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涂層的耐候性是指涂層在外部環(huán)境(陽(yáng)光、空氣、水、凝露、工業(yè)氣體、微生物)作用下保持原有性能的能力，涂層在使用過(guò)程中會(huì)因受到外部環(huán)境的影響而出現(xiàn)一些不可逆的破壞現(xiàn)象，如：變色、失光、粉化、開(kāi)裂、生銹、剝落、斑點(diǎn)和沾污等。暴露于戶外的建筑物、汽車、鋼結(jié)構(gòu)等，每年由于外在涂層的變色、粉化、剝落等老化破壞造成巨大的損失，逐漸引起人們的重視并成為關(guān)注的重點(diǎn)。因此，對(duì)涂料質(zhì)量來(lái)說(shuō)，涂層的耐候性能顯得尤為重要。
涂層老化的成因
涂層老化的原因包括內(nèi)因和外因，內(nèi)因與涂料的成膜物類型及所用的顏填料、助劑等原材料有關(guān)，也與涂料的配方體系有很大關(guān)系。涂層老化的外因指涂層曝露于戶外環(huán)境下，受到多種破壞因素的作用，主要是陽(yáng)光、雨水、凝露、氣溫、氧氣、霉菌和工業(yè)氣體等。
涂層老化實(shí)驗(yàn)的主要方法
涂層老化實(shí)驗(yàn)的方法分天然曝露實(shí)驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)室人工氣候加速老化實(shí)驗(yàn)。
天然曝露實(shí)驗(yàn)是指涂層直接曝露于自然環(huán)境下，考查涂層在特定環(huán)境下的耐候性能，自然環(huán)境根據(jù)氣候特征可分為干熱氣候、濕熱氣候、亞濕熱氣候、亞濕熱工業(yè)氣候、寒冷氣候和寒溫高原氣候等。通常天然曝露實(shí)驗(yàn)采用的標(biāo)準(zhǔn)主要有：GB/T 9276―1996《涂層自然氣候曝露實(shí)驗(yàn)方法》和ISO 2810:2004《色漆和清漆涂層自然老化曝露及評(píng)定》。標(biāo)準(zhǔn)主要內(nèi)容如下：
(1) 曝露場(chǎng)
按標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定設(shè)置，內(nèi)有曝露試板架、氣象裝置等，曝露架是擺在曝露場(chǎng)內(nèi)用于曝露實(shí)驗(yàn)的支架，由惰性材料制成，結(jié)構(gòu)堅(jiān)固，曝露架可分為朝南45 °、朝南2 °、垂直、水平等。
(2) 實(shí)驗(yàn)樣板
除另有規(guī)定外，實(shí)驗(yàn)樣板基材應(yīng)采用實(shí)際使用的底材，其處理方法按GB/T 9271—2008/要求進(jìn)行，經(jīng)商定也可使用其他底材和處理方法。樣板的面積應(yīng)>0.03 m2，邊長(zhǎng)應(yīng)>100 mm，一般規(guī)定為250 mm×150 mm。
(3) 樣板制備及背面、邊緣的涂裝
除另有規(guī)定或商定，涂膜的制備及厚度應(yīng)參照各種受試產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定進(jìn)行。除另有規(guī)定或商定外，噴涂完最后1 道烘干型涂料的樣板應(yīng)在恒溫恒濕室內(nèi)養(yǎng)護(hù)1 d 后， 自干型應(yīng)在恒溫恒濕室內(nèi)養(yǎng)護(hù)7 d 后，方可進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。應(yīng)選擇適宜的涂料對(duì)每1 塊樣板邊緣、背面進(jìn)行涂裝，封邊寬度一般為5 mm，并放置至涂膜干燥。推薦使用受試樣品或耐候性、防腐性良好的涂料。
(4) 樣板標(biāo)識(shí)方法
從樣板制備開(kāi)始，用涂料或記號(hào)筆按施涂次序在每塊樣板背面標(biāo)出所施涂的涂料樣品編號(hào)(每種涂料樣品的唯一性標(biāo)識(shí))， 施涂完工后從樣板背面的標(biāo)識(shí)可追溯到所施涂的樣品。
(5) 樣板放置
將樣板放置在曝露架上，使用瓷絕緣子固定樣板。
(6)樣板檢查
樣板的曝露期限， 可按產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)的要求或商定，也可規(guī)定曝露樣板達(dá)到某一老化破壞程度作為曝露期限。投試前應(yīng)先觀測(cè)樣板涂膜外觀以及要求測(cè)定的物理機(jī)械性能等并做記錄。以年或月作為曝露實(shí)驗(yàn)的時(shí)間單位。曝露投試季節(jié)一般規(guī)定在每年春末夏初，除非另有規(guī)定，檢查間隔為在投試3 個(gè)月內(nèi)，每半月檢查1 次樣板;然后在投試3 個(gè)月后至1 a 期間，每月檢查1 次樣板;在曝露超過(guò)1 a 后，每3 個(gè)月檢查1次樣板。當(dāng)天氣驟變時(shí)，應(yīng)隨時(shí)檢查。如果規(guī)定在一定的曝露周期，需洗滌樣板，則在檢查前用棉紗在自來(lái)水或純水中沖洗，晾干后檢查;若規(guī)定需進(jìn)行拋光的，則按規(guī)定進(jìn)行拋光處理，然后再檢查。曝露試板檢查按GB/T 1766—2008 規(guī)定進(jìn)行。
(7)氣象數(shù)據(jù)收集
曝露實(shí)驗(yàn)場(chǎng)內(nèi)設(shè)有氣象觀測(cè)儀器，每3 個(gè)月收集1 次氣象數(shù)據(jù)，主要包括：日照時(shí)數(shù)、太陽(yáng)輻射量、氣溫、濕度、降雨量、風(fēng)向和風(fēng)速等。
人工加速老化實(shí)驗(yàn)
人工加速老化實(shí)驗(yàn)是利用實(shí)驗(yàn)箱來(lái)模擬自然氣候作用。與自然條件下的天然曝露實(shí)驗(yàn)相比，人工加速老化實(shí)驗(yàn)僅涉及了如光強(qiáng)、溫度、噴淋、凝露、濕度等幾個(gè)有限的因素，并對(duì)這幾個(gè)因素進(jìn)行控制、調(diào)節(jié)，從而可達(dá)到加速老化實(shí)驗(yàn)的目的。
根據(jù)采用的光源進(jìn)行分類， 涂層老化實(shí)驗(yàn)常用是：熒光紫外燈型、氙弧燈型。
1 熒光紫外燈型
熒光紫外燈型老化機(jī)的光源主要是模擬自然光中的紫外波段，并通過(guò)對(duì)光強(qiáng)、溫度、噴淋、凝露等因素進(jìn)行控制來(lái)進(jìn)行加速老化實(shí)驗(yàn)。常見(jiàn)的熒光紫外燈有UVA(UVA-340、UVA-351)和UVB(UVB-313、F40)2種。其光譜與自然光的對(duì)比見(jiàn)圖1、圖2。
從圖1、圖2 可以看出，UVA、UVB 的發(fā)射光譜集中在紫外波段280～360 nm，缺少了自然光中的紅外光部分，其中UVB-313 燈發(fā)出的光含有低于295 nm(自然光截止波長(zhǎng))以下的輻射，可能會(huì)對(duì)材料的老化實(shí)驗(yàn)造成一定的偏差，但由于熒光紫外燈老化實(shí)驗(yàn)方法可以較快地考查、比較、遴選某些特殊材料的耐候性能，因此目前仍廣泛應(yīng)用。
熒光紫外燈型人工加速老化實(shí)驗(yàn)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表1。
2 氙弧燈型
該型老化機(jī)主要部件有： 氙弧燈光源系統(tǒng)、濾光器、噴水系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、增濕系統(tǒng)、輻照度控制器、樣板架等。冷卻方式有風(fēng)冷和水冷。結(jié)構(gòu)上有平板式和旋轉(zhuǎn)式2 種。
從圖3 可以發(fā)現(xiàn)，氙燈發(fā)出的光譜與自然光的光譜非常接近，特別是在紫外部分和可見(jiàn)光部分，所以氙弧燈老化實(shí)驗(yàn)可以更好的模擬自然光來(lái)考查涂層在戶外的耐久性，目前許多涂料產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)采用氙燈老化機(jī)進(jìn)行人工加速老化實(shí)驗(yàn)。
人工加速氣候老化實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)
經(jīng)規(guī)定或商定確定具體的方法標(biāo)準(zhǔn)后，在人工氣候老化實(shí)驗(yàn)前均應(yīng)確定實(shí)驗(yàn)參數(shù)。如：光源類型、黑標(biāo)/板溫度、箱體溫度、降雨周期、光照/黑暗周期、凝露、輻照強(qiáng)度等。一般在標(biāo)準(zhǔn)中有規(guī)定，也可根據(jù)需要進(jìn)行商定。
(1)試板的制備、養(yǎng)護(hù)及投試
一般在相關(guān)產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)試板的底材、受試涂料施涂、膜厚、養(yǎng)護(hù)時(shí)間等有規(guī)定，按規(guī)定執(zhí)行即可，如有特殊需要也可進(jìn)行商定。當(dāng)受試涂層的養(yǎng)護(hù)期結(jié)束后，將1 塊標(biāo)準(zhǔn)板放入避光環(huán)境中保存，其余的均投入實(shí)驗(yàn)，且樣板在試板架上需定期重排，以保證試板在實(shí)驗(yàn)箱內(nèi)所受因素影響的均勻性。
(2)人工氣候老化實(shí)驗(yàn)時(shí)間
實(shí)驗(yàn)時(shí)間在按相關(guān)產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)中有規(guī)定，特殊需要也可以商定。還可以規(guī)定在某些實(shí)驗(yàn)參數(shù)(變色、失光、粉化、起泡、生銹等)達(dá)到某一等級(jí)時(shí)停止實(shí)驗(yàn)，取出檢查試板。
(3)人工氣候老化實(shí)驗(yàn)樣板的檢查及評(píng)級(jí)
試板檢查可以在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中及實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)進(jìn)行，樣板檢查時(shí)，將實(shí)驗(yàn)樣板與標(biāo)準(zhǔn)板進(jìn)行比較。觀察有無(wú)異常現(xiàn)象，檢查可按GB/T 1766―2008《色漆和清漆涂層耐老化的評(píng)級(jí)方法》中的規(guī)定進(jìn)行，如有規(guī)定或商定，也可采用其他評(píng)級(jí)方法評(píng)定。
加速性與相關(guān)性
隨著涂層耐老化實(shí)驗(yàn)的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，人們對(duì)天然曝露實(shí)驗(yàn)與人工加速老化實(shí)驗(yàn)兩者的相關(guān)性越來(lái)越感興趣，并進(jìn)行了許多實(shí)驗(yàn)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)得到以下簡(jiǎn)單的對(duì)應(yīng)關(guān)系： x h(或MJ)人工加速老化實(shí)驗(yàn)=y 月(或年)的天然曝露實(shí)驗(yàn)，從而獲得一個(gè)加速因子，以用來(lái)解決實(shí)際需要。但加速因子存在很大的局限性。因?yàn)榧铀傩耘c相關(guān)性是一對(duì)矛盾， 加速性好，則相關(guān)性差。沒(méi)有哪種實(shí)驗(yàn)室的曝露實(shí)驗(yàn)?zāi)芡耆M戶外實(shí)際條件下的曝露，人工加速老化實(shí)驗(yàn)也不例外。
加速因子局限性很大，沒(méi)有普遍意義，原因在于：
(1)基于人工燈光源和自然光的輻照量相等得到的加速因子，未考慮溫度、濕度等其他因素對(duì)材料的影響，也未考慮材料的性能變化;
(2)加速因子與受試材料有關(guān)，用不同類型的材料做實(shí)驗(yàn)獲得的加速因子會(huì)有很大的不同;
(3)加速因子與考查的性能有關(guān)，例如，考查變色或失光獲得的加速因子也會(huì)有明顯差異;
(4)影響戶外曝露及人工加速老化速率的可變因素也會(huì)很大程度地影響計(jì)算出的加速因子， 如溫度的變化可以導(dǎo)致加速因子的差異。
影響人工加速老化實(shí)驗(yàn)與戶外曝露實(shí)驗(yàn)相關(guān)性的環(huán)境因素主要有：
(1)地區(qū)差異，不同的實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)對(duì)天然曝露實(shí)驗(yàn)的結(jié)果有很大的影響;
(2)季節(jié)差異，四季的差別能明顯影響天然曝露實(shí)驗(yàn)結(jié)果;
(3)人造光源與自然光光譜能量分布差異導(dǎo)致的影響;
(4)人造光源設(shè)定高于實(shí)際使用的輻照度造成的影響;
(5)人工老化箱設(shè)定的光照與黑暗的循環(huán)變化造成的影響;
(6)人工老化箱內(nèi)的試樣溫度高于實(shí)際使用溫度造成的影響。
涂層耐老化實(shí)驗(yàn)在涂料領(lǐng)域的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，涂層耐候性能作為衡量涂料抵抗環(huán)境影響性能的一個(gè)重要指標(biāo)， 其方法標(biāo)準(zhǔn)在涂料行業(yè)內(nèi)是必不可缺的。由于天然曝露實(shí)驗(yàn)周期長(zhǎng)，受到的不確定因素影響大， 近年來(lái)許多涂料產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)制定時(shí)將人工加速老化實(shí)驗(yàn)列入，以考查涂料的耐候性。人工加速老化實(shí)驗(yàn)的推廣應(yīng)用， 可以使行業(yè)內(nèi)更好地對(duì)涂料的耐老化性能進(jìn)行把關(guān)， 從而保證涂料在實(shí)際使用中保持良好的裝飾及保護(hù)性能。
