汽車原始設(shè)備制造商、涂層材料供應(yīng)商和老化專家聯(lián)合進(jìn)行了一系列研究，旨在改進(jìn)老化測試協(xié)議。經(jīng)過十年的研究，結(jié)果是新發(fā)布的ASTM測試標(biāo)準(zhǔn)D7869，該標(biāo)準(zhǔn)已被證明為各種汽車和航空航天涂層技術(shù)中出現(xiàn)的幾種失效機(jī)制提供了與佛羅里達(dá)戶外測試結(jié)果非常好的相關(guān)性。這種新方法驗證了加速測試可以準(zhǔn)確復(fù)制室外氣候影響的想法，但通往這一結(jié)果的漫長道路表明，與自然環(huán)境相關(guān)聯(lián)從來都不是一個簡單的命題。
本文討論的研究集中在四個方面:
1.汽車工業(yè)中的氙弧方法是專門為在一個制造商的兩種型號中運(yùn)行而編寫的。認(rèn)識到這種方法扼殺了創(chuàng)新，并且這些車型在市場上的停產(chǎn)引發(fā)了對新車型測試再現(xiàn)性的質(zhì)疑，克萊斯勒在汽車工程師協(xié)會(SAE)的領(lǐng)導(dǎo)下努力實施基于性能的測試標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)允許使用符合規(guī)定測試條件的任何試驗箱設(shè)計。
2.福特研究了自然陽光和常用氙弧濾光器之間的光譜不匹配的作用，以及它們在加速老化測試中對準(zhǔn)確再現(xiàn)光氧化的影響。一種新的過濾器在氙弧室工業(yè)中實施，并且是ASTM D7869所要求的。
3.汽車涂料材料供應(yīng)商BASF和Bayer以及Q-Lab聯(lián)合研究了佛羅里達(dá)室外環(huán)境和氙弧試驗箱中水分的重要性。顯而易見，現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)在模擬室外吸濕方面表現(xiàn)不佳。
4.福特再次介入，擴(kuò)大了對水分的研究，并使用早期開發(fā)的新濾光片，為氙弧測試儀創(chuàng)建了一個新的測試周期，該測試周期準(zhǔn)確地再現(xiàn)了所有由老化引起的退化機(jī)制。新的循環(huán)結(jié)合了普通熒光紫外標(biāo)準(zhǔn)的濕氣暴露和以前氙弧標(biāo)準(zhǔn)中常見的快速循環(huán)的新組合。
在回顧以前的工作時，本文將探討21世紀(jì)初老化科學(xué)的狀態(tài)，以及在通向新的突破性試驗方法的漫長道路上所克服的技術(shù)和組織挑戰(zhàn)。
在20世紀(jì)70年代，大多數(shù)汽車涂料通過碳弧或熒光UVB燈技術(shù)進(jìn)行實驗室氣候測試。雖然這些光源不能提供與太陽光紫外線部分的精確匹配，但測試提供了當(dāng)時在汽車行業(yè)占主導(dǎo)地位的涂層技術(shù)與室外氣候的良好相關(guān)性。然而，20世紀(jì)80年代涂層技術(shù)的變化要求與陽光有更好的光譜匹配。
結(jié)果，碳弧測試被氙弧測試取代，UVA-340燈被開發(fā)用于熒光紫外試驗箱。1989年，美國汽車工程師學(xué)會(SAE)發(fā)布了汽車行業(yè)氙弧老化的首個國際標(biāo)準(zhǔn)，分別為內(nèi)部和外部材料的J1885和J1960。這些測試標(biāo)準(zhǔn)是為兩個特定的水冷氙弧試驗箱模型編寫的，這兩個模型設(shè)計有一個垂直燈和旋轉(zhuǎn)樣品架。雖然氙氣測試標(biāo)準(zhǔn)開始主導(dǎo)汽車認(rèn)證協(xié)議，但熒光紫外測試儀在進(jìn)行研發(fā)或一般質(zhì)量控制的實驗室中激增，在這些實驗室中，UVA和更老的UVB技術(shù)都被采用，并且直到今天仍然如此。
早期的氙弧試驗雖然比早期的碳弧試驗有了很大的改進(jìn)，但在預(yù)測長期耐久性方面作用有限。盡管使用這些早期SAE標(biāo)準(zhǔn)的測試結(jié)果通常與佛羅里達(dá)戶外的顏色和光澤損失結(jié)果相關(guān)良好，但對于許多重要的退化模式，例如昂貴的分層問題，它們并不相關(guān)良好。正因為如此，用這些實驗室方法預(yù)測真實世界性能的嘗試經(jīng)常失敗。簡而言之，這些基于硬件的測試標(biāo)準(zhǔn)的結(jié)果與室外測試結(jié)果或一些不滿意的客戶的體驗沒有很好的關(guān)聯(lián)。
氙弧老化技術(shù)顯示出巨大的前景，因為它具有精確再現(xiàn)陽光的潛力，但第一個SAE標(biāo)準(zhǔn)的一個后果是技術(shù)創(chuàng)新被扼殺，使得很難改善實驗室和室外老化之間的相關(guān)性。特定于硬件的標(biāo)準(zhǔn)為技術(shù)進(jìn)步制造了市場障礙。試驗箱設(shè)計缺乏多樣性意味著現(xiàn)狀基本上沒有受到挑戰(zhàn)。室外和實驗室氣候試驗之間的不良相關(guān)性因此被標(biāo)準(zhǔn)制度化。
認(rèn)識到這種方法阻礙了創(chuàng)新，以克萊斯勒為首的一些原始設(shè)備制造商和涂料供應(yīng)商創(chuàng)造了一種新的“基于性能”的方法，通過發(fā)布SAE標(biāo)準(zhǔn)J2412和J25271打破了創(chuàng)新僵局。基于性能的標(biāo)準(zhǔn)依賴于對測試環(huán)境條件的全面技術(shù)描述，而不是指定特定的設(shè)備和列出所需的設(shè)置。環(huán)境條件是任何基于性能的標(biāo)準(zhǔn)的支柱，編寫這些環(huán)境條件的技術(shù)描述比特定于硬件的方法更困難。
對這些SAE標(biāo)準(zhǔn)的爭議集中在平面陣列、空氣冷卻氙弧試驗箱的使用上。舊標(biāo)準(zhǔn)要求使用旋轉(zhuǎn)架室，該旋轉(zhuǎn)架室具有氙燈的水冷卻功能，一些業(yè)內(nèi)人士擔(dān)心平面陣列室會產(chǎn)生與旋轉(zhuǎn)架設(shè)計不同的結(jié)果。業(yè)內(nèi)的其他人想知道新設(shè)計的旋轉(zhuǎn)架測試儀是否能提供與其前輩相同的結(jié)果。
為了提供一種客觀且科學(xué)有效的方法來確定市場上可用的不同模型產(chǎn)生了與這些特定標(biāo)準(zhǔn)相似的結(jié)果，SAE標(biāo)準(zhǔn)J2413被開發(fā)出來。該標(biāo)準(zhǔn)要求試驗箱必須證明符合規(guī)定的試驗條件、重復(fù)性、再現(xiàn)性以及標(biāo)準(zhǔn)參考材料在一定范圍內(nèi)的降解，并且在試驗箱內(nèi)具有可接受的均勻性水平?？芍貜?fù)性是指在一個室內(nèi)的多次測試中獲得相似的結(jié)果，而再現(xiàn)性是指在多個室內(nèi)獲得相似的結(jié)果。
為了解決有關(guān)室內(nèi)一致性的問題，Q-Lab邀請了由BASF和ACT Laboratories運(yùn)營的ISO 17025認(rèn)證實驗室的參與，進(jìn)行了有史以來關(guān)于該主題的最大規(guī)模的研究。目標(biāo)是比較各種標(biāo)準(zhǔn)參考和其他常見汽車材料的降解均勻性。三個不同的旋轉(zhuǎn)架氙弧模型和一個平面陣列模型是研究的一部分。為了便于說明，這兩種配置的示意圖復(fù)制自圖1中的原始研究。
旋轉(zhuǎn)架設(shè)計的主要優(yōu)點(diǎn)是樣品可以圍繞光源自動旋轉(zhuǎn)，有效地消除了左右條件的可變性。然而，這種設(shè)計并沒有消除從上到下可能存在的可變性。如下所述，最新氙弧標(biāo)準(zhǔn)建議在旋轉(zhuǎn)試管架室的垂直方向上重新定位樣品。在平面陣列測試儀(也稱為靜態(tài)陣列測試儀)中，應(yīng)手動重新定位樣品，以減少曝光區(qū)域不均勻性的影響。在發(fā)表的研究中，平面陣列裝置中的測試在有和沒有樣本重新定位的情況下進(jìn)行。
表1中的研究結(jié)果表明，平面陣列和旋轉(zhuǎn)氙燈試驗箱的一致性相似。正如預(yù)期的那樣，在平面陣列測試儀中手動重新定位樣品提高了均勻性。有趣的是，即使沒有重新定位，在某些情況下，平面陣列的均勻性也優(yōu)于旋轉(zhuǎn)機(jī)架的均勻性。這項研究指出，結(jié)果包括測量和材料的可變性。
預(yù)計到SAE J2412和J2527的發(fā)布，克萊斯勒試圖使用J2413協(xié)議來比較平面陣列測試儀、Q-Lab的Q-SUN Xe-3-HS和Atlas Ci65A的結(jié)果，Atlas Ci65A是舊SAE標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的兩個旋轉(zhuǎn)齒條試驗箱之一。它為這項研究選擇了37種汽車外部級材料和參考材料，并選擇了BASF的密歇根州Southfield實驗室進(jìn)行測試。
第一輪測試發(fā)現(xiàn)了平面陣列和旋轉(zhuǎn)支架測試器之間的一些退化差異，特別是在一些塑料樣品中。對原因的調(diào)查揭示了一些細(xì)微的設(shè)計差異，而這些差異在基于性能的標(biāo)準(zhǔn)中并沒有體現(xiàn)出來。首先，平面陣列測試器使用陽極氧化鋁黑色面板溫度計，而旋轉(zhuǎn)支架測試器使用涂漆不銹鋼制成。盡管最終溫度讀數(shù)非常相似，但每個傳感器的響應(yīng)速度卻有顯著差異。與涂漆鋼板相比，當(dāng)使用鋁黑面板時，塑料材料在測試循環(huán)的過渡期間達(dá)到更高的溫度。此外，標(biāo)準(zhǔn)中沒有規(guī)定相對于氣流的試驗箱空氣溫度傳感器的位置，但這被證明是影響樣品溫度和降解結(jié)果的一個非常重要的因素。
最后，平面陣列測試器比旋轉(zhuǎn)架輸送了更多的水。這是因為旋轉(zhuǎn)架具有一組噴嘴，在架的每次旋轉(zhuǎn)過程中，這些噴嘴噴射樣品幾秒鐘。平面陣列被編程為每分鐘噴射20秒，這導(dǎo)致更多的水被輸送到樣本。這一事實在創(chuàng)建最新氙弧老化標(biāo)準(zhǔn)的研究中被證明是至關(guān)重要的。
在對平面陣列進(jìn)行一些設(shè)計修改后，包括將噴射時間減少到每分鐘5秒，進(jìn)行了第二輪測試。從第一輪中選擇樣本，包括在兩個測試器中表現(xiàn)出差異的所有樣本，在兩個測試器中獲得非常相似結(jié)果的一些樣本，以及已知對熱或濕氣敏感的新樣本。這一輪顯示了兩個測試者之間很好的相關(guān)性。這證明了平面陣列測試儀可以產(chǎn)生與旋轉(zhuǎn)架測試儀非常相似的結(jié)果，并且基于性能的標(biāo)準(zhǔn)的實施不需要犧牲測試結(jié)果的再現(xiàn)性。
這些第一批基于性能的汽車標(biāo)準(zhǔn)在新舊時代都根深蒂固。測試周期保持不變，結(jié)果預(yù)計與舊標(biāo)準(zhǔn)下運(yùn)行的測試相似。Chrysler論文的作者指出，該項目的目標(biāo)是讓平面陣列測試儀實現(xiàn)與旋轉(zhuǎn)支架測試儀相同的退化，但不一定與室外氣候相匹配。這是基于硬件的標(biāo)準(zhǔn)時代的延續(xù)。
新的基于性能的標(biāo)準(zhǔn)的重要性在于，氣候試驗箱的用戶可以自由選擇最適合其特定需求的設(shè)計，并且行業(yè)對新方法持開放態(tài)度。然而，這些標(biāo)準(zhǔn)并沒有解決室外老化相關(guān)性的挑戰(zhàn)。氙弧老化室的供應(yīng)商被迫妥協(xié)他們的設(shè)計，以便測試結(jié)果與舊方法相當(dāng)。這些折衷包括使用不能產(chǎn)生與太陽光光譜較佳匹配的濾光器。
大約在同一時間，克萊斯勒和其他SAE參與者正在創(chuàng)建新的基于性能的標(biāo)準(zhǔn)，福特正在研究提高氙弧老化暴露和室外老化之間的相關(guān)性。它進(jìn)行了研究，檢查了不同氙弧濾光器系統(tǒng)的光譜截止波長對光氧化率的影響，并與南佛羅里達(dá)暴露進(jìn)行了比較。研究表明，在截止波長處，即使很小的光譜不匹配也會在光氧化中產(chǎn)生顯著的差異，從而導(dǎo)致錯誤的測試結(jié)果。
福特和其他公司的研究人員使用指紋技術(shù)檢查光聲傅里葉變換紅外(PAS-FTIR)光譜的數(shù)據(jù)。他們首先確定了紅外光譜中–OH和–NH區(qū)域的四個峰，這四個峰由于老化作用而移動。這些峰值分別被稱為a、b、c和d。計算峰a與峰b的高度之比，即c與d之比。這些比率是相互對照繪制的。其結(jié)果是一條具有給定斜率的線，代表了老化降解反應(yīng)的平衡?？梢詫⑷魏谓o定的加速試驗產(chǎn)生的斜率與室外暴露產(chǎn)生的斜率進(jìn)行比較，該斜率可以稱為暴露的光氧化指紋。這兩個指紋越接近，重現(xiàn)光氧化的加速試驗就越準(zhǔn)確。
汽車行業(yè)常用的氙弧光學(xué)濾光器系統(tǒng)有石英/硼、擴(kuò)展UV - Q/B、硼/硼或日光–B/B等名稱。前兩種系統(tǒng)允許的波長比自然陽光短得多。后兩者傳輸?shù)牟ㄩL也比自然陽光短，但不匹配不太嚴(yán)重。福特的一些早期工作證明了低于自然陽光截止波長的短波長紫外線能量的存在如何導(dǎo)致不切實際的光氧化，這可能產(chǎn)生誤導(dǎo)性的測試結(jié)果。假陽性或假陰性可能是由舊的基于硬件的氙標(biāo)準(zhǔn)及其隨后的基于性能的重寫中固有的光譜不匹配問題造成的。
圖2顯示了一些早期工作的結(jié)果。菲涅爾陽光集中器使用自然陽光和鏡子來產(chǎn)生高輻照度曝光。因為它使用的是自然陽光，所以與真實的室外環(huán)境的光譜不匹配可以忽略不計。這種特殊的光源產(chǎn)生了一個很好的指紋匹配自然南佛羅里達(dá)曝光。還顯示了其他常見光源，包括SAE氙弧標(biāo)準(zhǔn)中使用的光源。
福特研究了市場上其他常見的“日光”濾光器，其中一些比日光B/B (boro/boro)更符合自然日光截止。因為來自這些過濾器的光氧化指紋不能提供足夠接近的匹配，福特尋求一種改進(jìn)的光學(xué)過濾器。
3M公司將一種光學(xué)過濾器帶入了主流，這是一個很好的選擇。盡管這種類型在老化工業(yè)中是新出現(xiàn)的，但它已經(jīng)在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中用于測試藥物化合物對日光誘導(dǎo)的紅斑的作用。福特使用這種濾光片進(jìn)行了測試，發(fā)現(xiàn)它的光氧化指紋與南佛羅里達(dá)的結(jié)果更匹配。參見圖3和圖4。
汽車工業(yè)中基于性能的氙弧試驗方法新時代的早期成功是ASTM D7356的出版，使用氙弧曝光裝置加速汽車清漆酸性腐蝕老化的標(biāo)準(zhǔn)試驗方法。根據(jù)BASF和Q-Lab進(jìn)行的研究，該測試?yán)眯碌钠矫骊嚵袦y試儀來重現(xiàn)汽車透明涂層在佛羅里達(dá)州杰克遜維爾的酸雨環(huán)境中暴露一個夏天時發(fā)生的酸蝕刻4。一個Q-SUN Xe-3-HS模型被修改為包括一個二次噴射系統(tǒng)，以將稀酸溶液輸送到樣品。平面陣列設(shè)計對這項研究很重要，因為它允許稀酸溶液緩慢干燥成濃縮的液滴，從而降解透明涂層。巴斯夫觀察到，該領(lǐng)域的酸腐蝕故障幾乎只發(fā)生在水平表面，如發(fā)動機(jī)罩和行李箱，很少發(fā)生在垂直表面，如門和擋泥板，因此平面陣列測試儀，稍加修改后具有水平樣品表面，是在實驗室重現(xiàn)酸腐蝕的合理選擇。這種新方法在幾百個小時內(nèi)模擬了杰克遜維爾暴露的季節(jié)，對于需要實驗室方法來加快產(chǎn)品開發(fā)并降低現(xiàn)場故障和客戶不滿風(fēng)險的供應(yīng)商來說，這是一個突破。
雖然這項研究集中在一個特定的故障機(jī)制，該項目是一個更好的加速老化測試發(fā)展的墊腳石。從組織的角度來看，該項目延續(xù)了克萊斯勒研究期間開始的一些工作關(guān)系，并延續(xù)到后來的研究中。該項目還吸引了更多的研究伙伴。從技術(shù)角度來看，測試周期的開發(fā)需要仔細(xì)分析發(fā)生降解的濕度環(huán)境，見表2。在隨后的研究中復(fù)制了將室外潮濕環(huán)境轉(zhuǎn)化為氙弧試驗箱條件的方法，并將開發(fā)的試驗循環(huán)要素納入改進(jìn)的一般老化循環(huán)中。見表3。特別是，在最初應(yīng)用酸溶液后，該循環(huán)開始于一段延長的黑暗期。
在酸性蝕刻項目接近尾聲時，巴斯夫與拜耳合作，對室外濕度進(jìn)行研究。拜耳公司在佛羅里達(dá)州杰克遜維爾的布朗特島擁有一個老化暴露場所。汽車涂料行業(yè)的兩家供應(yīng)商想要確定涂層在佛羅里達(dá)環(huán)境中吸收了多少水分，導(dǎo)致水分吸收的條件，以及SAE標(biāo)準(zhǔn)(舊J1960和新J2527)是否重復(fù)了這些機(jī)制。理論上，SAE標(biāo)準(zhǔn)沒有準(zhǔn)確模擬室外濕度，這就是為什么有時在佛羅里達(dá)室外結(jié)果和現(xiàn)場報告中看到的氣泡、分層和開裂沒有在氙弧試驗中重現(xiàn)的原因。
Q-Lab在20世紀(jì)70年代進(jìn)行了類似的濕潤時間(TOW)研究。這些研究建立在20世紀(jì)60年代Q-Lab和克利夫蘭涂料協(xié)會開發(fā)的克利夫蘭冷凝測試儀(QCT)的基礎(chǔ)上。這些研究表明，在佛羅里達(dá)環(huán)境中，油漆過的面板在超過50%的時間里表面保持液態(tài)水。此外，潮濕的主要原因是露水的形成，而不是下雨。最初的QUV加速老化測試儀是作為QCT的擴(kuò)展而設(shè)計的。熒光紫外老化室的冷凝功能是該技術(shù)在20世紀(jì)70年代和80年代被涂料行業(yè)廣泛采用的主要原因。在21世紀(jì)的第一個十年中，氙弧測試的大部分進(jìn)展都是由于追求實現(xiàn)與熒光紫外測試儀相似的濕度性能。
巴斯夫和拜耳的研究發(fā)表為“汽車OEM涂層加速老化的缺陷”，通過開發(fā)測量涂層吸水質(zhì)量的技術(shù)，進(jìn)一步發(fā)展了這兩項研究。此外，研究人員能夠?qū)⑺奈蘸歪尫排c環(huán)境溫度、相對濕度和降雨量相關(guān)聯(lián)。這是通過使用記錄面板質(zhì)量隨時間變化的測壓元件來實現(xiàn)的。他們確定SAE循環(huán)導(dǎo)致的水分吸收明顯少于佛羅里達(dá)環(huán)境。研究人員還指出了與周期3有關(guān)的其他缺陷，如表4所示，并強(qiáng)調(diào)了吸水?dāng)?shù)據(jù)。平均而言，SAE循環(huán)產(chǎn)生的水量約為佛羅里達(dá)潮濕天氣的五分之一。汽車涂層中可能的最大吸濕量可以通過浸泡試驗(延長浸泡)或標(biāo)準(zhǔn)冷凝暴露(QCT)來確定。
值得注意的是，這種冷凝暴露是熒光紫外線老化裝置和相關(guān)測試標(biāo)準(zhǔn)的標(biāo)準(zhǔn)特征。圖5顯示了典型汽車涂層系統(tǒng)中可能的最大吸水量與SAE J2527/J1960中達(dá)到的吸水量的對比。額外的測試表明，這種最大吸收量可以通過在旋轉(zhuǎn)支架測試器中延長噴水周期來復(fù)制，并且在平面陣列測試器中相對容易實現(xiàn)。接下來的一系列測試旨在展示如何在佛羅里達(dá)環(huán)境中實現(xiàn)相似的吸收。參見圖6。
巴斯夫、拜耳和Q-Lab的研究聯(lián)盟需要OEM的支持和領(lǐng)導(dǎo)，以推動汽車涂層的耐候性測試超越有缺陷的SAE標(biāo)準(zhǔn)?？巳R斯勒在推動行業(yè)向基于性能的標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展方面發(fā)揮了重要的領(lǐng)導(dǎo)作用，但它正在經(jīng)歷組織變革，這阻礙了它積極參與下一階段的研究。福特公司曾致力于為氙弧老化室開發(fā)一種改進(jìn)的濾光器，并介入提供領(lǐng)導(dǎo)。
議程上的第一項是通過創(chuàng)建一個將涂層中的水分吸收與天氣條件相關(guān)聯(lián)的模型，并將其應(yīng)用于氙弧老化室，將水分研究向前推進(jìn)了一步。該模型將為該計劃的后續(xù)步驟提供信息。這一階段研究的目標(biāo)是確定這些房間能夠輸送多少水分，然后開發(fā)測試周期，實現(xiàn)與佛羅里達(dá)州面板相當(dāng)?shù)乃治铡?/p>
在平面陣列測試儀中測量供水量非常簡單。一個帶有量杯的特殊樣品托盤可以直接捕捉水噴霧。然而，這種技術(shù)在旋轉(zhuǎn)臺架試驗中是無效的。在嘗試了幾種方法來測量旋轉(zhuǎn)架氙弧測試儀中水輸送的數(shù)量和均勻性后，發(fā)現(xiàn)在兩種類型的試驗箱中使用海綿都是有效的，如新ASTM D7869中所規(guī)定的。
這些研究的一些主要結(jié)論如下:
1.每分鐘的噴涂時間需要在平面陣列測試器中增加，以實現(xiàn)涂層中類似于佛羅里達(dá)測試結(jié)果的水分吸收。噴涂時間以前已經(jīng)大大減少，以達(dá)到與運(yùn)行舊SAE標(biāo)準(zhǔn)的旋轉(zhuǎn)架結(jié)果相匹配的結(jié)果。
2.旋轉(zhuǎn)架有可能在涂層中獲得與佛羅里達(dá)結(jié)果相似的水分吸收。這需要在循環(huán)開始時沒有輻照的長時間噴霧步驟。
3.由于吸水的重要性，氙弧測試儀中噴水系統(tǒng)的校準(zhǔn)方法需要包括在未來的涂層標(biāo)準(zhǔn)中。
4.使用標(biāo)準(zhǔn)化海綿是在氙弧老化室中校準(zhǔn)噴水系統(tǒng)的最有效方法
5.噴水的不均勻性和其他因素使得樣品必須在旋轉(zhuǎn)架室中重新定位，這是未來測試標(biāo)準(zhǔn)的要求。在大多數(shù)標(biāo)準(zhǔn)中，樣品在平面陣列測試儀中的重新定位已經(jīng)是一項要求。
6.包括帶有輻照度的噴水步驟會造成涂層不切實際的退化，因此應(yīng)該避免。
然后，福特監(jiān)督了一系列循環(huán)測試，以創(chuàng)建一個有效的測試周期。在這個漫長的項目階段，加入研究團(tuán)隊的有本田、阿特拉斯和波音，本田曾獨(dú)立地做過類似的工作。這些公司的加入對于這項研究產(chǎn)生的任何測試標(biāo)準(zhǔn)獲得廣泛的行業(yè)支持非常重要。波音公司還將不同的涂層技術(shù)引入該項目，將范圍擴(kuò)大到汽車工業(yè)之外。
樣本集包括106種組合，包括:
多種顏色:黑色、白色、藍(lán)色、紅色
水性和溶劑型底漆
溶劑型透明涂層
不同的分層系統(tǒng)
有和沒有穩(wěn)定器的系統(tǒng)
許多涂層系統(tǒng)是專門為揭示某些失效模式而配制的。其他配方含有穩(wěn)定劑，因此預(yù)計不會出現(xiàn)故障模式。該設(shè)計的目的是評估加速老化試驗循環(huán)的假陽性和假陰性結(jié)果。表5顯示了樣本集的代表性樣本來說明這一點(diǎn)。
為了評估這些涂層，研究人員綜合運(yùn)用了視覺和分析技術(shù)。顏色和光澤讀數(shù)，由儀器進(jìn)行，伴隨著視覺評估，以尋找物理缺陷。與早期的福特研究一樣，PAS-FTIR用于測量光氧化。為了測量紫外吸收劑在某些涂料體系中的遷移，使用了紫外顯微光譜。這項測試需要從面板上沖壓出一個1厘米的圓盤，并執(zhí)行一個艱苦的程序來隔離涂層膜以進(jìn)行測量。
所有標(biāo)本都在南佛羅里達(dá)的一個試驗場暴露了至少兩年。汽車面板每6個月返回同一實驗室進(jìn)行評估。每3個月評估一次航空航天涂層的顏色和光澤。
加速測試在Atlas Ci4000和Ci5000旋轉(zhuǎn)架氙弧測試室和Q-Lab的平面陣列Q-SUN Xe-3-HS中進(jìn)行。研究中總共使用了6個旋轉(zhuǎn)支架和4個平面陣列試驗箱。此外，根據(jù)SAE J1960/J2527，在Ci35中測試了一些樣品。對曝光進(jìn)行定時，以在340 nm下達(dá)到最小3000 kJ/m2。
最初的SAE方法在預(yù)測許多涂層的顏色和光澤損失方面顯示了可接受的準(zhǔn)確性。該循環(huán)中的缺陷導(dǎo)致其不能再現(xiàn)光氧化、開裂、起泡和分層。因此，這項研究主要集中在這些領(lǐng)域。如上所述，早期的Ford工作已經(jīng)確定了氙弧老化室中常用的濾光器和陽光之間的光譜失配是老化循環(huán)期間光氧化不準(zhǔn)確再現(xiàn)的主要原因。如上所述，開發(fā)了一種改進(jìn)的濾光器用于老化應(yīng)用，并在本研究中使用。
圖7、8和9顯示了佛羅里達(dá)州典型日的濕度和輻照度循環(huán)、舊的SAE循環(huán)和ASTM D7869公布的新循環(huán)的示意圖。這個新循環(huán)代表了實驗室老化循環(huán)中兩種常用方法的混合。在熒光紫外測試器(如QUV氣候試驗箱)中，長時間的潮濕和光照交替是很常見的，因為該技術(shù)起源于涂層起泡的冷凝測試器?？焖傺h(huán)旨在將室內(nèi)典型的每日暴露壓縮到幾個小時內(nèi)，這是許多氙試驗循環(huán)的共同特征，包括最初的SAE循環(huán)。
在這項研究中，12小時的噴水黑暗步驟，然后12小時的無噴水輻照能夠在佛羅里達(dá)暴露后表現(xiàn)出這些失效模式的涂層中產(chǎn)生起泡和分層。這一結(jié)果證明了在實驗室中重現(xiàn)水分吸收的重要性。該循環(huán)不能在戶外試驗中經(jīng)歷這種失效模式的涂層中重現(xiàn)裂紋。在福特的這些后續(xù)研究中，研究人員采用了詳盡的迭代方法，調(diào)整了長時間噴涂和輻照循環(huán)以及快速光/暗/噴涂/溫度循環(huán)的周期，以優(yōu)化所有涂層類型的所有失效模式的相關(guān)性。這些實驗持續(xù)了幾年。ASTM D7869公布的最終周期如表6所示
新的循環(huán)顯示出與南佛羅里達(dá)戶外測試結(jié)果的良好相關(guān)性，測試了所有降解模式和所有涂層系統(tǒng)。第一次，一次曝光就正確預(yù)測了顏色和光澤喪失、起泡、開裂、附著力喪失和光氧化的戶外結(jié)果。另一種降解模式，即紫外線吸收劑的消耗，在新的周期中得到了很好的再現(xiàn)，但沒有以與化學(xué)降解相同的速度發(fā)生。
一個非常有趣的發(fā)現(xiàn)是“溫度和干濕循環(huán)的頻率也與佛羅里達(dá)的暴露程度成比例?！币粋€典型的佛羅里達(dá)日導(dǎo)致8.4千焦暴露在340納米的輻射中。最初的SAE循環(huán)(J1960/J2527)導(dǎo)致每個應(yīng)力循環(huán)3.9 kJ。新方案的結(jié)果是每個應(yīng)激循環(huán)9.9千焦，比SAE循環(huán)更接近自然條件。換句話說，在降解涂層的自然老化因素的整體模擬方面，新循環(huán)優(yōu)于SAE J2527。
新協(xié)議不僅能更好地模擬自然氣候，而且速度更快。如果是基于輻射劑量的測試，兩個測試差不多。然而，從時間上看，新協(xié)議比J2527快40%。這是因為新周期比舊周期使用更高的輻照度，并且輻照度的總持續(xù)時間比以前稍長。
然而，新的測試并沒有提供一個通用的加速系數(shù)，也就是通常被老化專家稱為“神奇數(shù)字”的系數(shù)本研究中計算了加速因子。對于汽車涂料，它們的范圍從8到16。換句話說，一個月的新協(xié)議測試相當(dāng)于南佛羅里達(dá)8到16個月的戶外測試。對于通常沒有透明涂層的航空涂層，加速系數(shù)要小得多，大約為3到4。對于不了解材料室外性能的人來說，使用這種方案時，假設(shè)加速系數(shù)會有很大的誤差空間。戶外測試的需求仍有待消除。
實驗室加速老化的技術(shù)水平已經(jīng)得到了發(fā)展。對于多種涂層系統(tǒng)及其所有關(guān)鍵失效模式，單次實驗室暴露首次能夠與室外暴露精確關(guān)聯(lián)。新協(xié)議比它的前身更好更快。
實現(xiàn)這一結(jié)果所需的技術(shù)突破包括:
l為氙弧老化室開發(fā)了一種新的濾光器，可以更好地匹配太陽光。
l精確測量涂層的室外吸水量和氙弧老化設(shè)備的水分釋放量的方法
l傳統(tǒng)熒光紫外和氙弧測試循環(huán)強(qiáng)度的新型組合。熒光紫外測試通常在長時間黑暗潮濕循環(huán)和長時間紫外循環(huán)之間交替進(jìn)行，輻照度比最大陽光略高。氙測試通常包括在潮濕和干燥條件下的快速循環(huán)，并在比最大陽光略低的輻照度下運(yùn)行。新的氙弧協(xié)議包括在高輻照度下交替進(jìn)行濕循環(huán)和光循環(huán)，以及快速循環(huán)以產(chǎn)生熱應(yīng)力。
與本文關(guān)聯(lián)的產(chǎn)品:
