腐蝕與加速老化綜合試驗:十幾年研究驗證了這一理念

當涂層受紫外光照射質量下降時，常常更加不耐腐蝕。上世紀九十年代初，ISO和ASTM就規范了腐蝕與加速老化綜合試驗方法。當前，該方法仍被視為確定工業維護涂層有效性的最有效的試驗方法。

本文回顧了不同工業維護涂層系統目前進行該試驗的結果，包括較低揮發性有機化合物涂層，如水性丙烯酸涂層和硅基涂層。此外，一些行業專家針對腐蝕/老化試驗提出了他們的見解，同時推薦針對特殊應用而開發改進的試驗循環。

背景

腐蝕加速試驗是用于測試耐腐蝕性能的優選方法。在加速試驗中，相比運行環境，實驗室暴露條件與實際環境越接近，得到的數據則越有用。

傳統的、應用最廣泛的腐蝕加速方法是鹽霧法，即在35°C下連續噴灑5%的鹽溶液。該試驗(ASTM B 117)在1914年左右首次應用于腐蝕試驗。即使長期以來人們都知道傳統鹽霧法不能最大程度的模擬運行環境，然而在很多材料規范中它都被列為必備試驗方法。

上世紀六十年代初，工程師和科學家們就嘗試建立循環腐蝕試驗方法，以更準確地預估出材料的腐蝕性。相比傳統的穩態暴露方法，循環腐蝕試驗更具有現實意義。由于實際暴露環境通常包括潮濕和干燥兩種條件，因此應在這些自然循環條件試驗后再進行實驗室加速試驗。研究證明，采用循環腐蝕試驗，其相對腐蝕率、結構和形態與戶外更接近。因此，相比傳統的鹽霧試驗，循環腐蝕試驗通常與戶外環境具有更好的相關性。

目前已設計開發出多種不同的循環腐蝕試驗方法。簡單循環法(如Prohesion，該方法尤其適用于測定工業維護涂層)包括鹽霧和干燥條件之間的循環。更精密的方法則需要采用包含多個步驟的循環，除鹽霧和干燥外，還包括靜置、潮濕、飽和濕度或其它條件。這些試驗均采用潮濕/干燥循環，以開發模擬更接近戶外循環條件的實驗室條件。腐蝕與加速老化綜合試驗方法是循環試驗的一種，由Sherwin Williams公司的研究人員于上世紀八十年代開發出，用于檢測工業維護涂層。

腐蝕與加速老化綜合試驗

Sherwin Williams研究人員通過Prohesion試驗研究三種涂層系統，發現在多個涂層作用時Prohesion本身并不會將不同類別進行區別(醇酸(鉻酸鋅抑制劑) – 醇酸外涂層;丙烯酸乳膠(偏硼酸鋇抑制劑)– 丙烯酸乳膠外涂層;環氧聚酰胺(磷酸鋅抑制劑) – 環氧聚酰胺外涂層)。

理論上，隨著紫外光曝曬涂層質量下降，會降低耐腐蝕性能，因此開發設計出新的腐蝕與加速老化綜合試驗方法。新的試驗方法綜合了Prohesion(ASTM G85)和QUV®紫外光曝曬兩種試驗法(ASTM G154)。

在進行了新的循環腐蝕與加速老化綜合試驗后，三個涂層系統的性能排序與實際運行環境的排序保持一致(見表1)。同時發現，相比僅使用Prohesion法或傳統鹽霧法，產品的總腐蝕率和形態與戶外情況更加接近。Sherwin Williams的研究員Brian Skerry總結認為，腐蝕與加速老化綜合試驗的排序結果與戶外的排序結果最為接近。但也不難推斷出，曝曬溫度、試驗時間和循環順序較好與最終應用環境的相同。

表1:Sherwin Williams戶外與實驗室曝曬的排序關系

腐蝕與加速老化試驗循環

腐蝕與加速老化試驗循環包括一周的Prohesion試驗和一周的QUV加速老化試驗交替進行，試驗條件如表2所述。一般試驗持續約2000小時。

隨著時間的推移，證明腐蝕與加速老化綜合循環試驗可對水性涂層的性能進行有效等級評估。該新方法應用于上世紀九十年代中期(ISO 11997-1&2和ASTM D5894)。顏色和光澤保持率均在ASTM D5894標準中有所說明。

表2：腐蝕與加速老化試驗循環的試驗條件

驗證腐蝕與加速老化綜合試驗

克利夫蘭涂層學會(CCS)、鋼結構油漆委員會(SSPC)和幾家制造商已對腐蝕與加速老化綜合循環試驗進行了深入研究。研究已證明，(相比其它加速腐蝕試驗)該試驗方法可更真實模擬表面形態劣化、腐蝕產品形成和相對涂層性能。采用綜合試驗法得出的試驗結果與戶外評估結果更接近(見表3)。

表3：不同試驗循環和實際海洋環境的相關性

鋼結構油漆委員會(SSPC)對15個不同的系統進行了試驗，包括醇酸、丙烯酸、環氧和聚氨酯橡膠。SSPC比較了腐蝕與加速老化綜合試驗、傳統鹽霧試驗、采用5%氯化鈉溶液的循環鹽霧試驗、Prohesion試驗和兩種循環浸漬試驗的結果與戶外腐蝕的結果(31個月)。

SSPC研究確認，腐蝕與加速老化綜合試驗可提供與惡劣戶外海洋暴露條件最一致的環境。

克利夫蘭涂層技術學會(CSCT)研究了多個實驗室加速腐蝕試驗與惡劣戶外運行環境的相關性。研究的加速試驗包括鹽霧(ASTM B117)、潮濕-干燥循環(5%鹽溶液)、Prohesion和腐蝕與加速老化綜合試驗。戶外試驗場包括新澤西州、北卡羅萊納州海岸、佛羅里達州、加利福尼亞內陸、加利福尼亞海岸、俄亥俄州、密蘇里州以及俄勒岡州。試驗樣品是以冷軋鋼為底板的9種涂層。

評估方法包括常用于評估漏電、生銹、起泡、絲狀腐蝕和鏡面光澤的ASTM評估法。用Spearman相關系數來比較戶外結果與實驗室結果。

比較起泡和表面生銹程度時，CSCT發現ASTM B 117鹽霧法與戶外環境相關性不大。采用5%氯化鈉溶液的潮濕-干燥試驗法比B 117鹽霧法的相關性稍好。腐蝕與加速老化綜合法與大多數戶外試驗場的相關性較好。

美國國家公路與運輸協會(AASHTO)進行15個腐蝕與加速老化綜合試驗循環，對專用于鋼鐵表面(如橋梁)的富鋅底漆的涂層系統進行評估。如Corbett所說：“ASTM B117更常被稱作“鹽霧”法，是腐蝕試驗公認的行業標準，有些人認為該標準已過時，而傾向于使用ASTM D5894標準。ASTM D5894是綜合腐蝕試驗和紫外光暴露試驗的循環腐蝕試驗法，該方法與‘現實世界’環境條件更接近。”

腐蝕與加速老化綜合試驗法修改

由于在加速的形式下模擬大氣腐蝕，ASTM D5894一般公認為是傳統鹽霧試驗(B117)的實質性改進。然而很少有一個試驗就能充分展示出在復雜環境中(內陸煉油廠)使用的涂層特點?！皩⒂幸饬x的試驗方案綜合起來的第一步是定義涂層工作的環境?！?/p>

多年來，許多研究人員對腐蝕與加速老化循環法進行修改，以適用于特定材料或應用。以下為幾個相關示例：

荒漠工業環境是非常特殊的一種情況。實踐證明，在科威特等工業區的條件下，涂層劣化似乎比開發大部分涂層的西方國家更迅速。在11個工業涂層系統的研究中，將來自科威特工業地帶的五個區域的兩年半的數據與主要工業環境條件的相關涂層性能進行比較。

實驗室試驗包括對較早期腐蝕與加速老化試驗項目進行修改等。采用了不同的循環和方案，以便更好地模擬科威特的工業環境。實驗室試驗綜合了采用5%氯化鈉和3000ppm硫酸溶液進行100小時的鹽霧試驗，然后室溫下干燥16小時，再在60°C下的QUV條件下暴露12小時，最后在40°C下冷凝12小時。研究人員發現該試驗循環可提供與科威特工業環境極為相關的條件。

國際集裝箱出租商協會(IICL)針對集裝箱涂層已采用腐蝕與加速老化綜合循環試驗的更新版本進行試驗。由于集裝箱需要在海上運輸的特點，從而增加了腐蝕的潮濕時間(試驗規定在30°C下噴霧4小時，在40°C下干燥2小時)。

美國聯邦公路管理局發現ASTM D5894標準的“邏輯試驗方法”是針對較熱氣候的，從而制定出了針對較冷氣候的包含冷凍/融化循環的改進版暴露程序。其變更包括測試橋梁涂層的機械應力和考慮了熱循環。進行紫外光和連續冷凝的循環后進入低溫期，最后再進行鹽霧和干燥循環。該循環條件參見法國標準NF T 34–600–1997的附錄B。

Rohm和Haas對ASTM D5894試驗稍加修改，采用較低的冷凝和紫外光暴露溫度。針對其涂層，Rohm和Hass“發現該循環試驗的結果與戶外暴露的結果更接近。”

結論

在其制定了20年后，工業專家仍一致認為，腐蝕與加速老化綜合試驗法是測試易受光照影響發生退化的涂層耐腐蝕性的較好方式。該方法已經過一系列的相關加速和戶外試驗結果的驗證。

研究人員通過修改ASTM和ISO中的原方法，加入酸性溶液、進行冷凍/融化循環和其它調整，開發出與產品的最終使用環境更接近的條件，對試驗結果進行了成功驗證。

Sherwin Williams公司的Skerry 對此進行了較好的總結：“雖然強烈推薦(腐蝕與加速老化綜合試驗法)，但這個實驗方法并不是萬靈藥。性能關聯性的量化、試驗循環條件以及試驗時長因素優化方面，還有待進一步改善。盡管如此，該方法仍是目前最可行的試驗方法。它提供了多種可能性，使我們能針對特定用戶需求進行客觀化修改?！?/p>