戶外自然曝曬和紫外人工加速老化

摘 要：將不同類型的樣品分別在佛羅裏達、亞利桑那及俄亥俄的曝曬場曝曬兩年時間，同時將這些樣品放置在紫外老化試驗箱內進行人工加速老化實驗，且選用兩種的輻照強度和兩種的冷凝循環。實驗表明實驗室加速測試結果和戶外自然曝曬的測試結果接近。此外也進一步驗證了加速因子和材料本身有關。

0前言

長期以來，人工加速老化和自然老化測試結果間的相關性問題一直是業內關注的熱點。一般來說，工業上要求快速地得出老化測試結果，同時要求實驗室人工加速老化和自然老化測試結果間有較好的相關性，然而實際上這兩個要求是相互矛盾的。人工加速老化方法使用比實際環境更高的測試溫度、更短波長光源、更大的輻照強度，在加速材料老化進程的同時，降低了與自然條件材料老化結果的相關性。

QUV加速老化設備配備的UVA-340燈管提供了一個新的解決方案QUV。UVA-340紫外燈光源能很好地模擬太陽光譜中短波紫外光(<365 nm部分)， 見圖1所示。由於UVA-340紫外燈光源所模擬的太陽短波紫外光通常是引起聚合物破壞的主要原因，理論上這種方法的測試結果和戶外自然老化的相關性較好。為了驗證這一點，我們針對戶外自然曝曬和使用UVA-340紫外光源人工加速老化的相關性進行了一係列的實驗。

1實驗

本實驗選用了環氧塗料、聚氨酯塗料以及聚酯塗料，分別進行戶外自然曝曬和紫外人工加速老化實驗，記錄實驗中樣品光澤和顏色的變化。

1.1戶外自然曝曬實驗

由於全球各地戶外自然曝曬的情況很不相同，為了準確地評價實驗，這裏選擇了三種不同的典型氣候類型：亞熱帶氣候(佛羅裏達的邁阿密)、沙漠氣候(亞利桑那的鳳凰城)和美國北方工業型氣候(俄亥俄州的克裏夫蘭)。

戶外自然曝曬嚴格按照ASTM G7《非金屬材料的戶外自然曝曬試驗標準》執行。被測試樣的背板為厚1.6 mm的夾板，試樣架45°，朝南。

1.2人工加速老化實驗

人工加速老化測試按照ASTM G154《非金屬材料的紫外老化測試方法》執行。實驗設備為QUV/se型紫外加速老化試驗機(美國Q-Panel公司製造)。該試驗箱具有閉環反饋回路係統控製QUV，可設定並控製UV光輻照強度。試驗使用UVA-340紫外燈管，光強峰值為343 nm，截止點為295 nm。

為了排除不同溫度對實驗結果的影響，測試溫度統一設定在50 ℃。

實驗分別在三種不同的循環條件下測試：

條件1：4 h紫外光照射，4 h冷凝;UVA-340燈管的輻照點控製在0.83 W/(m2·nm) @340nm;整個測試循環溫度控製在50 ℃。本測試循環中紫外的輻照強度相當於夏天正午的太陽光照。

條件2：4 h紫外光照射，4 h冷凝;UVA-340燈管的輻照點控製在1.35 W/(m2·nm) @ 340 nm;整個測試循環溫度控製在50 ℃。條件2與條件1基本類似，但輻照度更強。

條件3：4 h紫外光照射(100% 紫外輻照，無冷凝，無暗周期);UVA-340燈管的輻照點控製在1.35 W/(m2·nm) @ 340 nm;整個測試循環溫度控製在50 ℃。

2結果與討論

2.1環氧塗料

樣板為塗覆在鋼板上的高光灰色環氧塗料。

戶外自然曝曬在一開始就表現出快速地失光和粉化，曝曬1 a後，樣板基本無光澤(見圖2)。此外，三個曝曬地點的樣品都出現鏽蝕現象，在佛羅裏達的樣板表麵完全為鏽斑所覆蓋，而在亞利桑那和克裏夫蘭的樣板有部分鏽蝕。

人工加速老化測試中，樣板很快失光，輻照強度越高，樣板失光越快(見圖3)。此外帶有冷凝循環時樣板易粉化，單純采用紫外輻照的則不易產生粉化。

光澤

從以上的數據可以看出，就環氧塗料的光澤和粉化的變化而言，帶有冷凝循環的人工加速老化實驗結果和戶外自然曝曬的結果相關性較好。但由於ASTM G154標準要求測試采用純水，因此實驗結果沒有產生戶外自然曝曬中出現的生鏽現象。如果改為使用腐蝕性溶液可能更接近戶外自然曝曬，估計樣板會產生生鏽現象。建議實際使用中，結合采用鹽霧/紫外人工老化測試以達到更接近自然的結果

2.2聚氨酯塗料

樣板采用塗覆在鋼底材上的高光灰色聚氨酯塗料。

戶外自然曝曬中佛羅裏達和亞利桑那的光澤下降較快，俄亥俄州的光澤下降較慢(見圖4)。曝曬2 a後，所有樣板鋼底材全部裸露。三個戶外自然曝曬點的樣板都發生鏽蝕現象。其中佛羅裏達樣板的生鏽麵積達整個麵積的20%，俄亥俄的樣板僅有幾個鏽點，而亞利桑那樣板幾乎無鏽蝕。

人工加速老化測試中帶有冷凝循環條件的測試的樣板失光較快，並伴有粉化現象(見圖5)。而單純采用紫外輻照條件的測試樣板失光速度較為緩慢且無粉化現象。

從以上的數據可以看出，就聚氨酯漆的光澤和粉化的變化而言，人工加速老化實驗中帶有冷凝循環的實驗結果和戶外自然曝曬的結果相關性較佳。但根據ASTM G154標準進行的人工加速老化實驗不能模擬佛羅裏達戶外自然曝曬引起的生鏽現象。

2.3聚酯塗料

樣板為塗覆在鋁材上的中等光澤茶色聚酯卷材塗料。

戶外自然曝曬中樣板都出現了不同程度的失光，其中亞利桑那曝曬場的樣板失光速度最快，其次為佛羅裏達和俄亥俄(見圖6)。曝曬2 a後，亞利桑那和佛羅裏達曝曬點的樣板失光率較大，而俄亥俄曝曬點的樣板失光率較小。

人工加速老化實驗的三個測試條件下樣品都有失光(見圖7)。其中以輻照度在1.35 W/(m2·nm) @340 nm，測試循環為4 h紫外輻照，4 h冷凝循環的條件2對樣板的失光最為明顯，其老化程度最嚴重。

從以上的數據可以看出，就聚酯塗料的失光和粉化而言，2 000 h人工加速老化的測試結果和佛羅裏達及亞利桑那戶外自然曝曬兩年的結果接近。與俄亥俄兩年的結果相比，2 000 h人工試驗的老化速率大於俄亥俄戶外自然曝曬2 a的結果。

所有四個塗料樣品測試中，采用符合ASTM G154 標準要求、配備UVA-340燈管的紫外加速老化試驗機，所產生的老化結果和戶外自然曝曬的結果十分接近。其差異主要集中在無法模擬戶外自然曝曬中樣板產生的鏽蝕。需要注意的是如果測試循環僅采用紫外曝曬，人工加速老化實驗和戶外自然曝曬有較大差異，為了提高兩者的相關性，必須在人工老化的測試循環中加入冷凝循環。

此外需要指出的是相比UVB-313 燈管而言，UVA-340燈管不會產生非正常的黃變。對某些材料來說，高輻照強度會加速材料的老化結果。實驗中聚氨酯塗料樣品因提高輻照強度而產生更快老化。

實驗方法3中，盡管UV的吸收劑量為其他方法的兩倍或兩倍以上，單純的紫外輻照循環材料的老化速度較慢。采用單純的紫外循環，實驗中有一半的塗料樣品產生老化速度較慢的現象。所以，我們建議對所有戶外用材料的人工老化測試采用紫外和冷淋結合的測試循環。