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涂料耐候性和耐光性的測(cè)試方法

涂料、塑料和其他有機(jī)材料暴露在自然氣候條件和光照輻射下經(jīng)一段時(shí)間會(huì)出現(xiàn)失光、褪色、泛黃、剝落、開(kāi)裂、喪失拉伸強(qiáng)度和整層脫落等現(xiàn)象。即使是室內(nèi)光線或者透過(guò)窗玻璃的陽(yáng)光也會(huì)對(duì)諸如顏料或染料之類(lèi)的物質(zhì)造成損害。因而對(duì)于戶(hù)外使用的涂料, 如建筑外用涂料和汽車(chē)涂料, 耐候性和耐光性是最重要的檢測(cè)項(xiàng)目。

雖然大家都認(rèn)同涂料的耐候性和耐光性很重要, 但對(duì)什么是它們較好的測(cè)試方法卻各執(zhí)己見(jiàn)。國(guó)內(nèi)外現(xiàn)在評(píng)價(jià)涂料耐候性和耐光性的方法也很多。而普遍采用的有自然氣候老化試驗(yàn)、氙弧燈照射、或碳弧燈照射、紫外光燈照射等人工加速氣候老化試驗(yàn)的方法。本文將探討如何選擇合適的測(cè)試方法。

自然氣候老化試驗(yàn)

自然氣候老化試驗(yàn)方法是國(guó)內(nèi)外廣泛采用的方法。其主要原因是自然氣候老化實(shí)驗(yàn)結(jié)果更符合實(shí)際,所需的費(fèi)用較低而且操作簡(jiǎn)單方便。雖然我們可以在任何地方進(jìn)行自然氣候老化試驗(yàn), 但國(guó)際上比較認(rèn)可的試驗(yàn)場(chǎng)地是美國(guó)的佛羅里達(dá)因?yàn)槠潢?yáng)光充足。但自然氣候老化試驗(yàn)的不足之處是試驗(yàn)需要的時(shí)間長(zhǎng), 試驗(yàn)人員可能沒(méi)有這么多年的時(shí)間等待一個(gè)產(chǎn)品的測(cè)試結(jié)果。另外, 即使是佛羅里達(dá), 氣候不可能年復(fù)一年的完全相同故試驗(yàn)結(jié)果的再現(xiàn)性也不理想。

氙弧輻射試驗(yàn)

氙弧輻射試驗(yàn)被認(rèn)為是最能模擬全太陽(yáng)光譜的試驗(yàn), 因?yàn)樗墚a(chǎn)生紫外光、可見(jiàn)光和紅外光。正因?yàn)槿绱? 在國(guó)內(nèi)外被認(rèn)為是最廣泛采用的方法。GB/ T 1865 —1997 ( 等同于ISO 113411 : 1994) 詳細(xì)地介紹了這種方法。但這種方法也有它的局限性, 即氙弧燈光源穩(wěn)定性及由此帶來(lái)的試驗(yàn)系統(tǒng)的復(fù)雜性。氙弧燈光源必須經(jīng)過(guò)過(guò)濾以減少不期望的輻射。為達(dá)到不同的輻照度分布可有多種過(guò)濾玻璃類(lèi)型供選擇。選用何種玻璃取決于被測(cè)試材料類(lèi)型及其最終用途。改變過(guò)濾玻璃可以改變透過(guò)的短波長(zhǎng)紫外光類(lèi)型, 從而改變材料遭受破壞的速度和類(lèi)型。通常運(yùn)用的過(guò)濾有3種類(lèi)型日光、窗玻璃和擴(kuò)展的紫外光類(lèi)型( 國(guó)標(biāo)GB/ T1865 —1997 中提到的方法1 和方法2 對(duì)應(yīng)于前兩種類(lèi)型) 。

典型的氙弧輻射都配備一個(gè)輻照度控制系統(tǒng)。輻照度控制系統(tǒng)在氙弧輻射試驗(yàn)中很重要, 因?yàn)殡艄庠吹墓庾V自身內(nèi)在穩(wěn)定性就比熒光紫外燈光的光譜差。國(guó)外有人考察了一盞新氙弧燈和一盞用過(guò)1 000 h 的舊氙弧燈光譜的區(qū)別。結(jié)果發(fā)現(xiàn), 光譜能量分布不但在光源的長(zhǎng)波長(zhǎng)范圍隨燈的使用時(shí)間延長(zhǎng)變化顯著, 而且在短波長(zhǎng)的范圍內(nèi)也有明顯變化。這種變化引起的原因是氙弧燈的老化, 是它的自身內(nèi)在特性。

對(duì)這種變化也可采取多種補(bǔ)救措施。例如提高更換燈管的頻度以減輕燈光老化的影響。或者可用傳感器控制輻照度。盡管存在因燈老化引起的光譜能量分布變化, 氙弧燈仍不失作為耐候性和耐日光照射試驗(yàn)的一種可靠的和反映實(shí)際的光源。

大多數(shù)氙弧輻射試驗(yàn)在模擬潤(rùn)濕條件時(shí)采用水噴淋和/ 或溫度自動(dòng)控制系統(tǒng)( 國(guó)標(biāo)GB/ T1865 —1997 提出的“表面用水噴淋”) 。水噴淋方法的局限是當(dāng)溫度相對(duì)較低的水噴到溫度相對(duì)較高的試板上時(shí), 試板會(huì)冷卻下來(lái), 這會(huì)使材料遭破壞的過(guò)程減緩。

在氙弧輻射試驗(yàn)中, 要求使用高純度的水以防止試板表面形成沉積物。因此運(yùn)行費(fèi)用較高。

紫外光燈照射試驗(yàn)

紫外光燈照射老化試驗(yàn)利用熒光紫外光燈模擬太陽(yáng)光對(duì)耐久性材料的破壞性作用。這與前提到的氙弧燈有區(qū)別, 熒光紫外燈在電學(xué)原理上與普通的照明用冷光日光燈相似, 但能生成更多的紫外光而非可見(jiàn)光或紅外光線。

對(duì)于不同的曝曬應(yīng)用, 有不同類(lèi)型的具有不同光譜的燈供選擇。UVA -340 型的燈在主要的短波長(zhǎng)紫外光光譜范圍能很好地模擬太陽(yáng)光。UVA -340 燈的光譜能量分布(SPD) 與從太陽(yáng)光譜中360 nm 處分出的光譜圖很近似。UV-B 型燈也是通常使用的加速人工氣候老化試驗(yàn)用燈。它比UV -A 型燈對(duì)材料的破壞速度更快, 但其比360 nm 更短的波長(zhǎng)能量輸出對(duì)很多材料會(huì)造成偏離實(shí)際的試驗(yàn)結(jié)果。

輻照度( 光強(qiáng)度) 控制對(duì)于獲得準(zhǔn)確而有重現(xiàn)性的結(jié)果是很有必要的。大多數(shù)紫外光老化試驗(yàn)裝置都配備了輻照度控制系統(tǒng)。這些精確的輻照度控制系統(tǒng)使用戶(hù)做試驗(yàn)時(shí)能擇輻照度量。通過(guò)反饋控制系統(tǒng), 輻照度能被連續(xù)和自動(dòng)地監(jiān)控并精確地得到控制。控制系統(tǒng)通過(guò)調(diào)節(jié)燈管的功率而自動(dòng)地對(duì)因燈管老化或其他原因造成的照度不足進(jìn)行補(bǔ)償。

熒光紫外光燈因自身內(nèi)在的光譜穩(wěn)定性使輻照度控制簡(jiǎn)單化。所有的燈源隨時(shí)間老化都會(huì)變?nèi)酢５珶晒鉄襞c其他類(lèi)型的燈不同, 它的光譜能量分布不會(huì)隨時(shí)間變化。這一特點(diǎn)提高了試驗(yàn)結(jié)果的重現(xiàn)性, 因而也是一大優(yōu)勢(shì)。

有試驗(yàn)表明, 一盞使用了2h 的燈和一盞使用了5 600 h 的燈在配備了輻照度控制的老化試驗(yàn)系統(tǒng)中的輸出功率無(wú)明顯區(qū)別, 輻照度控制裝置能夠維持光強(qiáng)度的恒定。此外, 它們的光譜能量的分布也無(wú)變化, 這同氙弧燈有很大區(qū)別。

使用紫燈老化試驗(yàn)的一個(gè)主要優(yōu)勢(shì)在于它能夠模擬較為符合實(shí)際的室外潮濕環(huán)境對(duì)材料的破壞作用。材料置于室外時(shí), 據(jù)統(tǒng)計(jì)每天至少有12 h 頻繁地遭受潮濕作用。因?yàn)檫@種潮濕作用大多表現(xiàn)為凝露的形式, 因而在加速人工氣候老化試驗(yàn)中采用一個(gè)特殊的冷凝原理來(lái)模仿室外潮濕。

在這樣的冷凝循環(huán)過(guò)程中, 要加熱試驗(yàn)箱底部的水槽以產(chǎn)生蒸汽。熱蒸汽保持試驗(yàn)箱的環(huán)境在高溫下有100 % 相對(duì)濕度。試驗(yàn)箱設(shè)計(jì)時(shí), 要使試板實(shí)際上構(gòu)成試驗(yàn)箱的側(cè)壁。這樣試板的背面暴露在室溫的室內(nèi)空氣下。室內(nèi)空氣的冷卻作用使被測(cè)的試板表面的溫度比蒸汽溫度降低幾度。這幾度的溫差可使水在冷凝循環(huán)過(guò)程中連續(xù)不斷地降到被測(cè)試表面。

如此產(chǎn)生的冷凝水是性質(zhì)穩(wěn)定的、純凈蒸餾水。這種水能提高實(shí)驗(yàn)結(jié)果的重現(xiàn)性, 排除水沉積物污染問(wèn)題并且簡(jiǎn)化試驗(yàn)設(shè)備安裝和操作。

因?yàn)椴牧显谑彝馐艹钡臅r(shí)間一般很長(zhǎng), 所以典型的循環(huán)冷凝系統(tǒng)最少要有4h 的試驗(yàn)時(shí)間。冷凝過(guò)程在加溫條件下進(jìn)行( 50 ℃), 就會(huì)大大地加快潮濕對(duì)材料的破壞速度。長(zhǎng)時(shí)間的、加熱條件下進(jìn)行的冷凝循環(huán)比其他諸如水噴淋、浸漬和其他高濕度環(huán)境的方法更能有效地再現(xiàn)潮濕環(huán)境破壞材料的現(xiàn)象。

結(jié)語(yǔ)

雖然國(guó)標(biāo)規(guī)定且國(guó)內(nèi)目前通行的耐老化試驗(yàn)方法是氙弧輻射, 但在國(guó)外氙弧輻射和紫外光老化試驗(yàn)都是應(yīng)用廣泛的試驗(yàn)方法。這兩種方法是基于完全不同的原理。氙燈照射試驗(yàn)箱仿制全部的太陽(yáng)光譜, 包括紫外光、可見(jiàn)光和紅外光, 其目的是模擬太陽(yáng)光。而紫外光老化試驗(yàn)并不企圖仿制太陽(yáng)光線, 而只是模仿太陽(yáng)光的破壞效果。它是基于這樣的原理, 長(zhǎng)期在室外暴露的耐久性材料, 受短波紫外光照射引起的老化損害最大。

另外即便是在自然氣候下進(jìn)行老化試驗(yàn), 還有一種加速的方法, 就是將被測(cè)試樣板裝在能隨太陽(yáng)升起降落而轉(zhuǎn)動(dòng)的樣板架, 使樣板大部分時(shí)間保持被陽(yáng)光直射的狀態(tài), 以獲得加速試驗(yàn)結(jié)果。20 世紀(jì)80 年代前采用碳弧燈或直接用紫外燈照射, 進(jìn)行平行試驗(yàn), 也可縮短檢驗(yàn)周期, 究竟哪種試驗(yàn)方法是較好的呢? 沒(méi)有簡(jiǎn)單的答案。選擇哪種方法取決于要測(cè)試的材料, 材料的最終應(yīng)用場(chǎng)合所關(guān)心的材料遭破壞的模式和財(cái)力等方面的因素。