掲載レポート

規格、相関性を重視した『キセノンランプ式耐候性試験装置』の最新技術動向

(2025年度ウエザリング技術研究成果発表会テキスト【主催 一般財団法人日本ウエザリングテストセンター】掲載)

1. はじめに

大気中の環境因子による劣化に耐える性質を耐候性と呼び、屋外暴露試験、促進耐候性試験などで評価を行う。
本稿では、規格、相関性を重視したキセノンランプ式耐候性試験装置の最新技術動向について概説する。

2. 耐候性試験について

2.1. 劣化(耐候性)に影響のある因子

劣化には紫外線、水、熱、酸素・オゾン・イオンなどの因子が影響する。
キセノンランプ式耐候性試験装置は紫外線、水、熱を屋外暴露試験と同様、又は過剰に与えることで、促進性を高めている。
図1に劣化に影響のある因子を示す。

図1 劣化に影響のある因子

紫外線は紫外放射が正式な名称となるが、本稿では「紫外線」で記載する。
紫外線は電磁波の中でX線に次ぐ短波長域の放射であり、IEC(国際電気標準会議)では100～400nm域を紫外線と称する。
その中で耐候性に関わる部分は295～400nm域となる。
295nm域より短い紫外線はオゾン層により吸収されるため、耐候性では考慮しない。
図2に耐候性に影響を与える紫外線を示す。

2.2. 耐候性試験の試験方法

2.3. 各種耐候性試験(装置)

促進暴露試験を行う耐候性試験装置は、光源、試料設置方法で分類される。
試料を回転ドラムに設置し、ドラム中央にある光源に回転しながら照射するタイプと、試料を固定設置し、一方向から光源を照射するタイプに大別される。
促進耐候性試験は、屋外暴露試験の時間がかかりすぎる、試験結果のバラつきなどの課題対策のために開発された。
劣化因子を早期に把握したい、試験結果の再現性を得ることを主目的として、約100年前から市場に展開している。
また、促進耐候性試験装置は、商取引において客先指定の耐久性基準を満たすことを検証できるものとしての利用も多い。

2.4. 耐候性試験を行ううえでの注意事項

耐候性試験を行ううえでの注意事項として、ISO4892-1プラスチック - 実験室光源による暴露試験方法 - 第1部：通則にも記載がある下記点が挙げられる。

• 実際の暴露の環境因子を全て再現していない
• 実際の暴露、促進耐候性試験には、ばらつきがある
• 相関結果の得られた材料についてのみ、促進倍率について議論ができるが、実際の暴露が異なる結果となる場合もある

上記を踏まえた評価・解析が求められる。

2.5. 耐候性試験に求められるもの

耐候性試験装置に求められるものは、まず促進性となるが、これは相関性が前提の要求事項となる。
また、試験装置としては、試験の再現性が求められ、装置が安心して使用できるよう信頼性も求められる。
商取引でも多く利用されていることから規格対応が必要であり、その他操作性メンテナンス性、設置性も重要なポイントである。
図3に耐候性試験装置に求められるものを示す。

2.6. 耐候性試験装置で使われる光源

耐候性試験装置で使われる光源を表2に示す。

表2 耐候性試験装置で使われる光源

装置種類(光源)	光源の画像	構造	寿命	コメント
オープンフレームカーボン(サンシャイン)		中心：セリウムを含んだ芯 表面：銅被覆のカーボン棒	80時間(300時間)	ススや銅カスの除去やフィルターの頻繁な清掃管理が必要。
キセノンランプ		石英ガラス製 発光管にキセノンガスを封入	1,000～2,000時間	300～400nmの分光分布が最も太陽に近い。
紫外線蛍光ランプ		主に紫外線を発光する「蛍光灯」	最高5,000時間	取扱いが容易で熱の影響が少ない。 低出力。
メタルハライドランプ		発光管の中に水銀と金属のハロゲン化物を封入	1,000～1,500時間	高出力。 太陽光の30倍の紫外線を照射。

※画像は各社ウェブページ、オープンフレームカーボンは「促進耐候性試験法(塗料の研究No.145 Mar. 2006、pp.22-37)」より

キセノンランプ式耐候性試験装置は、光源が石英ガラス製の発光部を持つキセノンランプであり、多くの装置でランプの冷却として水冷方式を採用している。
インナーフィルター、アウターフィルターが配置されランプ水冷と不要な短波長制御の役目をになう。
ランプの寿命は1,000～2,000hr程度である。
紫外部(300～400nm)の分光分布が太陽光に近似していることが特長である。
光源による分光分布比較を図4に示す。

2.7. 紫外線の測定、測定値について

耐候性試験装置は強い紫外線を照射する装置であるため、紫外線の照射量を正確に把握することは重要である。
紫外線測定に関する基本的な定義を紹介する。

• 「放射照度」は特定の波長範囲の光の強さをW/m²といった単位で表す。
  耐候性試験装置に設置している照度モニタや、ハンディタイプの照度計により測定を行う。
• 「波長範囲」放射照度を測定する波長の範囲を規定する。
  キセノンランプ式耐候性試験装置では、300-400nm域を積算した放射照度が最も多く使われており、規格によっては狭帯域の340nm、420nmの単一波長での放射照度を測定する場合もある。
  適応規格や目的によって使い分ける。
• 「放射露光量(照射量)」放射照度(W/m²)に照射時間(s)をかけたものでJ/m²といった単位で表す。
  多くのキセノンランプ式耐候性試験装置では、照度モニタとシーケンサーなどの組合せにより、放射露光量(照射量)は自動で算出され、ディスプレイに表示される。

2.8. 温度制御について

キセノンランプ式耐候性試験装置は他の促進耐候性試験法と同様、ブラックパネル温度(以下BP温度)での制御が主流である。
温度については、JIS K 7350-1プラスチック - 実験室光源による暴露試験方法 - 第1部：通則などに規定されている。
個々の試験片の表面温度の監視するのが理想ではあるが、キセノンランプ式耐候性試験装置に、さまざまな試験片を同時に試験する使い方が多いため、基準となる温度センサーでの代わりとして決められた黒色板センサーの温度で、管理を行う。
試験装置によって、ブラックパネルの形状や温度センサーの取り付け方が異なる場合があるので、装置が異なる条件での試験データの比較をする際には注意が必要である。
図5にBP温度計の形状を示す。

※屋外での熱劣化環境の定量化(その4)日本建築学会構造系論文集 2000年65巻531号p.23より

3. キセノンランプ式耐候性試験装置

3.1. キセノンランプ式耐候性試験装置の特長

表3に各種促進耐候性試験装置の特長を示す。
キセノンランプ式耐候性試験装置は前述の分光分布が太陽光に近似している点、ISO(国際標準化機構)、ASTM(ASTM International、米国材料試験協会から改名)など国際規格からJISなどの国内規格まで国際標準の促進試験ができる装置である。

表3 各種促進耐候性試験装置の特長

	分光分布	特長
オープンフレームカーボン(サンシャイン)		長年のデータ蓄積があり、多くの規格試験がある
キセノンランプ		分光分布が太陽光に近似(特に紫外部)、国際標準の促進試験
紫外線蛍光ランプ		他の試験装置と比較して安価、国際標準の促進試験 ランプを交換することで促進性重視
メタルハライドランプ		放射照度が高く促進性があり、試験条件の自由度が高い

※紫外線蛍光ランプ分光分布はQUVカタログより

3.2. メタルハライドランプ式とキセノンランプ式の違い

メタルハライドランプ式は太陽光の30倍の強い紫外線照度で促進性を重視した試験装置となっている。
それに対してキセノンランプ式は分光分布を太陽光に近似した仕様で屋外暴露との相関性を重視したものとなっている。

3.3. メタルハライドランプ式試験装置

少し本論から外れるが、メタルハライドランプ式試験装置を紹介する。
メタルハライドランプ式試験装置は、促進性を重視した試験装置で40年超の歴史をもつ。
最新機種は、促進性重視という基本コンセプトはそのままに省スペース、軽量化、有効試料面積の拡大、省エネ化、装置本体をフロンレス化、ランプユニット30％軽量化、タッチパネルの大型化を行っている。
特長を表4に、キセノンランプ式耐候性試験装置との比較例を図6に示す。

表4 メタルハライドランプ式試験装置 最新機種の特長

特長(従来装置 SUV-W161と比較して)

1. 省スペース、軽量化
   幅 1,400mm→1,350mm (設置面積 約5％削減)、重量 800kg→750kg
2. 有効照射面積の拡大
   80,000cm²→98,000cm² (照射面積 約20％拡大)
3. 省エネ化
   18kW+5.4kW^(※1)→14kW+4.4kW^(※1) (省エネ 約20％)
4. フロンレス(本体装置)
   R407C→使用なし
5. お客さまの利便性向上
   ランプユニット 30％軽量化
6. タッチパネルの大型化
   5.4インチ→8.4インチ

※1 外部冷却装置の消費電力

暴露試験 色差変化

暴露試験 光沢保持率変化

図6 ABS樹脂板でのメタルハライドランプ式試験装置と他社製キセノンランプ式試験装置との比較例(色差、光沢保持率)

3.4. 規格、相関性重視：キセノンランプ式耐候性試験装置、分光分布

キセノンランプ式耐候性試験装置の分光分布は、JIS K 7350-2:2008やJIS K 5600-7-7:2008などで規定されており、放射照度は60W/m²、180W/m²をメインに装置がラインアップされている。
放射照度180W/m²は太陽光の約3倍の紫外放射となる。
図7にキセノンランプ式耐候性試験装置分光分布を示す。

3.5. キセノンランプ式耐候性試験装置各種フィルター適用での分光分布

キセノンランプ式耐候性試験装置では、より太陽光に近似したフィルターとしてSAE J 2527 Performance Based Standard for Accelerated Exposure of Automotive Exterior Materials Using a Controlled Irradiance Xenon-Arc Apparatus(制御された照度でのキセノンアーク装置を用いた自動車外装材の促進暴露に関する性能基準)などで、紫外部の詳細な規定がされている。
図8にキセノンランプ式耐候性試験装置各種フィルター適用での分光分布(立上部)を示す。
#295フィルターを用いることで、SAE J 2527の試験が可能となる。

3.6. キセノンランプ式耐候性試験装置の仕様

3.7. キセノンランプ式耐候性試験装置 試験槽

キセノンランプ式耐候性試験装置の試験槽を図9に示す。
回転する試料枠(ドラム)に試験片を設置し、ドラム中心にあるキセノンランプより試験片へ照射を行う。
キセノンランプを図10に示す。
試験槽内の温湿度制御は冷凍機及び加湿器を用い、密閉循環で設定値に保つ。
ダンパーなどでの空気の入れ替えを行っていないので、装置が設置された部屋の温湿度に左右されずに温湿度制御が可能となる。

3.8. キセノンランプ式耐候性試験装置 温度計

3.8.1. ブラックパネル温度計(BPT)

黒板の表面(照射面)に温度センサーが設置されている。
センサーはシース(金属管)に覆われている。
温度平衡がBSTよりも早い

3.8.2. ブラックスタンダード温度(BST)

黒板の裏面(照射面では無い方)に温度センサーが設置され、センサーはPVDF(ポリフッ化ビニリデン)に覆われており、温度平衡に時間がかかる

3.9. キセノンランプ式耐候性試験装置 最新機種の特長

キセノンランプ式耐候性試験装置 最新機種の特長を表6に示す。
性能を維持しつつ設置面積を小さくしており、また環境面に配慮した仕様としている。

表6 キセノンランプ式耐候性試験装置 最新機種の特長

特長(従来装置 XER-W83と比較して)

1. 省スペース、軽量化
   幅 1,400×奥行 1,600mm→幅 1,090×奥行 1,490mm (設置面積 28％削減)
   重量 800kg→600kg
2. 省電力化
   19kW→16kW (省電力 10％)
3. GWP値(地球温暖化係数) 1,500以下達成
   R-404A(GWP値3,920)→R-449A(GWP値1,282)
4. お客さまの利便性向上
   ブレーカ容量 100A→75Aなど
5. 新タッチパネルの採用
   デザイン一新 見やすく操作性向上

※放射照度：60～180W/m²、試料枚数：54枚(BP温度計を含む)

3.10. 他社製品との比較

キセノンランプ式耐候性試験装置は各種試験規格に対応した装置であり、ユーザーとしては、どのメーカーの装置でも同様な試験ができることが必要となる。
他社製品との比較例を表7に示す。

図11に他社製キセノンランプ式耐候性試験装置との比較例を示す。
試験条件は、照度180W/m²、BP63℃、湿度50％、2時間中18分水噴霧である。
ポリカーボネート、ポリエチレンテレフタレートの樹脂板での照射試験での色差の経時変化では、劣化挙動はおおむね同等であることを確認した。

ポリカーボネート(PC)

ポリエチレンテレフタレート(PET)

図11 他社製キセノンランプ式耐候性試験装置との比較例

3.11. キセノンランプ式耐候性試験装置の照度・温度データ

キセノンランプ式耐候性試験装置では試料枠が上中下と3段ある。
試料枠自体は回転するが、上中下の位置関係は変わらない。
そのため、上中下で照度・温度にどの程度むらがあるかを測定した。
上中下の位置での照度均斉度を図12に、温度均斉度を図13にそれぞれ示す。
照度の均斉度は約92％、温度は基準から約3℃のバラつきであった。

位置		照度(W/m²)
上段	1	164.6
	2	173.1
	3	166.0
中段	4	168.7
	5	178.3
	6	170.9
下段	7	166.9
	8	173.0
	9	165.4

均斉度 92.3％
(最小値/最大値×100)

図12 キセノンランプ式耐候性試験装置での上中下ホルダでの照度均斉度測定例

位置	温度(℃)
上段	64.7	+1.6
中段	63.1(基準)	-
下段	59.8	-3.3

図13 キセノンランプ式耐候性試験装置での上中下ホルダでの温度均斉度測定例

図12、13の試験装置を用い、ポリカーボネート(PC)、ポリエチレンテレフタレート(PET)、硬質塩ビPVC黒、アクリル黒塗装の試験を行った。
試料枠上中下での色差の経時変化を図14、15にそれぞれ示す。
試験条件は照度180W/m²、BP63℃、湿度50％、2時間中18分水噴霧である。
図12、13の均斉度で、PC、PETについては上中下で差異は無かったが、PVC黒、アクリル黒塗装では上中下で差異が出た。
試料枠位置を時間ごとに変更するローテーションの必要性が確認できる。

試料枠上中下_PCクリア_色差

試料枠上中下_PETクリア_色差

図14 上中下ホルダ間での試験サンプル色差違い(PC、PET)測定例

試料枠上中下_PVC黒_色差

試料枠上中下_アクリル黒塗装_色差

図15 上中下ホルダ間での試験サンプル色差違い(PVC黒、アクリル黒塗装)測定例

3.12. 屋外暴露や他の試験装置との相関データ

図16に屋外暴露とキセノンランプ式耐候性試験装置との比較例を示す。
試験条件は、キセノンランプ式耐候性試験装置XER-W83は、照度180W/m²、BP63℃、湿度50％、2時間中18分水噴霧、連続照射であり、屋外暴露は宮古島(南面45°)である。
試験装置のデータで使用しているXER-W83はXER-W85と光源部分は同一である。
ABSクリームの樹脂板の例では、色差では屋外暴露の約4.5倍、光沢保持率では屋外暴露の約20倍となった。

色差、ABSクリーム

色差ではキセノンランプ式は屋外暴露の約4.5倍の促進倍率

光沢保持率、ABSクリーム

光沢保持率ではキセノンランプ式は屋外暴露の約20倍の促進倍率

図16 ABSクリーム樹脂板での屋外暴露とキセノンランプ式耐候性試験装置との比較例

メタルハライドランプ式耐候性試験装置、オープンフレームカーボン(サンシャイン)との比較例を図17に示す。
試験条件は、メタルハライドランプ式は照射(4hr、150mW/m²、BP63℃、50％、シャワー5秒/18分中)→結露4hrであり、キセノンランプ式は60W/m²、BP63℃、50％、水噴霧18分/2時間であり、オープンフレームカーボン式(サンシャイン)は63℃制御である。
ポリウレタン塗装板では、メタルハライド＞サンシャイン＞キセノンの順で劣化が早い結果となった。

ポリウレタン塗装(白)

色差ではメタルハライド＞サンシャイン＞キセノンの順

光沢保持率ではメタルハライド＞サンシャイン＞キセノンの順

図17 ポリウレタン塗装板でのメタルハライドランプ式耐候性試験装置とキセノンランプ式耐候性試験装置との比較例

また、アクリル黒塗装板での屋外暴露との比較例を図18に示す。
試験条件は、キセノンランプ式XER-W83は、照度180W/m²、BP63℃、湿度50％、2時間中18分水噴霧、連続照射であり、屋外暴露は宮古島(南面45°)である。
色差ではキセノンランプ式耐候性試験装置は屋外暴露の約13倍、光沢保持率ではキセノンランプ式耐候性試験装置は屋外暴露の約20倍の促進倍率であった。

色差、アクリル黒

色差ではキセノンランプ式は屋外暴露の約13倍の促進倍率

光沢保持率、アクリル黒

光沢保持率ではキセノンランプ式は屋外暴露の約20倍の促進倍率

図18 アクリル黒塗装板でのメタルハライドランプ式耐候性試験装置とキセノンランプ式耐候性試験装置との比較例

4. 終わりに

キセノンランプ式耐候性試験装置について、概説してきた。
キセノンランプ式に限らず促進耐候性試験装置には、屋外暴露を完全に再現できない点はあるものの、特性を把握して試験を行うことで、相関性・再現性を担保できる装置となっている。
岩崎電気としても、相関性を高める改善・評価データ取得を今後も進めていきたい。