人工加速老化和自然老化测试结果间的相关性

人工加速老化和自然老化测试结果间的相关性

长期以来，人工加速老化和自然老化测试结果间的相关性问题一直是业内关注的热点。一般来说，工业上要求快速地得出老化测试结果，同时要求实验室人工加速老化和自然老化测试结果间有较好的相关性，然而实际上这两个要求是相互矛盾的。人工加速老化方法使用比实际环境更高的测试温度、更短波长光源、更大的辐照强度，在加速材料老化进程的同时，降低了与自然条件材料老化结果的相关性。

    QUV 加速老化设备配备的 UVA-340 灯管提供了一个新的解决方案 [1] 。 UVA-340 紫外灯光源能很好地模拟太阳光谱中短波紫外光 ( ＜ 365 nm 部分 ) ， 见图 1 所示。由于 UVA-340 紫外灯光源所模拟的太阳短波紫外光通常是引起聚合物破坏的主要原因，理论上这种方法的测试结果和户外自然老化的相关性较好。为了验证这一点，我们针对户外自然曝晒和使用 UVA-340 紫外光源人工加速老化的相关性进行了一系列的实验。

    1 实验

    本实验选用了环氧涂料、聚氨酯涂料以及聚酯涂料，分别进行户外自然曝晒和紫外人工加速老化实验，记录实验中样品光泽和颜色的变化。

    1.1 户外自然曝晒实验

    由于各地户外自然曝晒的情况很不相同，为了准确地评价实验，这里选择了三种不同的典型气候类型：亚热带气候 ( 佛罗里达的迈阿密 ) 、沙漠气候 ( 亚利桑那的凤凰城 ) 和美国北方工业型气候 ( 俄亥俄州的克里夫兰 ) 。

    户外自然曝晒严格按照 ASTM G7 《非金属材料的户外自然曝晒试验标准》执行。被测试样的背板为厚 1.6 mm 的夹板，试样架 45 °，朝南。

    1.2 人工加速老化实验

    人工加速老化测试按照 ASTM G154 《非金属材料的紫外老化测试方法》执行。实验设备为紫外加速老化试验机  。该试验箱具有闭环反馈回路系统控制 [2] ，可设定并控制 UV 光辐照强度。试验使用 UVA-340 紫外灯管，光强峰值为 343 nm ，截止点为 295 nm 。为了排除不同温度对实验结果的影响，测试温度统一设定在 50 ℃。

    实验分别在三种不同的循环条件下测试：

    条件 1 ： 4 h 紫外光照射， 4 h 冷凝； UVA-340 灯管的辐照点控制在 0.83 W/(m 2 · nm) @340nm ；整个测试循环温度控制在 50 ℃。本测试循环中紫外的辐照强度相当于夏天正午的太阳光照。

    条件 2 ： 4 h 紫外光照射， 4 h 冷凝； UVA-340 灯管的辐照点控制在 1.35 W/(m 2 · nm) @ 340 nm ；整个测试循环温度控制在 50 ℃。条件 2 与条件 1 基本类似，但辐照度更强。

    条件 3 ： 4 h 紫外光照射 (100 ％ 紫外辐照，无冷凝，无暗周期 ) ； UVA-340 灯管的辐照点控制在 1.35 W/(m 2 · nm) @ 340 nm ；整个测试循环温度控制在 50 ℃。

    2 结果与讨论

    2.1 环氧涂料

    样板为涂覆在钢板上的高光灰色环氧涂料。

    户外自然曝晒在一开始就表现出快速地失光和粉化，曝晒 1 a 后，样板基本无光泽 ( 见图 2) 。此外，三个曝晒地点的样品都出现锈蚀现象，在佛罗里达的样板表面*为锈斑所覆盖，而在亚利桑那和克里夫兰的样板有部分锈蚀。

 

    人工加速老化测试中，样板很快失光，辐照强度越高，样板失光越快 ( 见图 3) 。此外带有冷凝循环时样板易粉化，单纯采用紫外辐照的则不易产生粉化。

    从以上的数据可以看出，就环氧涂料的光泽和粉化的变化而言，带有冷凝循环的人工加速老化实验结果和户外自然曝晒的结果相关性较好。但由于 ASTM G154 标准要求测试采用纯水，因此实验结果没有产生户外自然曝晒中出现的生锈现象。如果改为使用腐蚀性溶液可能更接近户外自然曝晒，估计样板会产生生锈现象。建议实际使用中，结合采用盐雾 / 紫外人工老化测试以达到更接近自然的结果 〔 3 〕〔 4 〕 。

    2.2 聚氨酯涂料

    样板采用涂覆在钢底材上的高光灰色聚氨酯涂料。

    户外自然曝晒中佛罗里达和亚利桑那的光泽下降较快，俄亥俄州的光泽下降较慢 ( 见图 4) 。曝晒 2 a 后，所有样板钢底材全部裸露。三个户外自然曝晒点的样板都发生锈蚀现象。其中佛罗里达样板的生锈面积达整个面积的 20 ％，俄亥俄的样板仅有几个锈点，而亚利桑那样板几乎无锈蚀。

    人工加速老化测试中带有冷凝循环条件的测试的样板失光较快，并伴有粉化现象 ( 见图 5) 。而单纯采用紫外辐照条件的测试样板失光速度较为缓慢且无粉化现象。

    从以上的数据可以看出，就聚氨酯漆的光泽和粉化的变化而言，人工加速老化实验中带有冷凝循环的实验结果和户外自然曝晒的结果相关性。但根据 ASTM G154 标准进行的人工加速老化实验不能模拟佛罗里达户外自然曝晒引起的生锈现象。

    2.3 聚酯涂料

    样板为涂覆在铝材上的中等光泽茶色聚酯卷材涂料。

    户外自然曝晒中样板都出现了不同程度的失光，其中亚利桑那曝晒场的样板失光速度zui快，其次为佛罗里达和俄亥俄 ( 见图 6) 。曝晒 2 a 后，亚利桑那和佛罗里达曝晒点的样板失光率较大，而俄亥俄曝晒点的样板失光率较小。

    人工加速老化实验的三个测试条件下样品都有失光 ( 见图 7) 。其中以辐照度在 1.35 W/(m 2 · nm) @340 nm ，测试循环为 4 h 紫外辐照， 4 h 冷凝循环的条件 2 对样板的失光zui为明显，其老化程度zui严重。

 

    从以上的数据可以看出，就聚酯涂料的失光和粉化而言， 2 000 h 人工加速老化的测试结果和佛罗里达及亚利桑那户外自然曝晒两年的结果接近。与俄亥俄两年的结果相比， 2 000 h 人工试验的老化速率大于俄亥俄户外自然曝晒 2 a 的结果。

    3 结论

    所有四个涂料样品测试中，采用符合 ASTM G154 标准要求、配备 UVA-340 灯管的紫外加速老化试验机，所产生的老化结果和户外自然曝晒的结果十分接近。其差异主要集中在无法模拟户外自然曝晒中样板产生的锈蚀。需要注意的是如果测试循环仅采用紫外曝晒，人工加速老化实验和户外自然曝晒有较大差异，为了提高两者的相关性，必须在人工老化的测试循环中加入冷凝循环。

    此外需要指出的是相比 UVB - 313 灯管而言， UVA-340 灯管不会产生非正常的黄变。

    对某些材料来说，高辐照强度会加速材料的老化结果。实验中聚氨酯涂料样品因提高辐照强度而产生更快老化。

    实验方法 3 中，尽管 UV 的吸收剂量为其他方法的两倍或两倍以上，单纯的紫外辐照循环材料的老化速度较慢。采用单纯的紫外循环，实验中有一半的涂料样品产生老化速度较慢的现象。所以，我们建议对所有户外用材料的人工老化测试采用紫外和冷淋结合的测试循环。

参考文献

1. Brennan, P., Fedor, C., “阳光、紫外和加速老化”， 《ＳＰＥ　 Automotive RETEC 》， 1987 。

2. Fedor, G.. R., Brennan, P. J. , “ UV 紫外试验机内的辐照度控制”， ASTM ＳＴＰ　 1202 《有机材料的户外和人工加速耐久性测试》 , 1993 。

3. Skerry, B., Alavi, A.,Lindgren, K., “用于评估有机保护涂料的环境和电气化学测试方法” , 《 Journal of Coating Technology 》 , 1988, 10 。

4. Simpson, C., Ray, C.,Skerry B., 《工业修补漆的加速腐蚀测试》，　《 Journal of Protective CoatingLinings 》 1991. 5 。