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國(guó)內(nèi)外涂料耐候性和耐光性試驗(yàn)方式淺談

2010-08-24

       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)什么是它們更好的測(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。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)方法是更好的呢 ? 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。

1 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)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。

2 氙弧輻射試驗(yàn)

        氙弧輻射試驗(yàn)被認(rèn)為是能模擬全太陽(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。

3 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。這與前面提到的氙弧燈有區(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)能選擇輻照度量。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?？刂葡到y(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)?。但熒光燈與其他類(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。

       使用紫光燈老化試驗(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)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。