戶(hù)外自然曝曬和紫外人工加速老化

摘 要：將不同類(lèi)型的樣品分別在佛羅里達(dá)、亞利桑那及俄亥俄的曝曬場(chǎng)曝曬兩年時(shí)間，同時(shí)將這些樣品放置在紫外老化試驗(yàn)箱內(nèi)進(jìn)行人工加速老化實(shí)驗(yàn)，且選用兩種的輻照強(qiáng)度和兩種的冷凝循環(huán)。實(shí)驗(yàn)表明實(shí)驗(yàn)室加速測(cè)試結(jié)果和戶(hù)外自然曝曬的測(cè)試結(jié)果接近。此外也進(jìn)一步驗(yàn)證了加速因子和材料本身有關(guān)。

0前言

長(zhǎng)期以來(lái)，人工加速老化和自然老化測(cè)試結(jié)果間的相關(guān)性問(wèn)題一直是業(yè)內(nèi)關(guān)注的熱點(diǎn)。一般來(lái)說(shuō)，工業(yè)上要求快速地得出老化測(cè)試結(jié)果，同時(shí)要求實(shí)驗(yàn)室人工加速老化和自然老化測(cè)試結(jié)果間有較好的相關(guān)性，然而實(shí)際上這兩個(gè)要求是相互矛盾的。人工加速老化方法使用比實(shí)際環(huán)境更高的測(cè)試溫度、更短波長(zhǎng)光源、更大的輻照強(qiáng)度，在加速材料老化進(jìn)程的同時(shí)，降低了與自然條件材料老化結(jié)果的相關(guān)性。

QUV加速老化設(shè)備配備的UVA-340燈管提供了一個(gè)新的解決方案QUV。UVA-340紫外燈光源能很好地模擬太陽(yáng)光譜中短波紫外光(<365 nm部分)， 見(jiàn)圖1所示。由于UVA-340紫外燈光源所模擬的太陽(yáng)短波紫外光通常是引起聚合物破壞的主要原因，理論上這種方法的測(cè)試結(jié)果和戶(hù)外自然老化的相關(guān)性較好。為了驗(yàn)證這一點(diǎn)，我們針對(duì)戶(hù)外自然曝曬和使用UVA-340紫外光源人工加速老化的相關(guān)性進(jìn)行了一系列的實(shí)驗(yàn)。

1實(shí)驗(yàn)

本實(shí)驗(yàn)選用了環(huán)氧涂料、聚氨酯涂料以及聚酯涂料，分別進(jìn)行戶(hù)外自然曝曬和紫外人工加速老化實(shí)驗(yàn)，記錄實(shí)驗(yàn)中樣品光澤和顏色的變化。

1.1戶(hù)外自然曝曬實(shí)驗(yàn)

由于全球各地戶(hù)外自然曝曬的情況很不相同，為了準(zhǔn)確地評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)，這里選擇了三種不同的典型氣候類(lèi)型：亞熱帶氣候(佛羅里達(dá)的邁阿密)、沙漠氣候(亞利桑那的鳳凰城)和美國(guó)北方工業(yè)型氣候(俄亥俄州的克里夫蘭)。

戶(hù)外自然曝曬嚴(yán)格按照ASTM G7《非金屬材料的戶(hù)外自然曝曬試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)》執(zhí)行。被測(cè)試樣的背板為厚1.6 mm的夾板，試樣架45°，朝南。

1.2人工加速老化實(shí)驗(yàn)

人工加速老化測(cè)試按照ASTM G154《非金屬材料的紫外老化測(cè)試方法》執(zhí)行。實(shí)驗(yàn)設(shè)備為QUV/se型紫外加速老化試驗(yàn)機(jī)(美國(guó)Q-Panel公司制造)。該試驗(yàn)箱具有閉環(huán)反饋回路系統(tǒng)控制QUV，可設(shè)定并控制UV光輻照強(qiáng)度。試驗(yàn)使用UVA-340紫外燈管，光強(qiáng)峰值為343 nm，截止點(diǎn)為295 nm。

為了排除不同溫度對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響，測(cè)試溫度統(tǒng)一設(shè)定在50 ℃。

實(shí)驗(yàn)分別在三種不同的循環(huán)條件下測(cè)試：

條件1：4 h紫外光照射，4 h冷凝;UVA-340燈管的輻照點(diǎn)控制在0.83 W/(m2·nm) @340nm;整個(gè)測(cè)試循環(huán)溫度控制在50 ℃。本測(cè)試循環(huán)中紫外的輻照強(qiáng)度相當(dāng)于夏天正午的太陽(yáng)光照。

條件2：4 h紫外光照射，4 h冷凝;UVA-340燈管的輻照點(diǎn)控制在1.35 W/(m2·nm) @ 340 nm;整個(gè)測(cè)試循環(huán)溫度控制在50 ℃。條件2與條件1基本類(lèi)似，但輻照度更強(qiáng)。

條件3：4 h紫外光照射(100% 紫外輻照，無(wú)冷凝，無(wú)暗周期);UVA-340燈管的輻照點(diǎn)控制在1.35 W/(m2·nm) @ 340 nm;整個(gè)測(cè)試循環(huán)溫度控制在50 ℃。

2結(jié)果與討論

2.1環(huán)氧涂料

樣板為涂覆在鋼板上的高光灰色環(huán)氧涂料。

戶(hù)外自然曝曬在一開(kāi)始就表現(xiàn)出快速地失光和粉化，曝曬1 a后，樣板基本無(wú)光澤(見(jiàn)圖2)。此外，三個(gè)曝曬地點(diǎn)的樣品都出現(xiàn)銹蝕現(xiàn)象，在佛羅里達(dá)的樣板表面完全為銹斑所覆蓋，而在亞利桑那和克里夫蘭的樣板有部分銹蝕。

人工加速老化測(cè)試中，樣板很快失光，輻照強(qiáng)度越高，樣板失光越快(見(jiàn)圖3)。此外帶有冷凝循環(huán)時(shí)樣板易粉化，單純采用紫外輻照的則不易產(chǎn)生粉化。

光澤

從以上的數(shù)據(jù)可以看出，就環(huán)氧涂料的光澤和粉化的變化而言，帶有冷凝循環(huán)的人工加速老化實(shí)驗(yàn)結(jié)果和戶(hù)外自然曝曬的結(jié)果相關(guān)性較好。但由于ASTM G154標(biāo)準(zhǔn)要求測(cè)試采用純水，因此實(shí)驗(yàn)結(jié)果沒(méi)有產(chǎn)生戶(hù)外自然曝曬中出現(xiàn)的生銹現(xiàn)象。如果改為使用腐蝕性溶液可能更接近戶(hù)外自然曝曬，估計(jì)樣板會(huì)產(chǎn)生生銹現(xiàn)象。建議實(shí)際使用中，結(jié)合采用鹽霧/紫外人工老化測(cè)試以達(dá)到更接近自然的結(jié)果

2.2聚氨酯涂料

樣板采用涂覆在鋼底材上的高光灰色聚氨酯涂料。

戶(hù)外自然曝曬中佛羅里達(dá)和亞利桑那的光澤下降較快，俄亥俄州的光澤下降較慢(見(jiàn)圖4)。曝曬2 a后，所有樣板鋼底材全部裸露。三個(gè)戶(hù)外自然曝曬點(diǎn)的樣板都發(fā)生銹蝕現(xiàn)象。其中佛羅里達(dá)樣板的生銹面積達(dá)整個(gè)面積的20%，俄亥俄的樣板僅有幾個(gè)銹點(diǎn)，而亞利桑那樣板幾乎無(wú)銹蝕。

人工加速老化測(cè)試中帶有冷凝循環(huán)條件的測(cè)試的樣板失光較快，并伴有粉化現(xiàn)象(見(jiàn)圖5)。而單純采用紫外輻照條件的測(cè)試樣板失光速度較為緩慢且無(wú)粉化現(xiàn)象。

從以上的數(shù)據(jù)可以看出，就聚氨酯漆的光澤和粉化的變化而言，人工加速老化實(shí)驗(yàn)中帶有冷凝循環(huán)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果和戶(hù)外自然曝曬的結(jié)果相關(guān)性較佳。但根據(jù)ASTM G154標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行的人工加速老化實(shí)驗(yàn)不能模擬佛羅里達(dá)戶(hù)外自然曝曬引起的生銹現(xiàn)象。

2.3聚酯涂料

樣板為涂覆在鋁材上的中等光澤茶色聚酯卷材涂料。

戶(hù)外自然曝曬中樣板都出現(xiàn)了不同程度的失光，其中亞利桑那曝曬場(chǎng)的樣板失光速度最快，其次為佛羅里達(dá)和俄亥俄(見(jiàn)圖6)。曝曬2 a后，亞利桑那和佛羅里達(dá)曝曬點(diǎn)的樣板失光率較大，而俄亥俄曝曬點(diǎn)的樣板失光率較小。

人工加速老化實(shí)驗(yàn)的三個(gè)測(cè)試條件下樣品都有失光(見(jiàn)圖7)。其中以輻照度在1.35 W/(m2·nm) @340 nm，測(cè)試循環(huán)為4 h紫外輻照，4 h冷凝循環(huán)的條件2對(duì)樣板的失光最為明顯，其老化程度最嚴(yán)重。

從以上的數(shù)據(jù)可以看出，就聚酯涂料的失光和粉化而言，2 000 h人工加速老化的測(cè)試結(jié)果和佛羅里達(dá)及亞利桑那戶(hù)外自然曝曬兩年的結(jié)果接近。與俄亥俄兩年的結(jié)果相比，2 000 h人工試驗(yàn)的老化速率大于俄亥俄戶(hù)外自然曝曬2 a的結(jié)果。

所有四個(gè)涂料樣品測(cè)試中，采用符合ASTM G154 標(biāo)準(zhǔn)要求、配備UVA-340燈管的紫外加速老化試驗(yàn)機(jī)，所產(chǎn)生的老化結(jié)果和戶(hù)外自然曝曬的結(jié)果十分接近。其差異主要集中在無(wú)法模擬戶(hù)外自然曝曬中樣板產(chǎn)生的銹蝕。需要注意的是如果測(cè)試循環(huán)僅采用紫外曝曬，人工加速老化實(shí)驗(yàn)和戶(hù)外自然曝曬有較大差異，為了提高兩者的相關(guān)性，必須在人工老化的測(cè)試循環(huán)中加入冷凝循環(huán)。

此外需要指出的是相比UVB-313 燈管而言，UVA-340燈管不會(huì)產(chǎn)生非正常的黃變。對(duì)某些材料來(lái)說(shuō)，高輻照強(qiáng)度會(huì)加速材料的老化結(jié)果。實(shí)驗(yàn)中聚氨酯涂料樣品因提高輻照強(qiáng)度而產(chǎn)生更快老化。

實(shí)驗(yàn)方法3中，盡管UV的吸收劑量為其他方法的兩倍或兩倍以上，單純的紫外輻照循環(huán)材料的老化速度較慢。采用單純的紫外循環(huán)，實(shí)驗(yàn)中有一半的涂料樣品產(chǎn)生老化速度較慢的現(xiàn)象。所以，我們建議對(duì)所有戶(hù)外用材料的人工老化測(cè)試采用紫外和冷淋結(jié)合的測(cè)試循環(huán)。