涂料的人工氣候加速老化試驗(yàn)

李江江　丁立群　劉尚斌　王慧翠

[摘要]為評(píng)價(jià)涂料產(chǎn)品的耐老化性能，有兩種試驗(yàn)方法：一類是自然氣候老化，一類是人工加速氣候老化。人工氣候加速老化是利用相關(guān)的老化設(shè)備在實(shí)驗(yàn)室模擬自然條件的某些老化因素進(jìn)行的老化試驗(yàn)。本文通過對(duì)一些常用涂料產(chǎn)品進(jìn)行人工氣候加速老化試驗(yàn)，通過改變光照、溫度、濕度以及漆膜厚度等影響因素，進(jìn)而對(duì)涂料的老化性能進(jìn)行比較評(píng)價(jià)。

[關(guān)鍵詞]人工氣候老化 光照 溫度 濕度

涂料在使用過程中受到各種不同因素的作用，使涂層的物理、化學(xué)性能和機(jī)械性能發(fā)生改變，使之出現(xiàn)不可逆轉(zhuǎn)的劣化，并最終導(dǎo)致涂層的破壞和失效，通常將這種現(xiàn)象稱為涂料的老化。由于涂料大都在自然氣候中使用，如建筑，橋梁，汽車涂料等，都會(huì)在自然氣候中受到日光，風(fēng)雨霜雪露及各種化工氣體等因素的綜合作用而使涂料發(fā)生老化破壞。因此涂料的耐候性是涂料的一項(xiàng)重要的物理性能，這項(xiàng)性能不僅決定了該涂料的使用壽命，而且同時(shí)也影響其美觀，裝飾的特性。涂料的耐候性試驗(yàn)都是采用大氣暴曬的方法，即將準(zhǔn)備完成的試樣置于經(jīng)有關(guān)部門認(rèn)可的大氣暴曬試驗(yàn)場(chǎng)所，并放置在一定的試樣架上，在自然狀態(tài)中放置115年，期間定期對(duì)試樣進(jìn)行檢查評(píng)級(jí)，檢查評(píng)級(jí)內(nèi)容一般包括失光、色差、起泡、生銹等項(xiàng)目。

一、涂料耐候性測(cè)試方法

（一）自然暴曬法

自然暴曬法即將所制備是涂料放置在國(guó)家認(rèn)可的暴曬場(chǎng)地進(jìn)行日光的暴曬，該方法在測(cè)試涂料耐候性方面，涂料的老化狀態(tài)與實(shí)際使用狀態(tài)非常接近，模擬性非常好。但是其缺點(diǎn)也非常的明顯，該方法的試驗(yàn)周期過長(zhǎng)，檢查評(píng)級(jí)的工作量非常繁重，往往會(huì)出現(xiàn)這種情況：一種新開發(fā)的涂料，其大氣暴曬試驗(yàn)尚未結(jié)束，而市場(chǎng)上此類的產(chǎn)品卻即將淘汰，這對(duì)涂料的使用和研發(fā)工作帶來極大的困難和損失。

（二）人工加速老化試驗(yàn)

人工加速老化試驗(yàn)是為了彌補(bǔ)自然暴曬試驗(yàn)周期過長(zhǎng)的缺點(diǎn)，人們?cè)谶M(jìn)行大量的自然大氣暴曬試驗(yàn)得出的數(shù)據(jù)和結(jié)果基礎(chǔ)上，綜合分析氣候與圖層的破壞之間的因果關(guān)系后，制定出人工加速老化試驗(yàn)的試驗(yàn)方法和研制生產(chǎn)了相應(yīng)的試驗(yàn)設(shè)備，在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)利用人造小氣候環(huán)境來模擬自然條件下老化狀態(tài)。而這種模擬狀態(tài)影響老化的物理、化學(xué)因素的強(qiáng)度是自然大氣狀態(tài)下的數(shù)倍，甚至是數(shù)十倍，從而達(dá)到加速涂層老化，大大縮短了老化試驗(yàn)的時(shí)間。但是在試驗(yàn)的過程中，氣候模擬畢竟是與真實(shí)環(huán)境存在一定差距，也導(dǎo)致試驗(yàn)結(jié)果偶爾會(huì)出現(xiàn)較大甚至相反的誤差。

二、人工氣候加速老化試驗(yàn)的影響因素

由于人工加速老化試驗(yàn)的特點(diǎn)是既能模擬了大氣暴曬試驗(yàn)的狀態(tài)，又強(qiáng)化了大氣暴曬試驗(yàn)的狀態(tài)（各種老化因素），也就是說要達(dá)到模擬和強(qiáng)化的最大優(yōu)化和一致性，不至于產(chǎn)生這樣的情況：同種涂層的大氣老化和人工加速老化試驗(yàn)得出的結(jié)果相悖，為此必須對(duì)各種老化影響因素進(jìn)行全面的分析比較。

（一）光源

人工加速老化試驗(yàn)的光源是在人工條件下模擬自然光源對(duì)涂料樣板進(jìn)行照射，它在涂料的老化試驗(yàn)中起著非常重要的角色。由于不同的光源在能量和波長(zhǎng)分布上的差異比較大，所以在進(jìn)行涂料老化試驗(yàn)時(shí)，光源的選擇起著決定性的作用。各種光源的特征如下：

自然條件下的光照和實(shí)際使用中使涂層發(fā)生老化的重要因素。圖1使在我國(guó)海南夏季正午時(shí)分測(cè)得的太陽的光譜圖（w nm圖），該地區(qū)是我國(guó)認(rèn)可的具備大氣暴曬試驗(yàn)的場(chǎng)地之一。

通過查閱相關(guān)資料我們知道，自然光光譜可以分為紫外線區(qū)、可見光區(qū)和紅外線區(qū)三個(gè)區(qū)域，其波長(zhǎng)和能量的分布如下表1：

從以上數(shù)據(jù)中也可以發(fā)現(xiàn)，即使自然光中紫外線的能量只占極小的一部分，但是涂料中的高分子物質(zhì)都是在紫外線的照射下發(fā)生了分子鏈的斷裂，化學(xué)鍵的斷裂等現(xiàn)象。高分子材料的老化除了與光源的波長(zhǎng)有關(guān)以外，還取決于吸收光的能量大小。我們知道，當(dāng)光的波長(zhǎng)越短時(shí)，光所包含的能量越大，對(duì)涂料的老化作用也越大。表2是不同波長(zhǎng)紫外線的能量分布數(shù)據(jù)。

在不同的緯度和不同的季節(jié)條件下，太陽光的強(qiáng)度也不相同。一般來說，赤道附近的太陽光照最強(qiáng)烈，海拔較高的地方也是，夏季的光照最強(qiáng)。人造光源就是人工加速老化試驗(yàn)用的光源，它具有模擬性的特點(diǎn)，同時(shí)又具有老化加速性的特點(diǎn)。由于人造光源都是采用特殊燈管或電弧所發(fā)生的光作為老化試驗(yàn)的照射光源，因此不同型號(hào)所產(chǎn)生的光譜線的強(qiáng)度都不一樣?，F(xiàn)在主流的人工加速化試驗(yàn)主要都采用熒光紫外燈、疝氣燈和碳弧燈三種。

（二）溫度

另外一個(gè)在對(duì)涂料進(jìn)行人工氣候加速老化試驗(yàn)的重要因素就是溫度。當(dāng)溫度達(dá)到一定程度時(shí)，會(huì)在其它條件都一般時(shí)僅僅靠溫度就能使涂料老化，能夠使涂層高分子材料產(chǎn)生非正常交鏈如產(chǎn)生立體結(jié)構(gòu)，使涂層變硬、變脆、失去彈性、易脆斷等。也會(huì)破壞涂料中高分子材料的分子鏈斷裂。分子量變小，游離基團(tuán)增多，使涂料變得發(fā)軟、發(fā)粘等，同時(shí)在熱冷循環(huán)的周期中，由于熱應(yīng)力的作用下，涂層中的各涂層間產(chǎn)生很大的應(yīng)力，很可能會(huì)使涂層龜裂、分層、脫落。因此溫度是在進(jìn)行人工老化加速試驗(yàn)的重要條件之一，溫度設(shè)置越高，老化就越容易。以下就是幾種常見涂料的不同溫度條件的耐老化時(shí)間，如表3所示：

（三）濕度

大氣條件下，涂料在暴曬的過長(zhǎng)其實(shí)就是除了氣候的不斷變化之外，濕度的變化也是比較大的，一般來說低濕度光照比高濕度光照對(duì)涂層老化影響較小，也就是說在高濕度的光照條件下很容易引起涂層的粉化、龜裂、變色等表化現(xiàn)象，從而引起涂層的體積膨脹，同時(shí)也會(huì)使部分涂層中的物質(zhì)發(fā)生水介質(zhì)在光合溫度下的作用，加速涂料的老化速度，促進(jìn)涂層的破壞。當(dāng)濕度越高時(shí)，涂層的老化速度越快，在人工加速老化試驗(yàn)中周期性的人工噴水和凝露都能將試驗(yàn)強(qiáng)度達(dá)到飽和狀態(tài)。

（四）不同配比

涂料是四種不同成分按照不同比例進(jìn)行混合后的物質(zhì)，這四種物質(zhì)分別是成膜物質(zhì)、顏料、溶劑以及各種助劑。它們的組成比例構(gòu)成了涂料的配比。熟化是指雙組份的涂料按照該涂料和固化劑的配比加入固化劑攪拌，在諸組分混配后，需要給予一定時(shí)間，待諸組分間的反應(yīng)被引發(fā)后，才能用來施于涂裝，此過程也稱為熟化。不同的配比說明了涂料具有不同的物質(zhì)組成，具有不同的物質(zhì)結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)，因此不同的配比對(duì)涂料的抗老化時(shí)間具有重要影響。

（五）不同漆膜厚度

在對(duì)涂料進(jìn)行人工氣候加速老化試驗(yàn)時(shí)，不得不考慮的就是漆膜的厚度，漆膜厚度對(duì)耐候性測(cè)試有重要影響。圖2是在3000hQUV老化試驗(yàn)中，薄涂層彩板（20 um、26 um）和正常涂層厚度彩板（面漆40 um）表面保光率的變化情況。

由圖2可知，在人工加速老化試驗(yàn)（QUV老化試驗(yàn)）中，不同涂層厚度對(duì)彩板的保光率的影響是不同的。薄涂層（6um、9um）彩涂板表面的保光率在試驗(yàn)開始時(shí)即呈現(xiàn)出急速下降的趨勢(shì)，然而，正常厚度涂層（17 um）的變化趨勢(shì)與前者存在較大差異，保光率的下降幅度很小，且在試驗(yàn)的前1500h內(nèi)，正常涂層表面的保光率大于90%。這些現(xiàn)象說明正常厚度涂層在投入使用的相當(dāng)長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)光澤的穩(wěn)定性高于相對(duì)較薄的涂層。

不同漆膜厚度對(duì)彩板表面色差的影響，圖3是在3000hQUV老化試驗(yàn)中，薄涂層彩板（面漆20um、26um）和正常涂層厚度彩板（面漆40 um）表面色差的變化情況。厚度較大的漆膜厚度對(duì)色差板的影響較大，而漆膜厚度較小的則對(duì)彩板色差影響較小。

三、結(jié)果與討論

在進(jìn)行人工氣候加速老化試驗(yàn)時(shí)，我們總結(jié)出如下結(jié)論：

（1）對(duì)某一種涂料如何選用加速老化試驗(yàn)機(jī)和相應(yīng)的UV光源問題，是每一個(gè)涂料研究開發(fā)制造和使用工作者都必須面對(duì)的。采用不同的設(shè)備和光源都將對(duì)試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生很大影響，這與選擇試驗(yàn)參數(shù)同樣重要。為此建議，按照各種光源的特點(diǎn)、涂料的主體類別和使用要求進(jìn)行綜合Fenix厚合理選用不同的光源進(jìn)行人工氣候加速老化試驗(yàn)。

（2）不同涂層厚度在耐老化性能上存在較大差別，薄涂層的耐老化性能較差，正常厚度涂層的耐老化性能相對(duì)較好，因此在進(jìn)行人工氣候老化試驗(yàn)時(shí)，要充分結(jié)合使用厚度進(jìn)行測(cè)試，這樣才能對(duì)涂料的總體性能有正確的測(cè)試。endprint