Normen für die Farbechtheit gegen Licht für TextilienHerausforderungen und Chancen

Artur SchönleinATLAS Material Testing Technology GmbH

Vogelsbergstr. 22, 63589 Linsengericht-Altenhasslau

slide 1 …unterstützt durch Normen

zuverlässige Prüfungen…

• zuverlässige Lichtechtheits- und Bewitterungsprüfungen sind das Hauptziel

• die Prüfungen sollten sein – wiederholbar (in einem Gerät)– reproduzierbar (von Gerät zu Gerät)

• normierte Prüfverfahren müssen dieses Ziel unterstützen

slide 2

“leistungsbezogene Normen”

– konzentrieren sich auf den Zweck der Norm • enthalten keine detaillierte Geräte- oder

Herstellerbeschreibungen• müssen alle notwendigen technischen Beschreibungen

enthalten, damit die Prüfung durchgeführt werden können– der Anwender kann Prüfungen durchführen, die nicht

von einem speziellen Gerätetyp abhängen• allerdings müssen Messapparate in manchen Fällen sehr

detailliert beschrieben werden (Radiometer, Oberflächentemperatursensoren,…)

– Hersteller können Geräte entwickeln oder verbessern ohne auf eine bestimmte Technologie beschränkt zu sein

leistungsbezogene Normen…

…konzentrieren sich auf den Zweck der Norm

slide 3

“gerätespezifische Normen”

– enthalten detaillierte Beschreibungen von den benutzten Geräten in den Normen,

• Herstellerbezeichnung, Zeichnungen, Hersteller-Kontaktinformationen, etc.

– Prüfergebnisse sind gut reproduzierbar (nur ein Gerätetyp)

• Geräteparameter und Einstellungen sind gut beschrieben

– gerätespezifische Normen sind noch in älteren Normen und in speziellen Firmenspezifikationen zu finden

gerätespezifische Normen liefern reproduzierbare Prüfergebnisse …

…und sind oft noch in älteren Normen zu finden

slide 4

wichtige Basis-Bewitterungsnormen für Textilien• alle Bewitterungsnormen (Lichtechtheit) für Textilien

verwenden gefilterte Xenonstrahlung um natürliche Sonnenstrahlung zu simulieren

• ein vollständiges Spektrum wird benötigt– ISO 105-B02 (in Überarbeitung)– AATCC TM16– ISO 105-B06 – VDA 75202 (ziemlich ähnlich mit ISO 105-B06)– ASTM G 155 (cycle 3, 5(SAE), 6(SAE))– ISO 105-B04– SAE J1885 (SAE J2412)– ISO 105-B10 (abgeleitet von ISO 4892-2)– …– Firmen-Normen verwenden die

Einstellungen und Anforderungen der Basis-Normen

wichtige Basis-Normen …

…auf jeden Fall wird ein vollständiges Spektrum benötigt (gefilterte Xenonstrahlung)

slide 5

mögliche Ursachen für Schwankungen bei Lichtechtheits- und Bewitterungsprüfungen

• spektrale Verteilung (SPD)– UV Grenzwellenlänge– Filter-/Lampenkombination– Lampen und Filteralterung – Filterradiometer

• Temperaturniveau auf den Oberflächen der Proben– Schwarzstandard- und Schwarztafeltemperatur– Umgebungstemperatur (strahlungsabgeschirmt)

• Feuchtigkeit (wird nicht diskutiert)– Ort der Feuchtemessung

• Benässung/Kondensation (wird nicht diskutiert)

• Probenvorbereitung (wird nicht diskutiert)

• Probenhandhabung (wird nicht diskutiert)

mögliche Ursachen für Schwankungen …

…müssen bedacht werden

slide 6

spektrale Verteilung für Lichtechtheit

• simuliertes Tageslicht hinter Fensterglas– AATCC TM 16: “…reduce irradiance at wavelengths shorter than

310nm…”, • zusätzlich ist die spektrale Verteilung spezifiziert

– ISO 105-B02: Filtertransmission ”…falling to 0 between 310nm and 320nm.”

• diese Anforderungen führen ziemlich kleinen Toleranzen bei der UV-Grenzwellenlänge

spektrale Verteilung für Lichtechtheit …

…simuliert Tageslicht hinter Fensterglas

slide 7

spektrale Verteilung für Lichtechtheitsprüfungen• Tageslicht hinter Fensterglas• ISO 105-B02 und AATCC TM16 (Option 3-5)

die UV Grenzwellenlänge…

… für ISO 105-B02 und AATCC TM16 ist unterschiedlich

0.001

0.01

0.1

1

10

300 320 340 360 380 400 420 440

Wellenlänge (nm)

E (W

/m²/n

m)

AATCC TM16 (option 3-5)

ISO 105B-02

UV cut-on (AATCC TM16, ISO 105B-02)

angepasst auf 42 W/m² bei 300nm to 400nm

AATCCISO

slide 8

ISO 105-B02 und AATCC TM16 …

…sind unterschiedliche Prüfmethoden

Zusammenfassung 

Lichtechtheitsprüfung

• Lichtechtheitsprüfungen für Innenraummaterialien werden mit simuliertem Tageslicht hinter Fensterglas durchgeführt

• Spektrale Verteilungen von ISO 105‐B02 and AATCC TM16 sind ziemlich eng spezifiziert– Grenzwellenlänge ist unterschiedlich

• Prüfungen sind nicht vergleichbar – zu beachten ist, dass auch die 

Temperaturniveaus unterschiedlich sind• ISO B02 (SST) < 50°C (!47°C neue Fassung!)• AATCC (STT) 63‐70°C 

• AATCC TM 16 verursacht eine 

stärkere Degradation

slide 9

spektrale Verteilung für Heißlichtechtheit• Tageslicht hinter Fensterglas und hohe Temperaturen (SST = 100°C)• ISO 105-B06 (exp. cond. 1,2,3,6) und VDA 75202 (exp. cond. A,B)

zulässige Variabilität der UV-Grenzwellenlänge…

… für Heißlichtechtheit ist größer als für die Lichtechtheit

100°C0

5

10

15

20

25

30

35

40

280 380 480 580 680 780Wellenlänge (nm)

Rel

ativ

er S

pekt

rale

r Ant

eil (

%)

untere Grenze Fensterglas

obere Grenze Fensterglas

UV-Grenzwellenlängen (AATCC and ISO)

Bestrahlungsstärke normiert auf 290nm bis 800nm = 100%

AATCC

ISO

slide 10

Beispiel für Wirkung der Änderung der UV-Grenzwellenlänge• ISO Blauwollmaßstab Typ 6 nach VDA 75202 (ISO 105-B06)• UV-Grenzwellenverschiebung 16nm von 304nm bis 320nm

zulässige Variabilität der UV-Grenzwellenlänge…

… für Heißlichtechtheit ist größer als für die Lichtechtheit

0

1

2

3

4

5

6

7

8

0 5 10 15 20 25Bestrahlung (MJ/m²)

Farb

diffe

renz

Del

ta E

*

XC300

XC320

VDA 75202 (A)XENOTEST Beta E = 60W/m² PRT = 65°C SST = 100°C r.F. = 20%

Toleranz nach. VDA 75202E*=4.3±0.4

slide 11

Prüfergebnisse Heißlichtechtheit…

…können vom verwendeten Filter abhängen

Zusammenfassung Heißlichtechtheit

• Prüfungen der Heißlichtechtheit für Innenraummaterialien werden mit simuliertem Tageslicht hinter Fensterglas durchgeführt (ISO 105-B06 exp. cond. 1, 2, 3, 6 und VDA 75202)– UV-Grenzwellenlänge kann ähnlich wie ISO 105-B02 sein– aber die mögliche Variabilität ist größer als ISO 105-B02 und AATCC TM16– die Filterbeschreibung im Annex A engt die Variabilität wieder etwas ein

(Borosilikat, RF320, Fensterglas, e.t.c.)• Anmerkung: für alle Filter ist die

UV-Grenzwellenlänge etwas anders

100°C

slide 12

0

2

4

6

8

10

12

14

16

280 320 360 400Wellenlänge (nm)

E (W

/m²/n

m)

untere Grenze SAE J2412

obere Grenze SAE J2412

UV cut on (AATCC und ISO)

Tageslicht

FG (AATCC)

FG (ISO)

spektrale Verteilung für Heißlichtechtheit mit “extended UV filter”

• SAE J2412 (SPD spezifiziert 280nm to 800nm, hohe Temperatur)• frühere SAE J1885 beschrieben in ISO 105-B06 (exp.cond. 5)• „extended UV filter“ (SPD spezifiziert. 280nm to 800nm)

Heißlichtechtheit mit “extended UV filter”…

… UV-Grenzwellenlänge unter Tageslichtanwendung

slide 13

SAE J2412 und…

…SAE J1885 sind nicht vollständig vergleichbar

Zusammenfassung Heißlichtechtheit mit “extended UV filter”

• SPD-Spezifikation der SAE J2412 (frühere SAE J1885)– SAE J1885 wird auch in ISO 105-B06 (exp. cond. 5)

• SAE J2412 (frühere SAE J1885)– UV-Grenzwellenlänge deutlich unter 300nm– Das bedeutet auch unter 310nm und 320nm

• Keine Prüfmethode hinter Fensterglas, SPD etwas unrealistisch – SPD Variabilität der J1885 ist enger als J2412

• weil J1885 einen Gerätetyp mit einem Filter vorschreibt

slide 14

spektrale Verteilung ist spezifiziert bis 800nm • AATCC TM 16, ISO 105-B06, SAE J2412 (J1885)• SPD im spektralen Bereich oberhalb 400nm hängt stark von der Reflexion

der Proben ab

spektrale Verteilung ist spezifiziert bis 800nm …

… visueller Bereich hängt von der Reflexion der Proben ab

LampeProben

diffuse Reflexion

0

1

2

3

4

5

6

280 320 360 400 440 480 520 560 600 640 680 720 760 800Wellenlänge (nm)

spek

trale

Bes

trahl

ungs

stär

ke (W

/(m²x

nm))

weiße PVC-Fensterprofile

Edelstahlbleche

schwarz lackierte Blechenormiert 60 W/m² (300-400 nm)

slide 15

spektrale Verteilung ist spezifiziert bis 800nm …

…UV-Grenzwellenlänge sollte genau und SPD hauptsächlich im UV spezifiziert werden

Zusammenfassung 

spektrale Verteilung ist spezifiziert bis 800nm 

• SPD sollte in der Hauptsache im UV‐Bereich spezifiziert werden• Anmerkung: auch im UV‐Bereich kann eine wellenlängenabhängige Reflexion auftreten

• UV‐Grenzwellenlänge sollte so genau wie möglich spezifiziert werden

• aber auch eine möglichst 

vollständiges simuliertes 

Sonnenspektrum ist 

Pflicht (Xenon)• wegen der spektralen 

Empfindlichkeit  von Textilen

(Pigmente und

reaktive Färbungen)0.0

1.0

2.0

3.0

4.0

300 400 500 600 700 800Wavelength (nm)

E (W

/m²/n

m)

CIE85 (table 4) behind 3mm window glass

filterte xenon radiation behind 3mm windowglass

slide 16

300-400nmor 420nm

Bestrahlungsstärke und Bestrahlungsstärkeregelung

• alle Normen verwenden Bestrahlungsstärken zwischen 42 W/m² and 60 W/m² (300nm-400nm), 1.0 W/m²/nm – 1.4 W/m²/nm (at 420nm)– Unterschiedliche Bestrahlungsstärken führen zu unterschiedlichen

Prüfzeiten bei gleicher Bestrahlung– ISO 105-B06 lässt höhere Bestrahlungsstärken zu (Reziprozität

gefordert): 162 W/m² / 3.6 W/m²/nm• falls UV-Radiometer angemessen kalibriert sind (ISO 9370, ASTM

G130), ist die Bestrahlungsstärke kein Problem– trotzdem kann die Kalibrierung eine Ursache von Abweichungen

bei Prüfergebnissen sein– Wartungs- und Kalibrierintervalle müssen beachtete werden

• auch der Sensortyp (breitband, schmalband) kann eine Ursache von unterschiedlichen Prüfergebnissen sein

Bestrahlungsstärke und Bestrahlungsstärkeregelung…

… der Sensortype (broadband, narrowband) muss beachtet werden

slide 17

Bestrahlungsstärke und Bestrahlungsstärkeregelung

• breitband und schmalbandUV-Filter-Radiometer (ISO9370)

Sensortypen (breitband, schmalband) …

…messen unterschiedliche Wellenlängenbereiche

0

0.4

0.8

1.2

1.6

280 320 360 400 440Wellenlänge (nm)

rela

tive

Einh

eite

n

CIE85 (Tabelle 4) hinter 3mm FG

gefilterte Xenonstrahlung hinter 3mm Fensterglass

breitband 300nm-400nm

schmalband 420nm

300-400nmor 420nm

slide 18

300-400nmor 420nm

Bestrahlungsstärke und Bestrahlungsstärkeregelung

• typische Alterung von Xenonlampen• gealterte SPD (1500 h) dividiert durch ungealterte SPD

schmalbandige Sensoren bei 420nm…

…messen keine Lampen-Alterung im UV

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

1.4

280 360 440 520 600 680 760Wellenlänge (nm)

Quo

tient

(gea

ltert/

un-g

ealte

rt) /

spek

trale

r Ber

eich

Xenon (1500h/0h)

breitband (300nm-400nm)

schmalband (420nm)

normiert auf 340nm

slide 19

schmalbandige und breitbandige Bestrahlungsstärkeregelung …

…sind nicht gleichwertig

Zusammenfassung Bestrahlungsstärke undBestrahlungsstärkeregelung

• die Lampenalterung passiert hauptsächlich 

im UV (wellenlängenabhängig)

• Schmalbandsensor bei 420nm sieht kein UV

• Breitbandsensor 300nm bis 400nm berücksichtigt das gesamte UV

• schmalbandige und breitbandige Bestrahlungsstärkeregelung sind nicht gleichwertig

• Filter‐Radiometer sollten ISO 9370 

(ASTM G130, G138) genügen

– aufgebaut und kalibriert 

300-400nmor 420nm

slide 20

Temperaturniveau auf der Probenoberfläche• Temperaturniveau bei der Bewitterungsprüfung

(Lichtechtheit) wird durch Referenztemperaturen definiert

– Schwarzstandard- (SST) oder – Schwarztafeltemperatur (STT)

• das garantiert, das jede Prüfung auf dem gleichen Temperaturniveau läuft (reproduzierbar)

• farbige Proben werden unterschiedliche Temperaturen abhängig von deren spezifischen Reflexions- oder Absorptionseigenschaftenannehmen

• allerdings zeigen beide Temperatursensor-Typen unterschiedliche Oberflächentemperaturen bei gleichen Prüfparametern (3°C – 12°C, abhängig von Bestrahlungsstärken, Kammertemperatur und Luftgeschwindigkeit) in der Bewitterungskammer

Temperaturniveau auf der Probenoberfläche…

…wird durch Referenztemperaturen definiert (SST, STT)

SST

STT

slide 21

Temperaturniveau auf der Probenoberfläche• SST und STT müssen so genau wie möglich in Normen

beschrieben werden• jede Änderung der bestehenden Spezifikation hat einen

Einfluss auf die angezeigte Temperatur• grundsätzlich ist der STT auf der Rückseite frei und der

SST ist isoliert auf der Rückseite• vor 2 Jahren wurde in der ASTM G151 die STT-

Spezifikation geändert• Änderung ist relevant für SAE J 2412, auch AATCC TM16• nach der Änderung können STT-Sensoren mit und ohne

Isolation verwendet werden• öffnet die Tür für eine größere Variabilität bei den

Prüfergebnissen• die Änderung konnte verhindert werden bei ISO 105-

B02, ISO 105-B10, ISO 4892-1

STT- und SST-Sensoren müssen beschrieben werden…

…so genau wie möglich

SST

STT

slide 22

Gleichmäßigkeit der Bestrahlungsstärke und Temperatur

Gleichmäßigkeit der Bestrahlungsstärke und Temperatur…

…hängen vom Gerätetyp ab

Flachbettgeräte 5-10%

rotierendes Probenkarussell 2-4%

322.3

42.262.1

3.3

25.4

-50.0

0.0

50.0

Dev

iatio

n fro

m A

vera

ge %

Location

slide 23

Gleichmäßigkeit der Bestrahlungsstärke und Temperatur

Gleichmäßigkeit der Bestrahlungsstärke und Temperatur…

…hängen vom Gerätetyp ab

5 (15)ASTM G155

10VDA 75202

515ASTM G151

Tolleranzen (%)Xenon – Art des Gerätes

2‐42‐4rotierender Probenkorb , Proben vertikal

5‐105‐10Flachbettgeräte, 

Proben horizontal

5 (ref. ASTM G151)15 (5)SAE J 2412

10ISO 105‐B02

10ISO 105‐B06

7‐1015AATCC TM16 (ref. ASTM G151/155)

SSTBestrahlungs‐

stärke

Tolleranzen (%)

Normen

322.3

42.262.1

3.3

25.4

-50.0

0.0

50.0

Dev

iatio

n fro

m A

vera

ge %

Location

slide 24

Anforderungen für Ringversuche

• nach ISO/IEC 43

• “Inter-laboratory comparisons may be used… to establish the effectiveness and comparability of new test or measurement methods …….”

• Werden die nach ISO/IEC 43 geforderten Maßnahmen nicht beachtet, kann ein Ringversuch zwischen Laboratorien oder Geräten sehr merkwürdige oder unerwartete Prüfergebnisse hervorbringen

Ringversuche müssen nach…

…ISO/IEC 43 durchgeführt werden

slide 25

Anforderungen für Ringversuche

Beispiel:• Labor-Ringversuch nach DIS 105-B10 durchgeführt von

ISO TC38/SC1 2009• der Ringversuch sollte zeigen, dass Flachbettgeräte die

gleichen Prüfergebnisse erzeugen wie Geräte mit rotierendem Probenkorb, wenn nach DIS 105-B10 geprüft wird

– 9 Geräte (3 Flachbett, 6 rotierender Probenkorb) und 10 Textilien

• Der Ringversuch zeigte riesige Abweichungen ±100% (bis ± 160%) vom Mittelwert

– trotzdem wurde der Ringversuch von der Mehrheit der TC38/SC1 Mitglieder akzeptiert

– macht das Sinn??? (Nein!!!!!)

werden die geforderten Maßnahmen nach ISO/IEC 43 ignoriert…

…können die Prüfergebnisse sehr unrealistisch ausfallen

slide 26

ZusammenfassungAnforderungen an leistungsbezogene Normen fürLichtechheits- und Bewitterungsprüfungen

• Spezifikation der spektralen Verteilung– relative spektrale Anteile (hauptsächlich im UV)– zusammen mit der Filtertransmission (UV-Grenzwellenlänge)

• Breitband-UV-Radiometer berücksichtigt das gesamte UV• Oberflächentemperatursensoren (SST, STT) müssen so genau

wie möglich beschrieben werden• SST and STT müssen klar voneinander getrennt werden

– Anmerkung: die Verwendung eines STT statt eines SST kann unterschiedliche Prüfergebnisse erzeugen

Anforderungen an leistungsbezogene Normen …

…für zuverlässige Lichtechtheits- und Bewitterungsprüfungen

slide 27

ZusammenfassungAnforderungen an leistungsbezogene Normen fürLichtechheits- und Bewitterungsprüfungen

• Bestrahlungsstärke- und Temperaturgleichmäßigkeit muss beachtet werden

– muss spezifiziert sein – beeinflusst die Durchführung der Prüfung

• Ringversuche müssen nach ISO/IEC 43 durchgeführt werden– nur das garantiert zuverlässige Prüfergebnisse bei

Ringversuchen

Anforderungen an leistungsbezogene Normen …

…für zuverlässige Lichtechtheits- und Bewitterungsprüfungen