使用QUV/spray材料老化測試儀對木材塗層進行耐候老化測試

老化測試背景

QUV/spray材料老化測試儀對木材塗層進行加速老化，通過模擬外部塗層木材的典型侵蝕和清潔，將木材的含水量提高到加速試驗程序中的典型含水量以上，並使塗層經受比冷凝方法大得多的熱衝擊，從而非常接近自然老化。本文研究了在這種QUV試驗方法下各種外牆木器塗料的性能。

介紹

用於室外木製品如外牆板、甲板和門的塗料需要獨特的性能，如優異的光穩定性、高柔韌性和凍/融循環性能。開發了新的水性(WB)紫外光固化無共溶劑聚氨酯分散體(PUD ),以提供優異的室外耐候性、高柔韌性、增強的耐水性以及對木材和塑料等困難基材的改善的粘合性。本文將描述WB UV PUD的獨特固化能力、屬性和性能，以及使用QUV/spray材料老化測試儀模擬室外木器塗料的室外老化的老化結果。

輻射固化分散體

在過去十年中，各種各樣的產品已經在木材塗料市場上商業化。這些係統中最有前途的環保技術是水性紫外光固化PUD。UV-PUD的化學結構非常類似於由硬鏈段和軟鏈段組成的常規PUD的化學結構。每個部分的設計都有廣泛的原材料可供選擇，從而優化了各種各樣的性能。在大多數情況下，高性能軟鏈段有助於一定的柔韌性，而二(聚)異氰酸酯和短鏈二醇有助於硬度和電阻。已經報道了幾種引入丙烯酸雙鍵的途徑。根據我們的經驗，較好的聚合物性能可以通過沿著聚氨酯鏈引入雙鍵來獲得，而不是將丙烯酸單元僅連接到鏈的末端，或者將聚氨酯與丙烯酸單體或低聚物物理共混。丙烯酸單體/低聚物的使用可能帶來額外的工業衛生問題和穩定性問題。

以PUD為基礎的塗料在木器塗料市場展現出很好的增長機會。這種塗料的關鍵特性是其與傳統聚氨酯塗料的相似性，即施工方法、幹燥時間和性能屬性。

重均分子量高於200000的紫外光固化水分散體；這比由不飽和丙烯酸酯和反應性稀釋劑組成的傳統的100%固體UV體係高許多倍，這是一個非常顯著的優點。這就是為什麼水性體係需要更少的自由基交聯來獲得所需的性能。這一特性為各種傳統和獨特的固化方法提供了可能性。這些高分子量聚合物還減少了與傳統低分子量丙烯酸低聚物相關的皮膚刺激危險。

紫外線固化

在光引發劑的存在下，紫外輻射引發塗料固化。它可以通過自由基或陽離子機製。許多供應商提供多種型號和類型的紫外線固化設備。通常，固化係統由高壓電源、控製麵板和固化頭組成。在UV固化中通常使用兩種類型的燈，即常規弧光燈和微波燈。燈的光譜輸出可以通過用各種微量金屬摻雜燈來調節。每盞燈都有以納米波長測量的特定輸出。配方師麵臨的挑戰是將光引發劑的吸收與燈的光譜輸出相匹配，以固化塗層，尤其是在高填充/著色係統中。期望的結果是可以滿足幾個市場標準的高度交聯的膜。此外，UV塗料是環保的——大多數係統通常不含溶劑，因此排放物(VOC/VHAP)和可燃性不是問題。

用於外牆塗料的水性紫外光固化聚氨酯

可UV固化的PUD可以滿足外牆塗料的苛刻性能要求。這些新材料由高端脂肪族二(聚)異氰酸酯和精選多元醇組成，具有堅韌的彈性。表1顯示了可紫外線固化的PUD的典型性能:

表2顯示了當配製基於可紫外線固化的PUD的透明塗料時可獲得的性能範圍:

基於UV可固化PUD的配方易於修改以滿足各種應用方法，例如刷塗、常規噴塗、無氣噴塗、真空塗布和輥塗。傳統的水性添加劑可用於改善表麵潤濕、消泡、抗粘連和表麵外觀性能。與傳統的UV固化塗料相比，UV固化PUD的低光引發劑需求提高了成本效率。標準的紫外線吸收劑和光穩定劑可以加入到配方中，以改善室外耐久性和光澤保持性。加入丙烯酸乳液可以提高性價比，增強特定的性能要求。

耐候木製品塗料

術語“木製品”用於定義建築行業的各種製造部件。這些組件用於室內和室外應用，如窗戶，門和成型。根據其最終用途，內外牆塗料可能有完全不同的性能要求。

例如，一些高端窗戶製造商提供10年的外窗耐久性保修。所用的麵漆通常是非常高性能的塗料，因為它們需要非常高的耐候性、保光性和柔韌性。使用雙組分(2K)聚氨酯是因為它們的高性能。

環境法規在不斷變化，以減少工廠排放和配方塗料中的VOC。這些命令可以在聯邦、州甚至地方一級強製執行。例如，南海岸空氣質量管理區(SCAQMD)針對透明和有色封閉漆、麵漆和底漆製定了1136規則。揮發性有機化合物的限量將降至250克/升。下表說明了幾個組織方案:

木製品製造商要求他們的塗料供應商提供低VOC、高生產率和高性能的塗料。基於UV-PUD的木器塗料的配方可以低於150克/升，並提供優異的應用和性能。

陽光固化塗料

UV塗料主要用於OEM工廠，這些工廠需要非常快的生產速度和優秀的性能。最近已經進行了工作來開發可以通過自然陽光進行紫外線固化的WB紫外線塗料配方。這項技術正在探索在DIY室外木器塗料市場的潛在應用。除了木器塗料，這項技術也適用於其他市場領域，如室外混凝土塗料。

太陽發出UVA、UVB和UVC波段的紫外線輻射，但由於大氣層臭氧層的吸收，到達地球表麵的紫外線輻射中有98.7%是UVA。由於UV PUD的高分子量，有可能配製出既能物理幹燥又能在來自太陽的直接UVA輻射下光聚合的塗料。這是通過將WB UV PUD與選擇的光引發劑結合使用來實現的，所述光引發劑在315 - 400 nm的UVA範圍內具有明顯的吸收峰。

陽光固化塗料肯定有其局限性，特別是需要陽光直射來光聚合塗膜。基於賓夕法尼亞州匹茲堡多雲條件下進行的發育篩查。發展表麵硬度所需的陽光直射量低得驚人。

利用各種固化方法進行實驗以評估表麵硬度和穿透硬度特性。製備一種配方，該配方由可紫外固化的PUD、熱塑性PUD、光引發劑和水基配方中使用的典型表麵活性劑和消泡劑組成。製劑的固體體積為約24%固體，VOC小於1磅。/gal。將液體塗料以8密耳的濕度施塗到玻璃板上，形成1.5-2.0密耳的幹燥厚度(約37微米)。對幾塊玻璃板進行塗覆，以評估如下各種固化方法:

1.發射UVA、UVB和UVC的高強度燈(汞燈)

2.僅發射UVA的低強度燈(4分鍾曝光時間)

3.賓夕法尼亞州匹茲堡的陽光直射。(水平曝光)

4.黑暗的房間——沒有燈光

圖2顯示了使用擺式硬度計的塗膜表麵硬度特性。令人驚訝的是，對於各種UV固化方法，包括陽光固化，在1天、3天和5天時，表麵硬度非常相似。暗室麵板顯示了無紫外線照射對硬度的顯著影響。陽光固化板在5天後硬度繼續顯著增加，而其他紫外線固化方法的硬度增加非常輕微。

還進行顯微硬度測試以測量塗膜的完全固化性能。使用金剛石壓頭穿透薄膜1.5微米深度，以測量穿透硬度。圖3中的結果顯示了基於所用固化方法類型的適度不同的硬度值。陽光固化膜在最初和7天時具有較低的穿透硬度性能。然而，如圖2和圖3所示，直射陽光膜的表麵硬度和穿透硬度隨著時間的推移不斷增加。

除了硬度性能之外，還評估了耐溶劑性，結果顯示各種UV固化方法的性能非常相似。與UV固化膜相比，放置在暗室中的膜顯示出顯著較低的耐溶劑性。

QUV/spray材料老化測試儀

1996年，一項名為“Arwood”(一種可靠的木材塗層人工老化測試)的廣泛的歐洲木材項目獲得批準，以開發一種用於木材塗層的標準人工老化方法。該項目涉及十個木材研究所和四個工業夥伴。該項目的主要目的是在短時間內評估室外木器塗料的耐久性，並證明其與自然老化的良好相關性。

在用不同的塗層係統、木材基材和人工老化條件進行了多次循環暴露試驗後，確定了一種標準方法。該研究項目的結果導致以下結論。

UVA-340熒光紫外燈非常適合模擬陽光的降解效應

必須包括冷凝和噴水，以模擬老化過程中水分的不同方麵

根據“Arwood”項目的結論，選擇了帶熒光UVA燈的QUV/spray材料老化測試儀來評估各種木材塗料配方。該裝置通過模擬外部塗層木材的典型侵蝕和清潔，將木材的含水量增加到加速試驗程序中通常發現的含水量以上，並使塗層經受比冷凝方法大得多的熱衝擊，從而非常接近自然老化。

QUV/spray材料老化測試儀冷凝係統的一個重要特征是，麵板實際上形成了試驗箱的側壁，並提供了將熱水蒸汽保持在試驗箱內的封閉。在冷凝循環期間，水由水盤下麵的加熱元件加熱。水蒸氣充滿試驗箱，平衡時達到100%的濕度。水蒸氣不斷凝結在測試板上，測試板通過木質基材背麵的室內空氣保持在較低的溫度。冷凝水從測試板上流出，並流回水盤中。

噴水主要用於清除表麵的降解物質，並產生頻繁的冷衝擊。噴水也模擬外部塗層木材典型的腐蝕和清潔。噴霧和/或冷凝的任何組合都可以編程。噴淋係統由12個噴嘴(每側6個)和相關管道、控製裝置和排水管組成。噴嘴安裝在紫外線燈之間。當QUV噴淋時，燈是關著的。QUV/spray材料老化測試儀的設計如圖4所示。

選擇UVA-340燈泡是因為它們的紫外線波長與直射陽光相似。UVA-340燈的光譜輸出如圖5所示。

老化研究的方法、規格和持續時間如下:

QUV/spray材料老化測試儀- ASTM G-154-06，測試7，測試詳情如下：

總持續時間為2000小時

燈泡類型:UVA–340燈泡

輻照度:1.55

條件:

（1）60°C下進行8小時紫外線照射

（2）進行0.25小時噴水，無照明，無溫度控製，噴淋過程中7升/分鍾的水

（3）50°C下進行3.75小時冷凝

陽光固化塗料配方

設計並實施了一個項目來評估各種日光固化WB UV木器塗料的耐候性。主要目的是使用為室外木器塗料設計的QUV/spray材料老化測試儀測試塗料性能。為了評估紫外線吸收劑(UV-A)、受阻胺光清除劑(HAL)和/或粘合劑的效果，進行了幾種配方變化。

測試板由用商業木材防腐劑預處理的3″×12″鬆木基材組成。測試前，用刷子塗覆塗層，並讓其在陽光直射下固化至少7天。測試塗料僅由透明配方組成，對UVA、HAL和粘合劑進行了改變。還測試了商業白色染色劑的一些混合和覆蓋塗層。對每種製劑評價了下列包衣係統:

1.三層透明自封

2.一層商業白色著色劑，然後是兩層透明著色劑

3.兩層商業白色著色劑，外加25%的透明塗層

表4給出了測試的UV固化透明塗層係統的概述。

老化測試結果

每隔500小時對5個塗層係統進行評估。表5顯示了直接在鬆木基材上的透明塗層的60%光澤保持率。如表5所示，各種塗層的保光性差別很大。沒有任何UV-A或HAL的對照係統(A)顯示出最差的光澤保持性能。塗料體係B和D表現出中等的保光性能。基於UV PUD和選擇的UVA和HAL的塗料體係C和E表現出優異的保光性能。

除了保光性能之外，還評價了塗層的一般外觀性能。這些評估包括顏色、塗層開裂、滲色、基底開裂和發黃。這些性質以視覺標度從0(無變化)到5(嚴重變化或影響)進行評級。表6顯示了一般外觀效果的結果。第六列是指定等級的總和，較低的數字表示性能較好的係統。基於視覺缺陷，塗層係統B、C和E提供了較佳的總體性能。

如暴露2000小時後的δE結果所示，係統B、C和E提供了優異的不泛黃性能。將透明塗層塗覆在白色汙漬上，以評價透明塗層而不是木材基材的實際泛黃。係統A和D表現出最差的總體性能，尤其是如第4欄所示的較差的滲透性能。

應該注意的是，第5欄中的木材開裂等級僅基於木材基材，可能不是實際塗層的一個因素。一套複製的麵板被送到佛羅裏達州，以評估為期2年的自然老化。績效結果將每3個月評估和報告一次。

結論

1.UV固化水分散體具有非常高的分子量，能夠在沒有UV的情況下實現成膜性能，並且需要少得多的自由基交聯來獲得期望的性能。這一特性為包括陽光養護在內的各種傳統和獨特的養護方法提供了可能性。

2.新型水性UV固化無共溶劑PUD提供了優異的室外耐候性、高柔韌性以及對木材和塑料等困難基材的改進粘合性。透明和有色塗層都是可能的。

3.基於UV可固化PUD的配方易於修改以滿足各種應用方法，例如常規噴塗、無氣噴塗、真空塗布和輥塗。傳統的水性添加劑可用於改善表麵潤濕、消泡、抗粘連和表麵外觀性能。

4.基於加速老化測試，明確推薦加入紫外線吸收劑和光穩定劑。不同類型的紫外線吸收劑和/或光穩定劑在總體耐候性能方麵表現出差異，應在配方中進行測試。

5.環境法規在不斷變化，以減少工廠排放和配方塗料中的VOC。基於UV固化PUD的塗料可以滿足這些新的嚴格的環境法規。