涂料的人工氣候加速老化試驗

李江江　丁立群　劉尚斌　王慧翠

[摘要]為評價涂料產品的耐老化性能，有兩種試驗方法：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的老化設備在實驗室模擬自然條件的某些老化因素進行的老化試驗。本文通過對一些常用涂料產品進行人工氣候加速老化試驗，通過改變光照、溫度、濕度以及漆膜厚度等影響因素，進而對涂料的老化性能進行比較評價。

[關鍵詞]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、化學性能和機械性能發生改變，使之出現不可逆轉的劣化，并最終導致涂層的破壞和失效，通常將這種現象稱為涂料的老化。由于涂料大都在自然氣候中使用，如建筑，橋梁，汽車涂料等，都會在自然氣候中受到日光，風雨霜雪露及各種化工氣體等因素的綜合作用而使涂料發生老化破壞。因此涂料的耐候性是涂料的一項重要的物理性能，這項性能不僅決定了該涂料的使用壽命，而且同時也影響其美觀，裝飾的特性。涂料的耐候性試驗都是采用大氣暴曬的方法，即將準備完成的試樣置于經有關部門認可的大氣暴曬試驗場所，并放置在一定的試樣架上，在自然狀態中放置115年，期間定期對試樣進行檢查評級，檢查評級內容一般包括失光、色差、起泡、生銹等項目。

一、涂料耐候性測試方法

（一）自然暴曬法

自然暴曬法即將所制備是涂料放置在國家認可的暴曬場地進行日光的暴曬，該方法在測試涂料耐候性方面，涂料的老化狀態與實際使用狀態非常接近，模擬性非常好。但是其缺點也非常的明顯，該方法的試驗周期過長，檢查評級的工作量非常繁重，往往會出現這種情況：一種新開發的涂料，其大氣暴曬試驗尚未結束，而市場上此類的產品卻即將淘汰，這對涂料的使用和研發工作帶來極大的困難和損失。

（二）人工加速老化試驗

人工加速老化試驗是為了彌補自然暴曬試驗周期過長的缺點，人們在進行大量的自然大氣暴曬試驗得出的數據和結果基礎上，綜合分析氣候與圖層的破壞之間的因果關系后，制定出人工加速老化試驗的試驗方法和研制生產了相應的試驗設備，在實驗室內利用人造小氣候環境來模擬自然條件下老化狀態。而這種模擬狀態影響老化的物理、化學因素的強度是自然大氣狀態下的數倍，甚至是數十倍，從而達到加速涂層老化，大大縮短了老化試驗的時間。但是在試驗的過程中，氣候模擬畢竟是與真實環境存在一定差距，也導致試驗結果偶爾會出現較大甚至相反的誤差。

二、人工氣候加速老化試驗的影響因素

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

（一）光源

人工加速老化試驗的光源是在人工條件下模擬自然光源對涂料樣板進行照射，它在涂料的老化試驗中起著非常重要的角色。由于不同的光源在能量和波長分布上的差異比較大，所以在進行涂料老化試驗時，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際使用中使涂層發生老化的重要因素。圖1使在我國海南夏季正午時分測得的太陽的光譜圖（w nm圖），該地區是我國認可的具備大氣暴曬試驗的場地之一。

通過查閱相關資料我們知道，自然光光譜可以分為紫外線區、可見光區和紅外線區三個區域，其波長和能量的分布如下表1：

從以上數據中也可以發現，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都是在紫外線的照射下發生了分子鏈的斷裂，化學鍵的斷裂等現象。高分子材料的老化除了與光源的波長有關以外，還取決于吸收光的能量大小。我們知道，當光的波長越短時，光所包含的能量越大，對涂料的老化作用也越大。表2是不同波長紫外線的能量分布數據。

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

（二）溫度

另外一個在對涂料進行人工氣候加速老化試驗的重要因素就是溫度。當溫度達到一定程度時，會在其它條件都一般時僅僅靠溫度就能使涂料老化，能夠使涂層高分子材料產生非正常交鏈如產生立體結構，使涂層變硬、變脆、失去彈性、易脆斷等。也會破壞涂料中高分子材料的分子鏈斷裂。分子量變小，游離基團增多，使涂料變得發軟、發粘等，同時在熱冷循環的周期中，由于熱應力的作用下，涂層中的各涂層間產生很大的應力，很可能會使涂層龜裂、分層、脫落。因此溫度是在進行人工老化加速試驗的重要條件之一，溫度設置越高，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間，如表3所示：

（三）濕度

大氣條件下，涂料在暴曬的過長其實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、變色等表化現象，從而引起涂層的體積膨脹，同時也會使部分涂層中的物質發生水介質在光合溫度下的作用，加速涂料的老化速度，促進涂層的破壞。當濕度越高時，涂層的老化速度越快，在人工加速老化試驗中周期性的人工噴水和凝露都能將試驗強度達到飽和狀態。

（四）不同配比

涂料是四種不同成分按照不同比例進行混合后的物質，這四種物質分別是成膜物質、顏料、溶劑以及各種助劑。它們的組成比例構成了涂料的配比。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，需要給予一定時間，待諸組分間的反應被引發后，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組成，具有不同的物質結構，結構決定性質，因此不同的配比對涂料的抗老化時間具有重要影響。

（五）不同漆膜厚度

在對涂料進行人工氣候加速老化試驗時，不得不考慮的就是漆膜的厚度，漆膜厚度對耐候性測試有重要影響。圖2是在3000hQUV老化試驗中，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（QUV老化試驗）中，不同涂層厚度對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開始時即呈現出急速下降的趨勢，然而，正常厚度涂層（17 um）的變化趨勢與前者存在較大差異，保光率的下降幅度很小，且在試驗的前1500h內，正常涂層表面的保光率大于90%。這些現象說明正常厚度涂層在投入使用的相當長一段時間內光澤的穩定性高于相對較薄的涂層。

不同漆膜厚度對彩板表面色差的影響，圖3是在3000hQUV老化試驗中，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色差板的影響較大，而漆膜厚度較小的則對彩板色差影響較小。

三、結果與討論

在進行人工氣候加速老化試驗時，我們總結出如下結論：

（1）對某一種涂料如何選用加速老化試驗機和相應的UV光源問題，是每一個涂料研究開發制造和使用工作者都必須面對的。采用不同的設備和光源都將對試驗結果產生很大影響，這與選擇試驗參數同樣重要。為此建議，按照各種光源的特點、涂料的主體類別和使用要求進行綜合Fenix厚合理選用不同的光源進行人工氣候加速老化試驗。

（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較好，因此在進行人工氣候老化試驗時，要充分結合使用厚度進行測試，這樣才能對涂料的總體性能有正確的測試。endprint