戶外自然曝曬和紫外人工加速老化

摘 要：將不同類型的樣品分別在佛羅里達(dá)、亞利桑那及俄亥俄的曝曬場曝曬兩年時(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)室加速測試結(jié)果和戶外自然曝曬的測試結(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

長期以來，人工加速老化和自然老化測試結(jié)果間的相關(guān)性問題一直是業(yè)內(nèi)關(guān)注的熱點(diǎn)。一般來說，工業(yè)上要求快速地得出老化測試結(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)境更高的測試溫度、更短波長光源、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光譜中短波紫外光(<365 nm部分)， 見圖1所示。由于UVA-340紫外燈光源所模擬的太陽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試結(jié)果和戶外自然老化的相關(guān)性較好。為了驗(yàn)證這一點(diǎn)，我們針對戶外自然曝曬和使用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戶外自然曝曬實(shí)驗(yàn)

由于全球各地戶外自然曝曬的情況很不相同，為了準(zhǔn)確地評價(jià)實(shí)驗(yàn)，這里選擇了三種不同的典型氣候類型：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)和美國北方工業(yè)型氣候(俄亥俄州的克里夫蘭)。

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

1.2人工加速老化實(shí)驗(yàn)

人工加速老化測試按照ASTM G154《非金屬材料的紫外老化測試方法》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實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響，測試溫度統(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)測試循環(huán)溫度控制在50 ℃。本測試循環(huán)中紫外的輻照強(qiáng)度相當(dāng)于夏天正午的太陽光照。

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)測試循環(huán)溫度控制在50 ℃。條件2與條件1基本類似，但輻照度更強(qiáng)。

條件3：4 h紫外光照射(100% 紫外輻照，無冷凝，無暗周期);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。

戶外自然曝曬在一開始就表現(xiàn)出快速地失光和粉化，曝曬1 a后，樣板基本無光澤(見圖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。

人工加速老化測試中，樣板很快失光，輻照強(qiáng)度越高，樣板失光越快(見圖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)要求測試采用純水，因此實(shí)驗(yàn)結(jié)果沒有產(chǎn)生戶外自然曝曬中出現(xiàn)的生銹現(xiàn)象。如果改為使用腐蝕性溶液可能更接近戶外自然曝曬，估計(jì)樣板會產(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(見圖4)。曝曬2 a后，所有樣板鋼底材全部裸露。三個(gè)戶外自然曝曬點(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銹蝕。

人工加速老化測試中帶有冷凝循環(huán)條件的測試的樣板失光較快，并伴有粉化現(xiàn)象(見圖5)。而單純采用紫外輻照條件的測試樣板失光速度較為緩慢且無粉化現(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的樣板失光速度最快，其次為佛羅里達(dá)和俄亥俄(見圖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)測試條件下樣品都有失光(見圖7)。其中以輻照度在1.35 W/(m2·nm) @340 nm，測試循環(huán)為4 h紫外輻照，4 h冷凝循環(huán)的條件2對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人工加速老化的測試結(jié)果和佛羅里達(dá)及亞利桑那戶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外自然曝曬2 a的結(jié)果。

所有四個(gè)涂料樣品測試中，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)果和戶外自然曝曬的結(jié)果十分接近。其差異主要集中在無法模擬戶外自然曝曬中樣板產(chǎn)生的銹蝕。需要注意的是如果測試循環(huán)僅采用紫外曝曬，人工加速老化實(shí)驗(yàn)和戶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燈管不會產(chǎn)生非正常的黃變。對某些材料來說，高輻照強(qiáng)度會加速材料的老化結(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，我們建議對所有戶外用材料的人工老化測試采用紫外和冷淋結(jié)合的測試循環(huán)。