人工加速老化和自然老化測試結果間的相關性

人工加速老化和自然老化測試結果間的相關性

長期以來，人工加速老化和自然老化測試結果間的相關性問題一直是業內關注的熱點。一般來說，工業上要求快速地得出老化測試結果，同時要求實驗室人工加速老化和自然老化測試結果間有較好的相關性，然而實際上這兩個要求是相互矛盾的。人工加速老化方法使用比實際環境更高的測試溫度、更短波長光源、更大的輻照強度，在加速材料老化進程的同時，降低了與自然條件材料老化結果的相關性。

    QUV 加速老化設備配備的 UVA-340 燈管提供了一個新的解決方案 [1] 。 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果和戶外自然老化的相關性較好。為了驗證這一點，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性進行了一系列的實驗。

    1 實驗

    本實驗選用了環氧涂料、聚氨酯涂料以及聚酯涂料，分別進行戶外自然曝曬和紫外人工加速老化實驗，記錄實驗中樣品光澤和顏色的變化。

    1.1 戶外自然曝曬實驗

    由于各地戶外自然曝曬的情況很不相同，為了準確地評價實驗，這里選擇了三種不同的典型氣候類型：亞熱帶氣候 ( 佛羅里達的邁阿密 ) 、沙漠氣候 ( 亞利桑那的鳳凰城 ) 和美國北方工業型氣候 ( 俄亥俄州的克里夫蘭 ) 。

    戶外自然曝曬嚴格按照 ASTM G7 《非金屬材料的戶外自然曝曬試驗標準》執行。被測試樣的背板為厚 1.6 mm 的夾板，試樣架 45 °，朝南。

    1.2 人工加速老化實驗

    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》執行。實驗設備為紫外加速老化試驗機  。該試驗箱具有閉環反饋回路系統控制 [2] ，可設定并控制 UV 光輻照強度。試驗使用 UVA-340 紫外燈管，光強峰值為 343 nm ，截止點為 295 nm 。為了排除不同溫度對實驗結果的影響，測試溫度統一設定在 50 ℃。

    實驗分別在三種不同的循環條件下測試：

    條件 1 ： 4 h 紫外光照射， 4 h 冷凝； UVA-340 燈管的輻照點控制在 0.83 W/(m 2 · nm) @340nm ；整個測試循環溫度控制在 50 ℃。本測試循環中紫外的輻照強度相當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 燈管的輻照點控制在 1.35 W/(m 2 · nm) @ 340 nm ；整個測試循環溫度控制在 50 ℃。條件 2 與條件 1 基本類似，但輻照度更強。

    條件 3 ： 4 h 紫外光照射 (100 ％ 紫外輻照，無冷凝，無暗周期 ) ； UVA-340 燈管的輻照點控制在 1.35 W/(m 2 · nm) @ 340 nm ；整個測試循環溫度控制在 50 ℃。

    2 結果與討論

    2.1 環氧涂料

    樣板為涂覆在鋼板上的高光灰色環氧涂料。

    戶外自然曝曬在一開始就表現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，三個曝曬地點的樣品都出現銹蝕現象，在佛羅里達的樣板表面*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，輻照強度越高，樣板失光越快 ( 見圖 3) 。此外帶有冷凝循環時樣板易粉化，單純采用紫外輻照的則不易產生粉化。

    從以上的數據可以看出，就環氧涂料的光澤和粉化的變化而言，帶有冷凝循環的人工加速老化實驗結果和戶外自然曝曬的結果相關性較好。但由于 ASTM G154 標準要求測試采用純水，因此實驗結果沒有產生戶外自然曝曬中出現的生銹現象。如果改為使用腐蝕性溶液可能更接近戶外自然曝曬，估計樣板會產生生銹現象。建議實際使用中，結合采用鹽霧 / 紫外人工老化測試以達到更接近自然的結果 〔 3 〕〔 4 〕 。

    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。三個戶外自然曝曬點的樣板都發生銹蝕現象。其中佛羅里達樣板的生銹面積達整個面積的 20 ％，俄亥俄的樣板僅有幾個銹點，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條件的測試的樣板失光較快，并伴有粉化現象 ( 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象。

    從以上的數據可以看出，就聚氨酯漆的光澤和粉化的變化而言，人工加速老化實驗中帶有冷凝循環的實驗結果和戶外自然曝曬的結果相關性。但根據 ASTM G154 標準進行的人工加速老化實驗不能模擬佛羅里達戶外自然曝曬引起的生銹現象。

    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了不同程度的失光，其中亞利桑那曝曬場的樣板失光速度zui快，其次為佛羅里達和俄亥俄 ( 見圖 6) 。曝曬 2 a 后，亞利桑那和佛羅里達曝曬點的樣板失光率較大，而俄亥俄曝曬點的樣板失光率較小。

    人工加速老化實驗的三個測試條件下樣品都有失光 ( 見圖 7) 。其中以輻照度在 1.35 W/(m 2 · nm) @340 nm ，測試循環為 4 h 紫外輻照， 4 h 冷凝循環的條件 2 對樣板的失光zui為明顯，其老化程度zui嚴重。

 

    從以上的數據可以看出，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果和佛羅里達及亞利桑那戶外自然曝曬兩年的結果接近。與俄亥俄兩年的結果相比， 2 000 h 人工試驗的老化速率大于俄亥俄戶外自然曝曬 2 a 的結果。

    3 結論

    所有四個涂料樣品測試中，采用符合 ASTM G154 標準要求、配備 UVA-340 燈管的紫外加速老化試驗機，所產生的老化結果和戶外自然曝曬的結果十分接近。其差異主要集中在無法模擬戶外自然曝曬中樣板產生的銹蝕。需要注意的是如果測試循環僅采用紫外曝曬，人工加速老化實驗和戶外自然曝曬有較大差異，為了提高兩者的相關性，必須在人工老化的測試循環中加入冷凝循環。

    此外需要指出的是相比 UVB - 313 燈管而言， UVA-340 燈管不會產生非正常的黃變。

    對某些材料來說，高輻照強度會加速材料的老化結果。實驗中聚氨酯涂料樣品因提高輻照強度而產生更快老化。

    實驗方法 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材料的老化速度較慢。采用單純的紫外循環，實驗中有一半的涂料樣品產生老化速度較慢的現象。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合的測試循環。

參考文獻

1. Brennan, P., Fedor, C., “陽光、紫外和加速老化”， 《ＳＰＥ　 Automotive RETEC 》， 1987 。

2. Fedor, G.. R., Brennan, P. J. , “ UV 紫外試驗機內的輻照度控制”， ASTM ＳＴＰ　 1202 《有機材料的戶外和人工加速耐久性測試》 , 1993 。

3. Skerry, B., Alavi, A.,Lindgren, K., “用于評估有機保護涂料的環境和電氣化學測試方法” , 《 Journal of Coating Technology 》 , 1988, 10 。

4. Simpson, C., Ray, C.,Skerry B., 《工業修補漆的加速腐蝕測試》，　《 Journal of Protective CoatingLinings 》 1991. 5 。