建筑外墻涂料在不同人工加速老化光源下耐候性能的研究*

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(廣州合成材料研究院有限公司，廣東廣州 510665)

試驗與研究

建筑外墻涂料在不同人工加速老化光源下耐候性能的研究*

彭軍，楊育農，文璟，李欣，楊表芳

(廣州合成材料研究院有限公司，廣東廣州 510665)

將建筑外墻涂料分別暴露在氙燈、熒光紫外燈和碳弧燈等不同的老化光源下進行人工加速老化試驗，通過對比研究老化前后涂層宏觀光學性能、微觀形貌和分子結構的變化規(guī)律，探討這三種老化試驗方法對建筑外墻涂料耐候性能的影響。

建筑外墻涂料，人工加速老化，光源，耐候性

建筑外墻涂料作為一種建筑外墻的保護裝飾性材料，能使建筑物表面整潔美觀，同時施工簡易方便，因此廣泛應用于建筑外墻裝飾領域[1]。建筑外墻涂料在使用過程中，尤其是暴露于戶外，不可避免的會受陽光、降雨、溫濕度和氧氣等自然大氣環(huán)境因素的作用而產生老化現(xiàn)象，從而導致其保護功能和裝飾效果的喪失。隨著我國建筑行業(yè)的發(fā)展和涂料產量的增加，建筑外墻涂料戶外耐候性能日益受到重視，人們對建筑外墻涂料的應用也提出了更高的要求[2-4]。因此，研究和評價筑外墻涂料的耐候性，對于判斷涂料使用壽命、提高涂料耐久性和品質具有至關重要的作用。

通常，人們通過人工加速老化試驗來研究高分子材料的耐候性和老化性能。人工加速老化試驗是在人工氣候老化箱中進行的，模擬和強化大氣環(huán)境中主要氣候因素的一種老化試驗方法[5]。在影響涂料耐候性的各種大氣環(huán)境因素中，日光的輻照強度與能譜分布是最重要的模擬因素。按照人工氣候試驗箱老化光源的不同，人工加速老化試驗可分為氙燈老化、熒光紫外老化和碳弧燈老化，不同的老化光源對高分子材料的老化效果和破壞程度也不同[6-8]。本文將建筑外墻涂料分別暴露在氙燈、熒光紫外和碳弧等不同的老化光源下進行人工加速老化試驗，考察外墻乳膠漆涂膜的光澤、色差等宏觀光學性能，再通過研究老化前后涂膜表面的微觀形貌和分子結構的變化，比較分析不同人工加速老化測試方法之間的結果，研究探討不同老化試驗方法對建筑外墻涂料耐候性能的影響。

1 實驗部分

1.1 樣板制備

客戶提供試驗樣板，底材為尺寸140mm×70mm的水泥板。

1.2 試驗設備和老化條件

采用氙燈、熒光紫外燈和碳弧燈等三種老化光源對建筑外墻涂料試板進行2000h人工加速老化試驗，每400h為一個考察階段對試板的各項宏觀光學性能進行考察。表1是試驗設備、試驗條件和所依據(jù)的標準方法。

表1 三種不同人工加速老化試驗設備和老化條件Table 1 Three kinds of artificial accelerated aging test equipment and aging conditions

1.3 光學性能的測定

依據(jù)GB/T 9754-2007《色漆和清漆 不含金屬顏料的色漆漆膜的20°、60°和85°鏡面光澤的測定》，采用德國BYK-Gardner的BYK 4520多角度光澤度計測量涂層60°鏡面光澤；依據(jù)ISO 7724.3-1984《色漆和清漆比色法 第 3 部分 色差計算》，采用日本KONICA MOINLTA公司的CR10色差計測量涂層色差變化；依據(jù) GB/T 2409-1980《塑料黃色指數(shù)試驗方法》，使用日本KONICA MINOLTA的CM-700d分光測色計對老化前后試板的黃色指數(shù)進行測試。

1.4 涂層微觀形貌和分子結構的表征

采用德國徠卡公司的Leica DM6000M金相顯微鏡對涂層老化前后的涂層微觀形貌進行觀測，放大倍率100。采用Thermo公司的Nicolet 6700型傅里葉全反射紅外光譜儀(ATR-FTIR)對老化前后涂層表面進行掃描，考察表層分子結構的變化。掃描次數(shù)為32，分辨率為4cm-1，掃描范圍600cm-1～4000cm-1。

2 結果與討論

2.1 光澤的變化

對三種人工加速老化光源下外墻涂料試驗的60°鏡面光澤度和失光率的進行測定，并依據(jù) GB/T 1766-2008《色漆和清漆 涂膜老化的評級方法》進行評定對涂膜老化后的失光等級進行評級，結果如表2所示。

表2 不同老化光源下涂層光澤的變化Table 2 Gloss change of sample under different aging light source

試板涂膜的60°初始鏡面光澤度低于10，屬于低光澤漆膜，同時涂膜光澤的變化受表層涂膜表面粗糙度影響，三種人工加速老化條件下的表面光澤的變化較小，熒光紫外燈、氙燈和碳弧燈老化2000h后失光等級都為1級，三種老化光源下乳膠漆涂膜的失光率變化都不大，這一方面是由于本試驗所用的建筑外墻涂料試樣本身就有優(yōu)異的耐候性，應用于室外能經(jīng)受氣候的考驗，如光照、冷熱、風雨等造成的綜合破壞，另一方面是涂膜本身屬于低光澤涂膜，所以失光率和失光等級的差別較小。按照GB/T 1766-2008《色漆和清漆 涂膜老化的評級方法》對涂膜老化后的粉化等級進行評定，三種光源老化后涂層的粉化等級都為0級，都未出現(xiàn)粉化現(xiàn)象。

2.2 色差的變化

對三種人工加速老化光源下外墻涂料試驗的色差△E進行測試，并依據(jù) GB/T 1766-2008《色漆和清漆 涂膜老化的評級方法》對涂膜老化后的失光等級進行評定，結果如表3所示。

表3 不同人工加速老化光源下涂層色差的變化Table 3 Color change of sample under different aging light source

氙燈和碳弧燈老化2000h的涂膜試板的色差△E分別為1.4和1.5，失光等級都為0級，無失光現(xiàn)象。熒光紫外老化2000h后色差△E為2.7，變色等級為1級，出現(xiàn)很輕微變色。建筑外墻涂料這種老化現(xiàn)象的差異主要是由于三種老化光源的老化程度的差別所引起的。氙燈發(fā)出的輻射經(jīng)過濾光器過濾掉較短的紫外光波和紅外光波，使到達試樣表面的光譜接近太陽光[9]。碳弧燈具有和氙燈相似的輻射效果。紫外燈管的紫外光部分強于自然光紫外部分，并且含有部分自然光中基本沒有的短波紫外光，因此熒光紫外燈老化試驗僅模擬太陽光中的紫外光對耐候性材料造成損害，熒光紫外加速倍率比氙燈和碳弧燈老化高，老化程度也更大[10]，所以經(jīng)熒光紫外老化后的試板老化變色現(xiàn)象較明顯。

2.3 涂層黃變分析

圖1 不同老化光源下涂膜黃色指數(shù)隨老化時間的變化曲線Fig.1 The change curve of yellow index with aging time under different aging light source

圖1是老化前和不同人工試驗方法老化2000h后涂膜黃色指數(shù)隨老化時間的變化曲線。

老化前的涂膜樣板的黃色指數(shù)為5.9，氙燈和碳弧燈老化2000h的涂膜試板的黃色指數(shù)分別為9.1和9.3，說明試板涂膜經(jīng)過2000h的氙燈老化比碳弧燈老化后的黃變情況略好；涂膜經(jīng)2000h熒光紫外老化黃色指數(shù)升高到10.1，涂膜表面已出現(xiàn)輕微泛黃，經(jīng)熒光紫外老化后的涂膜耐黃變性能低于氙燈老化和碳弧燈老化，即熒光紫外的老化程度也更大，經(jīng)熒光紫外老化后的涂膜更容易出現(xiàn)黃變，進一步證明熒光紫外燈可以使產品加速老化，適宜作為一個紫外篩選裝置，在建筑外墻涂料質量控制中使用。

2.4 老化前后涂層微觀形貌

利用金相顯微鏡對三種人工加速老化光源下外墻涂料試板老化前后涂層表面微觀形貌進行觀察，結果圖2所示。

圖2 不同光源下老化前后涂膜表面微觀形貌Fig.2 Metallographic analysis of sample before and after different lamp aging

由圖2可以看出，原始未老化試樣表面除了有一些劃痕之外，沒有粉化和裂紋等缺陷，表觀良好。老化后的試樣表面則出現(xiàn)了由于涂膜粉化所引起的凹坑以及裂紋缺陷，增加了漫反射，降低了涂膜對光線的反射率。其中，熒光紫外老化后的試板出現(xiàn)的裂紋寬度最大、裂紋紋理較深，氙燈老化和碳弧燈老化后的試板出現(xiàn)裂紋的寬度較小，裂紋紋理較細。建筑外墻涂料表面的裂紋缺陷造成涂膜光澤、色差、黃變指數(shù)等宏觀光學性能的衰減，熒光紫外燈的加速倍率比氙燈和碳弧燈老化要大，所以老化程度越大，涂膜表面的缺陷也越大，耐侯性衰減也越明顯。

2.5 涂層的紅外光譜

建筑外墻涂料試板分別進行2000h的氙燈老化、熒光紫外老化和碳弧燈老化試驗后，其紅外譜圖如圖3所示。

圖3 不同光源下老化前后涂膜的紅外光譜譜圖Fig.3 ATR-FTIR spectra of sample before and after different lamp aging

試驗所用到的建筑外墻涂料的基體樹脂為丙烯酸樹脂，在2900cm-1左右和1450cm-1左右的吸收峰為丙烯酸樹脂分子鏈中亞甲基的特征吸收峰。此峰在涂層老化后逐漸減弱，說明涂料老化過程是丙烯酸涂層分子中亞甲基分子鏈斷裂而引起的。經(jīng)老化光源照射后，涂層吸收了特定范圍波長的光后分子發(fā)生光化學反應，從而出現(xiàn)老化現(xiàn)象[11]。其中熒光紫外燈下亞甲基的特征吸收峰的減速程度更大，在2900cm-1左右吸收峰基本消失。1650cm-1左右羰基特征吸收峰也在老化后逐漸減弱，說明老化過程中有酯基降解現(xiàn)象發(fā)生。熒光紫外老化后吸收峰減弱程度更大。這是因為波長更短熒光紫外燈發(fā)射出的光具有更高的能量，更容易與涂層分子化學鍵的吸收，因而熒光紫外光輻射對建筑外墻涂料的老化程度最高，對化學鍵破壞能力也最大[12]。

3 結論

建筑外墻涂料經(jīng)氙燈、熒光紫外燈和碳弧燈三種人工加速老化試驗后，涂層中的丙烯酸樹脂分子鏈發(fā)生光氧化降解，涂層分子結構中的酯基和亞甲基所對應的特征吸收峰在人工加速老化后減弱，導致分子鏈斷裂，分子量降低，從而出現(xiàn)老化。氙燈光源和碳弧燈光源所發(fā)出的光輻射都包含了太陽光在紫外區(qū)和可見區(qū)的光譜能量分布，而熒光紫外只模擬太陽光中的紫外部分，使建筑外墻涂料加速老化損壞，老化后涂層的光澤下降、色差和黃變指數(shù)變大更明顯。因此，熒光紫外燈加速老化作為耐候性外墻涂料的快速檢驗方法，可用于產品配方的篩選。

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StudyonWeather-resistancePropertiesofExteriorArchitecturalCoatingunderDifferentArtificialAcceleratedAgingLightSource

PENG Jun，YANG Yu-nong，WEN Jing，LI Xin，YANG Biao-fang

(Guangzhou Synthetic Materials Research Institute Co.Ltd.，Guangzhou 510665，Guangdong，China)

Artificial accelerated aging tests for exterior architectural coating were carried out exposing under different aging light sources including xenon lamp，fluorescent UV lamp and carbon arc lamp. The change of macroscopic optical property，surface morphology and molecular structure of coating layer have been contrastively studied，the influence of the three different artificial accelerated aging test on weather-resistance properties of exterior architectural coating has been investigated.

exterior architectural coating，artificial accelerated aging，light source，weather-resistance

TQ 630.7+2

2016年廣州合成材料研究院研究開發(fā)基金(KJ06201611712)