低氣壓環(huán)境綜合加速試驗技術在聚氨酯 涂層快速評價中的應用

向江濤，楊小奎，楊曉然，李迪凡，張世艷，吳帥,2

（1.西南技術工程研究所，重慶 400039； 2.西藏拉薩大氣環(huán)境材料腐蝕國家野外科學觀測研究站，拉薩 850100）

低氣壓環(huán)境綜合加速試驗是一種新的環(huán)境模擬試驗技術，是模擬低氣壓自然環(huán)境中的太陽輻射、氣壓、溫度、濕度和風速等條件[1-3]的試驗箱及其相應的低氣壓自然環(huán)境模擬加速試驗方法。模擬低氣壓環(huán)境的試驗方法是采用低溫—低壓—高濕度的方法[4]，但這種方法沒有綜合太陽輻射和風速等重要環(huán)境因素，導致試驗數(shù)據(jù)與低氣壓自然環(huán)境試驗數(shù)據(jù)的相關性較差。

隨著科技的不斷進步，新材料、新工藝不斷應用于各種產(chǎn)品中。這些新材料、新工藝在應用到低氣壓環(huán)境地區(qū)之前，必須對其低氣壓環(huán)境適應性進行系統(tǒng)的考核和篩選，從而使產(chǎn)品在低氣壓環(huán)境中的故障和損傷降到最低[5-9]。新材料、新工藝的篩選可以采用低氣壓自然環(huán)境方法和實驗室環(huán)境試驗方法，為了加快速度和效率，一般采用實驗室環(huán)境試驗方法[10-13]。充分考慮和再現(xiàn)低氣壓環(huán)境下的多因素綜合氣候環(huán)境試驗技術，可以進一步提高篩選的正確率和速率[14-15]。因此，在產(chǎn)品環(huán)境適應性試驗中推廣低氣壓環(huán)境綜合加速試驗技術，能更好地滿足材料和防護工藝篩選的需求。文中選擇汽車、飛機常用的聚氨酯類涂層為試驗對象，檢測其顏色、光澤度在試驗前后的變化，驗證低氣壓環(huán)境綜合加速試驗技術的模擬性和加速性[16-17]。

1 試驗

1.1 材料與試樣

樣品基材為150 mm×75 mm×1 mm的陽極氧化鋁合金板。鋁合金板表面噴涂淡駝灰色的改性聚氨酯涂層，噴涂厚度為120 μm。設置3件平行樣品。試驗前檢測樣品的顏色值、60°鏡面光澤度值、傅里葉紅外光譜，以便對比試驗后涂層的變化情況。

1.2 試驗條件

在拉薩開展戶外暴露試驗，按照GB/T 9276? 1996《涂層自然氣候曝露試驗方法》[18]、WJ 2155? 1993《兵器產(chǎn)品自然環(huán)境方法大氣暴露試驗》[19]的要求進行試驗。戶外朝南45°，無背板暴露，試驗時間為12個月。

低氣壓環(huán)境綜合加速試驗采用“多因素綜合高原高寒氣候環(huán)境模擬加速試驗箱”，設備利用試驗箱內(nèi)的溫度、濕度、氣壓和輻照度傳感器等將箱體內(nèi)環(huán)境參數(shù)值傳輸給PLC，并與程序設定值進行比較，進一步控制各電氣系統(tǒng)的工作，最終實現(xiàn)光照、氣壓、溫度、濕度和風等因素同時作用。試驗條件綜合考慮了模擬性和加速性，主要試驗條件是根據(jù)我國高原高寒地區(qū)實測試驗樣品的表面極值設定，如設計最高溫、最低溫和最大溫差等。另外，由于高原地區(qū)的紫外輻射比例高于其它地區(qū)，且紫外輻射一般在聚氨酯涂層的光化學老化中起主要作用，因此，在光輻射條件中增加了紫外輻射。試驗譜如圖1所示。試驗進行360周期，每周期4 h，總共60 d。

圖1 低氣壓環(huán)境綜合加速試驗譜 Fig.1 Comprehensive accelerated test spectrum in low pressure environment

試驗過程中，在每個檢測周期檢測改性聚氨酯涂層的顏色值和60°鏡面光澤度值；試驗結束后，測試改性聚氨酯涂層的傅里葉紅外光譜。

2 結果與討論

2.1 傅里葉紅外檢測

試驗結束后，改性聚氨酯的傅里葉紅外光譜變化如圖2所示。由原始紅外光譜可以看出，1728 cm?1、1519 cm?1、1455 cm?1附近峰為特征吸收峰；低氣壓環(huán)境綜合加速試驗后，涂層特征峰1728 cm?1和1519 cm?1的強度下降甚至消失，這與低氣壓自然環(huán)境后特征峰的變化規(guī)律基本一致。

圖2 改性聚氨酯涂層兩種環(huán)境試驗后的紅外光譜 Fig.2 Infrared spectra of modified polyurethane coating after two environmental tests

2.2 涂層顏色檢測

按GB/T 11186.2—1989《涂膜顏色的測量方法 第二部分 顏色測量》[20]測量改性聚氨酯涂層的顏色，按GB/T 11186.3—1989《涂膜顏色的測量方法 第三部分 色差計算》[21]計算改性聚氨酯涂層的色差，色差計算公式見式（1）。

式中：ΔL*為試驗后L值與原始L值的差值；Δa*為試驗后a值與原始a值的差值；Δb*為試驗后b值與原始b值的差值。

色差數(shù)據(jù)見表1，色差變化規(guī)律如圖3所示?？梢钥闯鰞煞N試驗環(huán)境中，改性聚氨酯涂層的顏色變化規(guī)律基本相同。

表1 改性聚氨酯涂層兩種環(huán)境試驗后色差 Tab.1 Color difference of modified polyurethane coating after two kinds of environmental test

圖3 改性聚氨酯涂層兩種環(huán)境試驗后色差變化規(guī)律 Fig.3 Changing rule of Color difference of modified polyurethane coating after two kinds of environmental test: a) low pressure natural environment test; b) comprehensive acceleration test in low pressure environment

2.3 鏡面光澤檢測

按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》[22]測定60°鏡面光澤。按GB/T 9754—2007《色漆和清漆 涂層老化的評級方法》[23]計算改性聚氨酯涂層的失光率，數(shù)據(jù)見表2，失光率變化規(guī)律如圖4所示?？梢钥闯龅蜌鈮鹤匀画h(huán)境中，改性聚氨酯涂層在試驗前期，光澤度下降較大，隨后光澤度增加，這是該涂層后固化造成的。在低氣壓綜合環(huán)境試驗中，該涂層在試驗前期，光澤度下降較大，隨后光澤度下降變緩，這也是該涂層后固化造成的。

表2 改性聚氨酯涂層兩種環(huán)境試驗后失光率 Tab.2 gloss Los rate of modified polyurethane coat after two kinds of test

圖4 改性聚氨酯涂層經(jīng)兩種試驗后失光率變化規(guī)律 Fig.4 Changing rule of gloss loss rate of modified polyurethane coat after two kinds of test: a) low pressure natural environment test; b) comprehensive acceleration test in low pressure environment

2.4 低氣壓環(huán)境綜合加速試驗加速性

低氣壓環(huán)境綜合加速試驗采用加速轉換因子（ASF）法[24]評估加速性。文中以改性聚氨酯涂層的色差變化為例計算加速倍率。分別對改性聚氨酯涂層低氣壓自然環(huán)境試驗和低氣壓環(huán)境綜合加速試驗后的色差數(shù)據(jù)進行擬合，以試驗時間為橫坐標，色差為縱坐標，結果見式（2）、式（3）。

式中：y戶外為低氣壓自然環(huán)境試驗的色差；y加速為低氣壓環(huán)境綜合加速試驗的色差；t1為低氣壓自然環(huán)境試驗時間，d；t為低氣壓環(huán)境綜合加速試驗時間，d。

根據(jù)式（2）、式（3），計算兩種試驗達到相同色差的時間。為便于比較，將兩種試驗時間均換算成天數(shù)，試驗時間見表3。

表3 兩試驗方法中改性聚氨酯涂層達到相同色差的時間 Tab.3 Time for modified polyurethane coating to achieve the same color difference in two test method

以低氣壓環(huán)境綜合加速試驗時間t為橫坐標，以達到相同色差時低氣壓自然環(huán)境試驗和低氣壓環(huán)境綜合加速試驗時間的比值t1/t為縱坐標，作ASF隨時間變化的曲線圖，并進行回歸分析，如圖5所示。

圖5 改性聚氨酯涂層色差ASF隨時間變化曲線 Fig.5 Change curve of color difference ASF of modified polyurethane coating with times

圖5的回歸方程為：

式中：ASF戶外-加速為色差加速倍率；t為低氣壓環(huán)境綜合加速試驗時間，d；R2為相關系數(shù)。

由計算結果可知，改性聚氨酯涂層的色差加速倍率不是固定的，加速倍率隨時間的延長逐漸減小。改性聚氨酯涂層樣品按加速轉換因子（ASF）法計算的低氣壓環(huán)境綜合加速試驗相對于低氣壓自然環(huán)境試驗的加速性計算結果見表4。

表4 改性聚氨酯涂層低氣壓環(huán)境綜合加速試驗的加速性結果 Tab.4 Acceleration property of modified polyurethane coating in low pressure environment

3 結論

1）改性聚氨酯涂層在低氣壓環(huán)境綜合加速試驗中的老化機理與低氣壓自然環(huán)境中的老化機理基本相同。

2）改性聚氨酯涂層在低氣壓環(huán)境綜合加速試驗中的涂層色差、光澤度變化規(guī)律與低氣壓自然環(huán)境中的變化規(guī)律基本相同。

3）在數(shù)據(jù)變化規(guī)律相同的基礎上，改性聚氨酯涂層在低氣壓環(huán)境綜合加速試驗中的老化加速倍率隨時間變化，最高為24倍，最低為10倍。

4）低氣壓環(huán)境綜合加速試驗技術具有很好的模擬性和加速性，適用于快速評價聚氨酯涂層在低氣壓環(huán)境下的適應性。