通過q-lab老化試驗箱分析木材塗層老化和預測其耐久性

摘要

木器塗料的性能分別通過EN927-6和EN927-3的人工氣候試驗和自然氣候試驗進行評價。在這兩種情況下，暴露後樣品的降解主要通過視覺評估來控製，如開裂、剝落、起泡、粉化、黴菌生長。與未暴露的樣品相比，這些主觀評估按0(無變化)至5(嚴重變化)的等級進行評級。為了避免降解過程中的主觀解釋，通過分析方法對木材塗層老化進行了分析。本文報道了通過量熱法研究對人工和自然老化的分析。目的是研究兩種暴露類型的玻璃轉化溫度Tg的變化，並找到Tg和木材塗層係統耐久性之間的聯係。

在不同類型的老化過程中，醇酸染色劑的玻璃轉化溫度的變化

在以前的研究項目中，研究木器塗料的自然和人工老化的方法是在醇酸樹脂染色劑上開發的。它包括測量聚合物的玻璃轉化溫度(Tg)隨老化時間的變化。Tg是一個有趣的特性，因為它根據聚合物的結構參數而變化，如表1所示。

不管是什麼類型的老化，實驗結果表明，玻璃轉化溫度在老化初期會增加，然後穩定在一個漸進的Tg∞值，如圖1所示。這些變化是典型的朝向極限值的指數式增長。為了描述Tg隨時間的變化，提出了一個模型如下：

Tg (t) = Tg₀ + Tg₁ (1-exp(-t/τ ))

其中 Tg = Tg₀ 當 t=0 和Tg → Tg∞ = Tg₀+Tg₁ 當t→∞

τ是一個時間常數。

由於紫外光和溫度的影響，塗層交聯繼續進行。如表1所解釋的，新的鍵形成導致Tg增加。在所研究的老化期間，由於沒有觀察到Tg的降低，大分子網絡沒有發生化學降解。

人工和自然老化可以用三個數據來表征:Tg₀、Tg∞和τ。 在三種類型的老化之後，對醇酸汙漬的這些數據進行了比較:

巴黎附近12個月的自然老化

在輪轂上進行1300小時的人工氣候老化(循環=在蒸餾水中12分鍾，在環境大氣中27分鍾，在6個紫外燈下24分鍾，在環境大氣中27分鍾)

在q-lab老化試驗箱QUV中進行500小時的人工老化(周期=用UVB-313nm照射5小時，噴水1小時)

結果見表2。

自然老化後，醇酸汙漬的最高玻璃轉化溫度約為27℃。用砂輪進行人工老化後，最高玻璃轉化溫度約為25 ℃,這與自然老化後獲得的玻璃轉化溫度非常相似。這意味著輪轂再現了在自然老化中觀察到的Tg變化。在q-lab老化試驗箱QUV中人工老化後，醇酸汙漬的最大玻璃轉化溫度為約16 ℃,這比在自然老化和用輪轂人工老化中獲得的值低得多。

自然老化的時間常數τ約為700小時，用輪轂人工老化約為60小時，用q-lab老化試驗箱QUV人工老化約為50小時。因此，輪轂將自然老化過程中觀察到的現象加速了約12倍，而QUV產生的加速度約為14倍。

此外，所開發的模型允許表達塗層的固化速率

紫外線吸收劑對玻璃轉化溫度變化的影響 用用3%紫外線吸收劑(羥苯基苯並三唑)改性的相同醇酸著色劑進行了類似的實驗。圖2顯示了使用輪轂進行人工老化的結果示例。

所建議的模型對於含有紫外線吸收劑的醇酸汙漬仍然有效:觀察到Tg增加，然後穩定，但是數值低於沒有紫外線吸收劑的相同塗料的數值。在沒有紫外線吸收劑的塗層上可以觀察到裂紋，而具有添加劑的塗層是完整的。由於其較低的Tg值，這種材料更加靈活，可以更好地適應木材的尺寸變化。

自然老化周期對玻璃轉化溫度變化的影響

對於自然老化，暴露時間對Tg變化有影響，最高室外溫度和Tg之間的聯係如圖3和圖4所示。

在圖3中，在老化的第一個月，室外溫度高於Tg。聚合物可以繼續交聯，導致Tg增加。從九月開始，室外溫度明顯下降。它導致Tg的穩定。低溫阻礙了聚合物網絡的形成。在圖4中，在最初的幾個月中，室外溫度低於Tg，並使網絡保持其狀態。這就是Tg變化不大的原因。從三月開始，室外溫度的升高使得Tg升高。與之前一樣，從9月份開始，室外溫度的下降導致Tg趨於穩定。

不同類型塗層在不同類型老化過程中玻璃轉化溫度的變化

上麵建議的模型是在醇酸染色劑上開發的。因此，使用不同類型的塗料(溶劑型和水性)和不同類型的老化進行了進一步的實驗，以檢查該模型是否可用於所有情況。

表3中描述的五種塗層係統已經應用於樟子鬆樣品。

將樣品暴露於三種不同類型的老化中，並在不同的老化時間進行Tg測量。比較了以下結果:

巴黎附近的自然老化，曆時13個月

在1200小時內用輪轂進行人工老化(與上述周期相同)

用q-lab老化試驗箱QUV進行人工老化:在這種情況下，循環與上述不同，但如下進行:48小時冷凍(-20℃)，然後24小時冷凝(45℃)，然後在96小時期間(3小時UV-340nm，然後1小時噴霧)。一個周期持續1周，一直重複12周(2016h)。這個循環來自於同期進行的Arwood項目。

已經使用了模型Tg (t) = Tg0 + Tg1 (1-exp(-t/τ))。由於以下計算，實驗數據和計算數據之間的距離已經最小化:

則決定係數r計算如下:

給出了QUV(圖5)和輪轂(圖6)人工老化期間係統WB3的結果示例。

對於每個塗層係統，即使使用q-lab老化試驗箱QUV，在自然老化中獲得的Tg∞值也接近在人工老化中獲得的值。因此，這裏使用的循環(來自Arwood項目)比之前的循環(5h UV-313nm+1h噴霧)更有趣，可以再現自然老化中發生的情況。

r²的值表明，該模型很適合所有的塗層，也許除了WB2。

經過一年的自然老化後，對樣品的檢查沒有發現任何缺陷。對其他塗層在自然老化2年後的類似研究表明，出現裂紋的塗層的Tg值高於30℃。因此，通過配製Tg值低於30℃的塗層，可以獲得更好的耐久性。

結論

通過測量玻璃轉化溫度(Tg)研究了不同塗層的自然和人工氣候老化。有人建議用一個模型來描述Tg的變化。這種型號似乎適用於大多數塗料。與自然老化相比，驗證不同的人工老化循環是有用的。已經顯示出Tg和耐久性之間的聯係。Tg值越低，耐久性越高。