橙色顏料的耐光性和耐候性的分類及在水性乳膠漆中的研究|Q-SUN氙燈老化測試

Spektrochem的Artur Palas博士在本論文中討論了評估顏料的方法，在本案例中，橙色顏料在水基建築塗料中作為外牆和室內使用的塗料。（本文節選部分內容，如需全文，歡迎致電【13202947058】谘詢獲取）

介紹：

無論是幹顏料還是顏料濃縮物(著色劑)，它們都可以獲得彩色塗層，不僅可以裝飾我們的室內、圍欄和外牆，還可以作為安全標誌，例如用於標記交通路線或警告標誌的油漆。從操作和經濟的角度來看，它們的耐久性極其重要，需要了解它們對天氣條件的耐久性，以便用於不同的應用，從暴露在太陽輻射下到在高溫下操作。由於作為化合物的顏料易受其性質變化的影響，在建築塗料中更為明顯，因此必須對它們進行適當分類和表征，以便在配方中正確使用。

在文章中，我重點介紹了市場上存在的顏料分類及其對光（耐光性）和天氣因素（耐候性）的抵抗力，以及使用各種方法將三種不同的有機橙色顏料暴露在人工（實驗室）光源和天氣條件的加速作用下的案例研究。這篇文章致力於評估水性建築塗料中的顏料---橙色顏料，作為外牆塗料，因天氣條件而褪色，在室內塗料中因窗戶玻璃的光線照射而褪色的方法。本文還以數據的形式舉例說明了在模擬實驗室條件下對這些因素的抵抗力，塗料工業需要開發室內外使用的耐候性和耐光性穩定的乳膠漆塗料。這些數據通常應包括在指導配方和起點配方中，這將大大加快塗料生產公司的研發工作，最重要的是，決定是否接受給定的原材料進行測試。

圖1. 用於案例研究的各種輻射源曝曬測試的帶橙色顏料的乳膠漆

顏料的耐光性試驗

顏料的標準分類基於ASTM D4303“藝術家使用的著色劑耐光性的標準測試方法”，該方法描述了四種測定耐光性的曝光方法，這些方法後來被用於技術材料中，以確定給定顏料的耐光性。盡管該標準適用於藝術塗料中使用的著色劑，但它也被顏料製造商廣泛用於耐光性的一般分類。該標準一開始就強調，它適用於隨時間推移的近似顏色變化，非常重要的是，適用於室內使用的著色劑(隱含也是顏料)，它們通過窗戶玻璃暴露在日光下。

根據ASTM G113“關於非金屬材料自然和人工老化測試相關的標準術語”，耐光性被定義為人工加速照射，是指材料暴露在實驗室輻射源下，以模擬窗戶玻璃過濾的太陽輻射或來自室內照明源的輻射，並且樣品可能會受到相對較小的溫度和相對濕度變化，試圖更快地產生與材料在室內環境中使用時相同的變化(討論:這些曝曬通常被稱為褪色或耐光性測試)。

ASTM D4303試驗方法描述了4種確定藝術家材料顏料耐光性的方法，其中兩種是基於自然條件下的曝曬，另外兩種在氙燈老化試驗箱中進行：

●測試方法A:在佛羅裏達州南部透過窗戶玻璃的自然日光下曝曬

●測試方法B:在亞利桑那州透過窗戶玻璃的自然日光下曝曬

●測試方法C:在模擬日光過濾窗戶玻璃的非濕度控製氙燈老化試驗箱中進行曝曬

●測試方法D:在濕度控製的氙燈老化試驗箱中，模擬透過窗戶玻璃的過濾日光下曝曬

所用的方法在進行展覽的方式以及進行展覽的現場站的位置上有所不同。方法A是在亞熱帶潮濕氣候的佛羅裏達州進行曝曬，而方法B則是在亞利桑那州的沙漠中進行曝曬。方法C和D則是在氙燈老化試驗箱中進行曝曬，它們之間的區別在於曝曬時可以控製室內的濕度（方法D）。在每種情況下，都是通過來自氙弧燈（方法C和D）或自然太陽輻射的過濾太陽輻射來進行曝曬的。ASTM D4303測試方法還指出，希望將著色劑暴露在熒光下的用戶應參考ASTM D4674 "暴露在室內辦公環境中的塑料顏色穩定性加速測試的標準做法"，這裏應提供更多的定義，例如：

窗玻璃的老化(ASTM G113)是一種將試樣暴露在由木質金屬或其他令人滿意的材料構成的玻璃框架中，以保護試樣免受雨水和天氣的影響。框架的背麵或側麵應是開放的，以允許環境空氣在樣品上循環流通的老化技術。

氙弧燈(ASTM G113)是一種激發態氙等離子體，發射紫外線、可見光和γ輻射，通過讓高強度電流通過含有氙氣的石英管產生(討論:對於加速老化，氙弧燈的光譜功率分布通常通過特定類型的過濾器進行修正，以模擬地麵太陽輻射或透過窗戶或汽車玻璃的太陽輻射)。

玻璃(ASTM D4303) -在這些測試方法中，玻璃指的是單強度窗戶玻璃。

ASTM D4303 曝曬方法

對於方法A，在緯度27°以下的佛羅裏達州南部，對通過窗戶玻璃過濾的自然日光進行曝曬，用這種方法測試鋁基材上的油畫顏料或丙烯酸分散體藝術塗料。按照ASTM G24的做法，在10月至5月期間，將樣品放在玻璃下的一個開放的架子上，與麵向南方的水平麵成45°角，使玻璃上入射的總的太陽（290至2500nm）輻射劑量為1260MJ/m2。在這個方法中，我們處理的是ASTM G113定義的典型自然老化，即材料在室外暴露於不集中的陽光下，其目的是評估環境因素對各種相關功能和裝飾參數的影響。

方法B是基於在亞利桑那州的樣品暴露，亞利桑那州是一個幹燥的沙漠氣候。根據建議，曝光方法B適用於無法抵抗佛羅裏達州濕度和溫度波動的紙質藝術印刷品樣品，如水彩、水粉、彩色鉛筆、彩色水油墨和粉彩。曝光是在一個封閉的黑盒子裏進行的，盒子裏有一個小風扇來循環空氣。按照ASTM G24的做法，在10月至5月期間，樣品的放置與麵向南方的水平麵成45°角，使入射在玻璃上的全球太陽（290至2500nm）總輻射劑量為1260MJ/m2。

在這種情況下，曝光是在另一個裝置中進行的，這個裝置就是黑箱，ASTM G113將其定義為外部塗成黑色的平坦的金屬箱，不包括底麵，底部表麵有一個開口，待曝光的扁平試樣構成了箱的頂部：箱內裝有安裝條，可將試樣牢固地固定住；箱的頂麵必須始終完全填充；頂部表麵的任何空白空間必須由黑色的 "假 "板占據以保持正確的操作條件。在方法B的情況下，曝光是在玻璃下進行的，這反過來將ASTM G113定義為玻璃下的黑箱，指任何尺寸的玻璃覆蓋的外殼或櫥櫃。它應由耐腐蝕金屬構成，並且是封閉的，以防止環境空氣在樣品上循環。外部非玻璃表麵應塗成黑色。內部應保持不塗漆。這種類型的曝光被定義為加速戶外老化，是指根據ASTM G113戶外老化測試標準，以太陽為輻照源，通過將一個或多個影響參數增加到自然環境中來加速老化的速度。

根據方法C和D，曝光是在氙弧老化箱中進行的，根據ASTM G155將輻照度檢查點設定為0. 35W/m2@340nm，持續照射，直到在340nm處達到510K/(m2. nm)的總輻射量，這相當於1260MJ/m2的總太陽輻射，這是用方法A和B進行的。曝曬期間的溫度被設定為63℃黑板溫度（無絕緣）。在使用氙弧的測試方法D中，如果儀器允許，可在曝曬期間設置濕度的試驗室，相對濕度控製為55%，空氣溫度為43℃。

圖2. 使用Q-SUN氙燈試驗箱根據ASTM D4303程序C測試的橙色顏料樣品

顏色變化的評估和顏料的分類

在完成對每種ASTM D4303測試方法的曝曬後，通過CIE 1976 L*a* b*顏色坐標和顏色變化計算（ASTM D2244慣例）來評估和測量塗料。計算出標準的ΔE*ab，並根據ASTM D4306的規定，按照表1所示的類別將結果分類。

表1. 根據ASTM D4303標準的耐光性分類

根據AATCC的耐光性分類

然而，在實踐中，顏料耐光牢度的分類比AATCC等級更常見。它是由AATCC(美國紡織化學家和著色師協會)開發的褪色單位標準，ASTM G113將其定義為在各種測試方法規定的條件下進行的特定曝光量，其中一個AATCC褪色單位(AFU)是產生顏色變化所需曝光量的二十分之一(1/20)，該顏色變化等於顏色變化灰度標度上的第4級或藍色羊毛耐光牢度標準L4上的1.7±0.3 CIELAB色差單位或氙氣標準織物上的20±1.7  CIELAB色差單位或其組合。灰度被定義為由九對標準灰度碎片組成的標度，每對碎片代表對應於一個牢度等級的顏色或對比度(色調和強度)的差異。染色牢度測試的結果通過目測比較色標所代表的顏色差異來評定。

總結

本文提供的案例研究表明，對於相同的顏料，可以獲得完全不同的色調變化結果，這取決於為確定耐光性或耐氣候性而進行的曝光類型，以及取決於所製備的配方、著色劑的類型和配方中存在的其他原材料。所獲得的結果可能導致完全不同的褪色值、褪色變淺或變暗。這就是為什麼分析顏料在特定類型的輻射下的抗褪色性以及針對特定類型的粘合劑選擇顏料是如此重要的原因。當使用電阻表解釋顏料對光和風化的穩定性時，這一點尤其重要，電阻表通常基於用溶劑或其他粘合劑進行的測試，與水性粘合劑相比，這些測試給出了不同的結果。在不同緯度操作塗料時，不僅要考慮橙色顏料的應用，還要考慮其他顏料的應用。暴露在太陽輻射和天氣條件下的情況在波蘭不同，在印度南部、印度北部或南美洲也不同。這裏特別呼籲為各種應用選擇顏料的顧問，要始終依靠案例研究，並指導基於特定粘合劑的特定配方，正如我在這裏以水基建築塗料為例所討論的那樣。

當配製外牆塗料或內牆塗料的配方時，使用基於藝術塗料指南的耐顏料表及其在油性粘合劑中的測試，或者轉換從烘箱交聯三聚氰胺粘合劑中獲得的耐光性和耐候性結果，都不是一個好主意。本文中討論的示例是確定建築底漆和著色係統配方的建議，這些非常重要，因為它們決定了經濟性和經濟性，影響了噴漆頻率，從而影響了油漆消耗以及日益重要的生態、碳足跡等。

作者：Artur Palasz, Ph.D. Spektrochem, Formulation and Raw Materials Research, Laboratory for Architectural Paints, Poland

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