自然戶外曝曬與氙燈加速老化測試之間的結(jié)果比較

摘要：比較了自然戶外曝曬與氙燈加速老化測試之間的結(jié)果,試驗(yàn)表明,其間存在較好的相關(guān)性, 用試驗(yàn)室加速老化試驗(yàn)來評估顏料和涂料體系的耐久性是可行的,并且是可靠的。

關(guān)鍵詞：顏料耐候性；自然戶外曝曬；氙燈測試；相關(guān)性

前言：

近年來,人們越來越關(guān)心涂料中顏料的耐候老化性能。當(dāng)室外涂料受到大氣條件下光照、溫度、潮濕等因素的影響,會產(chǎn)生褪色、色遷移、色強(qiáng)度 變化等老化現(xiàn)象。

自然戶外曝曬和加速老化試驗(yàn)箱是測試材料耐候老化性能的主要方法。國內(nèi)外涂料行業(yè)長期開展了戶外大氣老化測試。國內(nèi)在海南、廣州、敦煌等地都有規(guī)模不等的戶外曝曬場，國際上通常作為基準(zhǔn)曝曬地點(diǎn)的有美國的佛羅里達(dá)和亞利桑那、澳大利亞的阿倫加(Allunga)等。戶外曝曬測試有很多優(yōu)點(diǎn),如真實(shí)、便宜、易于操作等。

戶外曝曬的測試時(shí)間相對較長，所以有必要進(jìn)行試驗(yàn)室加速老化測試。在加速老化測試方面,除少數(shù)的日本企業(yè)仍沿用碳弧燈外，主要的測試方法有紫外光照和氙燈兩種。然而，氙燈加速老化試驗(yàn)箱不能模擬所有的老化參數(shù),而且有一些測試變量容易引起錯誤的試驗(yàn)結(jié)果，從而導(dǎo)致錯誤的結(jié)論。但是可以利用戶外曝曬的結(jié)果作為參考來檢驗(yàn)加速老化測試的真實(shí)性，從后使得加速老化試驗(yàn)更具有實(shí)際使用價(jià)值。

1.試驗(yàn)?zāi)康?/span>

本文試驗(yàn)?zāi)康氖潜容^自然戶外曝曬與氙燈試驗(yàn)室加速老化測試方法之間的結(jié)果,并通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)及數(shù)學(xué)計(jì)算,找出兩者之間的對應(yīng)關(guān)系。

2.兩種測試方法簡介

2.1 Allunga自然戶外曝曬

本文所做研究的自然戶外曝曬在澳大利亞的Allunga(緯度19°,南半球)進(jìn)行,樣品架朝北,與水平面之間的夾角為19°。曝曬時(shí)間為24個月,并在不同時(shí)間段取出樣品,測試它們的顏色變化。測試樣品架及曝曬場如圖1所示。

測試期間2007年及2008年的氣候條件如表1所示。

2.2 Q-Sun試驗(yàn)室加速測試

2.2.1氙燈試驗(yàn)箱的老化原理

氙燈試驗(yàn)箱可以模擬全光譜太陽光,包括紫外線、可見光和紅外線。其優(yōu)點(diǎn)是1a中任何時(shí)候都有重現(xiàn)性,快速,它是與日光源接近的人工光源。

氙燈產(chǎn)生的光譜必須經(jīng)過過濾來減少不需要的光譜成分。使用不同類型的玻璃過濾器可得到不同的光譜。有經(jīng)常使用的3種類型過濾器：日光、窗玻璃和紫外延伸過濾器。本次試驗(yàn)中,采用日光過 濾器,圖2顯示了這種過濾器產(chǎn)生的光譜,同時(shí)也顯示了295到400nm的紫外線短波段的光譜圖?？梢钥闯鲈摴庾V較好地模擬了太陽光譜。

大多數(shù)氙燈檢測設(shè)備通過水噴淋或濕度控制系統(tǒng)來模擬濕度的影響。水噴淋可很好地模擬熱沖擊和機(jī)械侵蝕。在測試系統(tǒng)中,為了防止水對樣品的污染,試驗(yàn)用高純度的去離子水。

氙燈試驗(yàn)箱的工作示意圖如圖3所示。

2.2.2氙燈試驗(yàn)箱測試條件

按照表2測試條件對測試樣板進(jìn)行曝曬,同樣在不同時(shí)間段取出待測樣板,觀察它們的顏色變化。

2.3樣板制備及評估方法

將待檢測的COLORTREND1、2、3、4、5、6#共6種不同的建筑涂料用色漿,按一定的比例加入到標(biāo)準(zhǔn)檢測用平光外墻涂料中,使之達(dá)到1/25顏色標(biāo)準(zhǔn)深度。在震蕩機(jī)上震蕩3min混勻,在預(yù)涂了底漆的鋁板上用100μm線棒涂布2道。在室溫放置5d后進(jìn)行曝曬試驗(yàn)。每種顏色的同一試驗(yàn)各制備4塊樣板,3塊投入試驗(yàn),1塊作為標(biāo)準(zhǔn)板室內(nèi)放置。

自然戶外曝曬共24個月,在6個月、9個月、12個月、18個月、24個月各評估一次；氙燈試驗(yàn)室加速測試按表2試驗(yàn)條件運(yùn)行2000h,樣板評估間隔周期為500h。用分光測色儀在D65標(biāo)準(zhǔn)光源下與標(biāo)準(zhǔn)板對比檢測顏色,記錄色差的值。目測涂膜表面是否有失光、粉化、開裂、脫落及斑點(diǎn)等現(xiàn)象。本試驗(yàn)中使用了高耐候的平光外墻涂料,經(jīng)2000h氙燈及24個月自然曝曬,涂膜表面均無失光、粉化、開裂、脫落及斑點(diǎn)等現(xiàn)象,不影響顏色評判。

3.戶外曝曬與氙燈試驗(yàn)室加速測試之間的比較

根據(jù)所得評估結(jié)果的數(shù)據(jù),分別計(jì)算了自然戶外曝曬與氙燈試驗(yàn)室加速測試方法之間的相關(guān)系數(shù) rs(spearman)。該相關(guān)系數(shù)指的是利用兩種不同的測試方法對一組樣品進(jìn)行測試,所得試驗(yàn)結(jié)果之 間的相關(guān)性。

相關(guān)系數(shù)rs的計(jì)算公式為：rs=1-6∑ d i2/[n(n2-1)] 其中,n是樣品的個數(shù),Di是兩列排序中每一組排 位數(shù)之間的差值。rs越接近于1,相關(guān)性越好。通過以上方法求出自然戶外曝曬與氙燈試驗(yàn)室 加速老化測試結(jié)果之間的相關(guān)系數(shù),并對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行評估,解決大家通常比較關(guān)心的問題——對于不同顏料類型,如果試驗(yàn)室加速測試與戶外曝曬結(jié)果的相關(guān)性足夠好,那么在氙燈試驗(yàn)箱中測試多少小時(shí)相當(dāng)于在戶外曝曬多少個月的結(jié)果。6種樣品在戶外曝曬的顏色變化(DE)的值如圖4所示。

氙燈試驗(yàn)室加速測試的顏色變化(DE)的值如圖 5所示。

觀察圖4、圖5的數(shù)據(jù),可以看出,不管是戶外曝曬還是氙燈加速測試,每種樣品的顏色均發(fā)生變化,而且隨著試驗(yàn)時(shí)間的增長,DE的值都在增加。在計(jì)算氙燈測試2000h相當(dāng)于戶外曝曬多少個月之前,我們需要知道它們之間的相關(guān)性如何。只有在相關(guān)性好的情況下,計(jì)算氙燈測試2000h相當(dāng)于戶外曝曬多少個月才有意義。由rs=1-6∑di2/[n(n2-1)]計(jì)算,得出Allunga自然戶外曝曬與氙燈試驗(yàn)室加速測試之間的相關(guān)系數(shù)。以500h氙燈與6個月自然曝曬之間的相關(guān)性為例,相關(guān)系數(shù)rs的計(jì)算方法如表3。

依據(jù)公式rs=1-6×[(1-1)2+(6-6)2+(4-5)2+(3-2)2+(5-4)2+(2-3)2]/6×(62-1) 則rs=0.89 所有相關(guān)系數(shù)的數(shù)值如表4所示。從表4可以看出,Allunga戶外曝曬6個月、9個 月、12個月、18個月、24個月的結(jié)果與氙燈試驗(yàn)箱 500h、1000h、1500h、2000h各時(shí)間段的 相關(guān)性都比較好。根據(jù)圖4、圖5的顏色變化數(shù)據(jù)可知,在氙弧燈試驗(yàn)箱中測試2000h,其樣品的顏色變化沒有戶外曝曬24個月的顏色變化大。我們以在氙弧燈試驗(yàn)箱 中測試1000h、1500h、2000h樣品發(fā)生的顏色變化為基準(zhǔn),計(jì)算每種樣品在氙弧燈試驗(yàn)箱中測試1000h、1500h、2000h分別相當(dāng)于戶外曝 曬多少個月,然后取其算術(shù)平均值。通過計(jì)算,其對應(yīng)關(guān)系如表5所示。    

表5 Allunga自然戶外曝曬與氙燈實(shí)驗(yàn)室加速測試時(shí)間的對應(yīng)關(guān)系

4.結(jié)論 

戶外測試是試驗(yàn)室加速老化測試的基礎(chǔ)。通過本文研究,我們認(rèn)為兩者試驗(yàn)數(shù)據(jù)間有一定的關(guān)聯(lián)性。我們也進(jìn)一步認(rèn)識到積極開展戶外老化測試,并用以指導(dǎo)試驗(yàn)室加速測試的重要性。當(dāng)然兩者之間的對應(yīng)關(guān)系會因戶外測試的地理位置、氣候變化、底材種類的變化等而有所不同。更重要的是顏料與涂料作為一個整體進(jìn)行試驗(yàn)。不同的涂料體系會得到不同的結(jié)果。如果涂料體系、顏料類型、或顏料含量等任意一項(xiàng)發(fā)生改變,我們只能對最終結(jié)果作推測。因?yàn)檫@些改變可能對最終結(jié)果產(chǎn)生較大的影響。