(chǎn)品長期使用的效果。LED路燈的宣稱壽命一般在30 000～50 000 h之間，無法通過正常點燈來驗證LED路燈是否達(dá)到宣稱壽命。可以依據(jù)一系列標(biāo)準(zhǔn)，如GB/T 33720—2017《LED照明產(chǎn)品光通量衰減加速試驗方法》、GB/T 33721—2017《LED燈具可靠性試驗方法》、GB/T 31897.201—2016《燈具性能 第2-1部分：LED燈具特殊要求》等，通過加速試驗后測量光通量的衰減來推測產(chǎn)品的壽命。維持性能一般是通過測試3000 h或6000 h光通維持率進(jìn)行判定。這些標(biāo)準(zhǔn)判定的依據(jù)，基本是依靠“光通量”這一參數(shù)。

但光通維持試驗過程中的條件與現(xiàn)實中路燈的使用環(huán)境條件并不一致。GB/T 33720—2017和GB/T 33721—2017中通過加速試驗的方式推測壽命、耐久性，涉及的試驗方法包括加熱、溫度循環(huán)等，均在室內(nèi)或試驗箱內(nèi)進(jìn)行。按照CQC 3127—2016《LED道路隧道照明產(chǎn)品節(jié)能認(rèn)證技術(shù)規(guī)范》等涉及壽命試驗的標(biāo)準(zhǔn)中要求，LED路燈燃點時應(yīng)保持溫濕度環(huán)境穩(wěn)定，因此也必須在室內(nèi)進(jìn)行試驗。實際上，在戶外使用LED路燈產(chǎn)品時，太陽光輻射是一個不容忽視的因素，而以上這些試驗都無法體現(xiàn)太陽光輻射對透鏡的影響，更無法體現(xiàn)透鏡耐黃變能力的好壞[4-7]。

1.2 其他產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于紫外老化的規(guī)定

紫外老化試驗被廣泛應(yīng)用在非金屬材料和有機(jī)材料的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中。GB/T 29848—2018《光伏組件封裝用乙烯-醋酸乙烯酯共聚物(EVA)膠膜》中第4.3章節(jié)，規(guī)定了產(chǎn)品的耐紫外老化性能。SJT 11722—2018《光伏組件用背板》中第4.8.1節(jié)規(guī)定了紫外老化性能。GB/T 20645—2006《特殊環(huán)境條件 高原用低壓電器技術(shù)要求》7.1.2.1中規(guī)定：“高分子材料宜首先選用對紫外線不敏感的材料，其次選用添加了紫外線吸收劑的材料。”GB/T 20626.1—2006《特殊環(huán)境條件 高原電工電子產(chǎn)品 第1部分：通用技術(shù)要求》5.11.1中規(guī)定：“戶外產(chǎn)品使用的材料應(yīng)具有較強(qiáng)的抗熱輻射、抗紫外線能力，應(yīng)滿足常規(guī)型產(chǎn)品性能、可靠性和使用壽命的要求。” 如果燈具需使用在高原等地區(qū)，按該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，應(yīng)考慮紫外線對燈具的影響。

路燈相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中也規(guī)定了塑料和橡膠制品需進(jìn)行抗紫外老化試驗。GB/T 24827—2015《道路與街路照明燈具性能要求》附錄E——影響燈具壽命的關(guān)鍵件的設(shè)計指南中提出：“受光源和陽光照射的橡膠材料需在近似實際的使用條件下進(jìn)行老化試驗。”但是該規(guī)定只在附錄中以指南的形式出現(xiàn)，標(biāo)準(zhǔn)正文并無相關(guān)的條款進(jìn)行考核[8-12]。

2 試驗設(shè)計

為研究PC透鏡受紫外老化影響的情況，考察長時間使用后LED路燈產(chǎn)品的光色性能變化情況，參考加速壽命試驗的思路，通過提高紫外輻射照射強(qiáng)度的方式，設(shè)計如下試驗方案。

2.1 樣品

使用LED模組進(jìn)行實驗室條件和紫外老化條件的測試。樣品如圖1所示。該模組正面整體密閉，每顆LED上有PC透鏡，背面為金屬片散熱器。

2.2 評價指標(biāo)說明

1)光通量和光通維持率。光通量是一個較為直觀的光度指標(biāo)。LED光源及燈具等產(chǎn)品相關(guān)的性能要求、能效等級等國家標(biāo)準(zhǔn)以及節(jié)能認(rèn)證規(guī)范中，都以光通量和光通維持率作為維持性考核的指標(biāo)。此外，GB/T 33721—2017中對各種材料的光衰典型值做了估計，見表1。本次試驗將光通量作為一個對比指標(biāo)，也可對該標(biāo)準(zhǔn)中的估計值做一個驗證。

表1 GB/T 33721—2017中二次光學(xué)材料光衰ΔLo的典型估計值

2)色品性能。紫外老化對PC透鏡的影響主要是黃變。測試模組在紫外老化前后的相關(guān)色溫、色坐標(biāo)，以觀察黃變對模組色品參數(shù)影響的程度。

3)道路照明評價指標(biāo)。如果PC透鏡發(fā)生黃變，配光性能必然會發(fā)生改變。如上文所述，目前LED產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)中的檢測項目多著眼于“光通量”的變化，沒有考慮到配光性能改變的情況，而配光性能改變對道路照明質(zhì)量的影響，也沒有標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行考察。配光的最終目的是實現(xiàn)良好的道路照明效果，配光的變化也會影響道路照明評價指標(biāo)，因此，可以通過計算道路照明評價指標(biāo)的變化反映LED路燈的配光變化情況。

道路照明評價指標(biāo)在CJJ 45—2015《城市道路照明設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》中有較為詳細(xì)的規(guī)定，以機(jī)動車道為例，主要有平均亮度、亮度均勻度、平均照度、照度均勻度、閾值增量、環(huán)境比等，見表2。

表2 機(jī)動車道照明標(biāo)準(zhǔn)值

配光測試完成后用于道路模擬計算的條件見表3。

表3 模擬的道路安裝條件

2.3 測試方法

在GB/T 16422.1《塑料 實驗室光源暴露試驗方法 第1部分：總則》中規(guī)定，可利用氙燈、碳弧燈以及熒光紫外燈等人工光源產(chǎn)生紫外線。為模擬LED路燈在戶外日照惡劣條件下的使用情況，并縮短試驗周期，采用GB/T 16422.2《塑料 實驗室光源暴露試驗方法 第2部分：氙弧燈》中方法A：使用日光濾光器(人工氣候老化)的氙弧燈模擬日光的方式，以表3循環(huán)1的條件對模組的透鏡進(jìn)行紫外老化試驗：暴露周期為102 min干燥、18 min噴淋，黑標(biāo)溫度為65±3℃，以寬帶300～400 nm強(qiáng)度60±2 W/m2、窄帶340 nm強(qiáng)度0.51±0.02 W/(m2·nm)的輻照度，進(jìn)行連續(xù)曝光，試驗時控制干燥周期的環(huán)境溫度38±3 ℃，相對濕度50%±10%。以本文試驗中所使用的紫外輻射強(qiáng)度老化1 000 h，約相當(dāng)于在西藏地區(qū)太陽光下直接暴曬2 339 h，查閱西藏的年日照時數(shù)[13]，約相當(dāng)于LED燈具在西藏使用一年的時間。或者相當(dāng)于在浙江地區(qū)太陽光下直接暴曬3 867 h，查閱浙江的年日照時數(shù)[14]，約相當(dāng)于LED燈具在浙江使用2～3年的時間。應(yīng)當(dāng)注意的是，路燈的安裝姿態(tài)一般為發(fā)光面向下，不易受到太陽光直射，因此本文模擬的試驗條件比實際情況更為嚴(yán)苛，但考慮LED路燈產(chǎn)品一般宣稱的長壽命，這種試驗條件也不失為一種加速壽命試驗的方法。

首先對LED模組在初始狀態(tài)進(jìn)行配光測試。隨后拆下模組的PC透鏡，采用上述條件對其紫外照射1 000 h，此時LED模組本身并不進(jìn)行燃點。在紫外照射1 000 h后，將PC透鏡裝回LED模組上，進(jìn)行光電色測試。之后再將PC透鏡拆下，采用同樣條件進(jìn)行紫外照射至2 000 h，再進(jìn)行光電色測試。光電色測試按照GB/T 9468—2008《燈具分布光度測量的一般要求》中規(guī)定的試驗條件，使用分布光度系統(tǒng)進(jìn)行測試[15-17]。

3 試驗結(jié)果及分析

3.1 測試結(jié)果

紫外老化試驗前后的樣品照片如圖2所示。

圖2 紫外老化前后的樣品Fig.2 Picture of sample before and after UV aging

老化前后的樣品光電色參數(shù)的變化見表4，配光曲線的變化如圖3所示。

以表4列出的條件對模組進(jìn)行道路照明效果模擬計算，道路照明質(zhì)量指標(biāo)變化見表5。

圖3 紫外老化前后的配光曲線圖Fig.3 Light distribution curve before and after UV aging

表4 樣品光電色參數(shù)匯總

表5 道路照明指標(biāo)計算結(jié)果匯總

3.2 分析

紫外老化之后的模組的變化較為明顯，以下從色品參數(shù)、光通量和配光三個方面進(jìn)行分析。

1)光通量：因為僅對透鏡部分進(jìn)行了紫外老化，而LED顆粒并未進(jìn)行燃點，所以光通量的下降是由于透鏡材料的變化導(dǎo)致。與表1中的數(shù)據(jù)相比，紫外老化條件下的衰減要略大于標(biāo)準(zhǔn)中的估計值。

2)色品參數(shù)：經(jīng)過紫外老化，透鏡的透明度發(fā)生了變化，隨著紫外老化時間的增加，黃色也在加深。紫外老化的分解產(chǎn)物會吸收藍(lán)光波段的光，所以模組的相關(guān)色溫從5 496 K下降到了4 956 K。

3)配光：在紫外老化1 000 h和2 000 h后，幾個關(guān)鍵的照明指標(biāo)，如平均照度、平均亮度以及亮度縱向均勻度(以上指標(biāo)數(shù)值越大越好)以及閾值增量(數(shù)值越小越好)的“劣化”程度要更甚于光通量的下降程度。可見配光性能和光通量并不是簡單的對應(yīng)關(guān)系。

在紫外老化試驗后，亮度縱向均勻度出現(xiàn)了比較明顯的下降。在一些早期的LED路燈設(shè)計方案中，等照度的光學(xué)設(shè)計較為常見，但這種光學(xué)設(shè)計易在駕駛員眼中產(chǎn)生亮暗交替的“斑馬效應(yīng)”[18]。這是因為機(jī)動車駕駛員在行車作業(yè)時眼睛直接感受到的是路面亮度，而以等照度為目標(biāo)的設(shè)計并不能保證亮度的均勻度。想要減弱“斑馬效應(yīng)”，就要盡量提高路面亮度總均勻度及路面亮度縱向均勻度，而要做到等亮度分布，就要求燈具的光線分布角度要盡可能大。紫外老化試驗后，透鏡在縱向上分配光線能力下降，最終體現(xiàn)為亮度縱向均勻度數(shù)值的下降。

此外，透鏡在橫向上分配光線能力的損失，使得屋邊的光通量占比增加，最終體現(xiàn)為環(huán)境比的增大。如果最初設(shè)計方案中環(huán)境比是合格的，那么此時增大的環(huán)境比實際上表明光輸出被“過量”地分配在了機(jī)動車道之外，可以認(rèn)為是一種 “浪費”。

綜上所述，在紫外老化試驗后，因透鏡性能改變，道路照明效果也受到多方面的影響，在模擬計算的道路照明指標(biāo)上，多個關(guān)鍵參數(shù)都出現(xiàn)了變差的趨勢。

3.3 參照組實驗室條件

作為參照，對使用與相同的模組的燈具進(jìn)行實驗室條件下的測試。采用CQC 3127—2016中規(guī)定的條件，控制溫度25±10 ℃、濕度≤55%Rh，無對流風(fēng)的環(huán)境，在壽命試驗架上進(jìn)行燃點，每燃點11.5 h，關(guān)閉0.5 h。在燃點1 000 h和 6 000 h分別進(jìn)行測試，得到的數(shù)據(jù)和配光曲線如表4和圖6所示。

圖4 紫外老化前后的配光曲線Fig.4 Light distribution curve before and after aging

表6 樣品光電色參數(shù)匯總

由此可見，在缺乏紫外線的實驗室條件下，常規(guī)老化試驗后樣品的配光曲線的形狀幾乎沒有變化。

4 討論與總結(jié)

實驗室環(huán)境下的壽命試驗可以反映LED顆粒性能衰減造成光通量下降的情況，但無法反映透鏡紫外老化后配光形狀改變所造成的道路照明效果的變化。目前一些設(shè)計方案中，可以通過調(diào)光控制的方式，使LED路燈的光通量在數(shù)年的使用時間內(nèi)保持不下降。例如，使用初期以70%的功率工作，在使用中后期慢慢增大功率，以保證光通量維持在設(shè)計值上。但若產(chǎn)品受紫外老化影響，配光形狀會發(fā)生改變，道路縱向亮度均勻度將無法通過這種方式進(jìn)行改善。

在產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)制修訂時，可以考慮引入紫外老化試驗前后對配光變化的對比檢測，以保證長期使用后的產(chǎn)品，其照明效果仍能符合要求。也可通過檢測透鏡在紫外老化前后透射比和霧度變化的方法，間接考核透鏡的耐紫外輻射性能。

在現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)體系下，道路照明設(shè)計人員在進(jìn)行道路安裝條件的計算時，應(yīng)考慮對計算出的亮度縱向均勻度、閾值增量等參數(shù)留有余量。從表5所示的變化率可知，如果應(yīng)用該模組的燈具在紫外輻射強(qiáng)度較大的地區(qū)使用，并且在道路設(shè)計之初所預(yù)留的條件就較為“臨界”(如平均亮度、亮度縱向均勻度逼近標(biāo)準(zhǔn)限值)，那么在使用一段時間后，這些指標(biāo)就可能出現(xiàn)低于標(biāo)準(zhǔn)要求的情況。除了在計算參數(shù)時留出余量，還可以引入新的維護(hù)系數(shù)概念。目前通常做法是對所有配光方向上使用同樣的維護(hù)系數(shù)，如果要精細(xì)化的考慮因配光變化的影響，可以考慮在不同的配光方向上使用不同的維護(hù)系數(shù)數(shù)值。但這需要掌握燈具配光受紫外、熱、污染物影響的詳細(xì)的變化情況，還有很多的數(shù)據(jù)收集和理論分析工作需要處理。

本文的測試樣品和測試條件較為單一，不能完全反映各類PC透鏡在實際戶外環(huán)境下的表現(xiàn)。對于使用了不同添加劑的PC材料，在使用不同加工方式制作成型、在不同的人工模擬日光條件下的表現(xiàn)，還需要進(jìn)一步的試驗研究。