顏料氙燈老化與自然曝曬測試耐候性的相關性研究

近年來,人們越來越關心涂料中顏料的耐候老化性能。當室外涂料受到大氣條件下光照、溫度、潮濕等因素的影響,會產生褪色、色遷移、色強度變化等老化現象。自然戶外曝曬和加速老化試驗箱是測試材料耐候老化性能的主要方法。國內外涂料行業長期開展了戶外大氣老化測試。國內在海南、廣州、敦煌等地都有規模不等的戶外曝曬場,國際上通常作為基準曝曬地點的有美國的佛羅里達和亞利桑那、澳大利亞的阿倫加(Allunga)等。戶外曝曬測試有很多優點,如真實、便宜、易于操作等。戶外曝曬的測試時間相對較長,所以有必要進行試驗室加速老化測試。在加速老化測試方面,除少數的日本企業仍沿用碳弧燈外,主要的測試方法有紫外光照和氙燈兩種。然而,氙燈加速老化試驗箱不能模擬所有的老化參數,而且有一些測試變量容易引起錯誤的試驗結果,從而導致錯誤的結論。但是可以利用戶外曝曬的結果作為參考來檢驗加速老化測試的真實性,從后使得加速老化試驗更具有實際使用價值。

1 試驗目的

本文試驗目的是比較自然戶外曝曬與氙燈試驗室加速老化測試方法之間的結果,并通過試驗數據及數學計算,找出兩者之間的對應關系。

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A l l u n g a(緯度19°,南半球)進行,樣品架朝北,與水平面之間的夾角為19°。曝曬時間為24個月,并在不同時間段取出樣品,測試它們的顏色變化。測試樣品架及曝曬場如圖1所示。

圖一 戶外暴曬場

測試期間2007年及2008年的氣候條件如表1所示。

2.2 Q-Sun試驗室加速測試

2.2.1 氙燈試驗箱的老化原理

氙燈試驗箱可以模擬全光譜太陽光,包括紫外線、可見光和紅外線。其優點是1 a中任何時候都有重現性,快速,它是與日光源最接近的人工光源。氙燈產生的光譜必須經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。本次試驗中,采用日光過濾器,圖2顯示了這種過濾器產生的光譜,同時也顯示了295~400 nm的紫外線短波段的光譜圖。可以看出該光譜較好地模擬了太陽光譜。

大多數氙燈檢測設備通過水噴淋或濕度控制系統來模擬濕度的影響。水噴淋可很好地模擬熱沖擊和機械侵蝕。在測試系統中,為了防止水對樣品的污染,試驗用高純度的去離子水。氙燈試驗箱的工作示意圖如圖3所示。

2.2.2 氙燈試驗箱測試條件

按照表2測試條件對測試樣板進行曝曬,同樣在不同時間段取出待測樣板,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COLORTREND 1、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準檢測用平光外墻涂料中,使之達到1/25顏色標準深度。在震蕩機上震蕩3 min混勻,在預涂了底漆的鋁板上用100 μ m線棒涂布2道。在室溫放置5d后進行曝曬試驗。每種顏色的同一試驗各制備4塊樣板,3塊投入試驗,1塊作為標準板室內放置。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;氙燈試驗室加速測試按表2試驗條件運行2 000 h,樣板評估間隔周期為500 h。用分光光度計在D65標準光源下與標準板對比檢測顏色,記錄色差D E值。目測涂膜表面是否有失光、粉化、開裂、脫落及斑點等現象。本試驗中使用了高耐候的平光外墻涂料,經2 000 h氙燈及24個月自然曝曬,涂膜表面均無失光、粉化、開裂、脫落及斑點等現象,不影響顏色評判。

3 戶外曝曬與氙燈試驗室加速測試之間的比較

根據所得評估結果的數據,分別計算了自然戶外曝曬與氙燈試驗室加速測試方法之間的相關系數rs(spearman)。該相關系數指的是利用兩種不同的測試方法對一組樣品進行測試,所得試驗結果之間的相關性。

相關性系數rs的計算公式為rs=1-6∑d_i²/[n(n²-1)]

其中,n是樣品的個數,d_i是兩列排序中每一組排位數之間的差值。rs越接近于1,相關性越好。通過以上方法求出自然戶外曝曬與氙燈試驗室加速老化測試結果之間的相關系數,并對試驗數據進行評估,解決大家通常比較關心的問題——對于不同顏料類型,如果試驗室加速測試與戶外曝曬結果的相關性足夠好,那么在氙燈試驗箱中測試多少小時相當于在戶外曝曬多少個月的結果。

6種樣品在戶外曝曬的顏色變化(D E)的值如圖4所示。

氙燈試驗室加速測試的顏色變化(D E)的值如圖5所示。

觀察圖4、圖5的數據,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生變化,而且隨著試驗時間的增長,DE的值都在增加。在計算氙燈測試2 000 h相當于戶外曝曬多少個月之前,我們需要知道它們之間的相關性如何。只有在相關性好的情況下,計算氙燈測試2 000 h相當于戶外曝曬多少個月才有意義。

由rs=1-6∑d_i²/[n(n²-1)]

計算,得出Allunga自然戶外曝曬與氙燈試驗室加速測試之間的相關系數。以500h氙燈與6個月自然曝曬之間的相關性為例,相關系數rs 的計算方法如表3。

依據公式rs=1-6x[(1-1)²+(6-6)²+(4-5)²+(3-2)²+(5-4)²+(2-3)²]/6x(6²-1)

則rs=0.89

所有相關系數的數值如表4所示。

從表4可以看出,A l l u n g a戶外曝曬6個月、9個月、12個月、18個月、24個月的結果與氙燈試驗箱500 h、1 000 h、1 500 h、2 000 h各時間段的相關性都比較好。

根據圖4、圖5的顏色變化數據可知,在氙弧燈試驗箱中測試2 000 h,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箱中測試1 000 h、1 500 h、2 000 h樣品發生的顏色變化為基準,計算每種樣品在氙弧燈試驗箱中測試1 000 h、1 500 h、2 000 h分別相當于戶外曝曬多少個月,然后取其算術平均值。通過計算,其對應關系如表5所示。

4 結 論

戶外測試是試驗室加速老化測試的基礎。通過本文研究,我們認為兩者試驗數據間有一定的關聯性。我們也進一步認識到積極開展戶外老化測試,并用以指導試驗室加速測試的重要性。當然兩者之間的對應關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行試驗。不同的涂料體系會得到不同的結果。如果涂料體系、顏料類型、或顏料含量等任意一項發生改變,我們只能對最終結果作推測。因為這些改變可能對最終結果產生較大的影響。