涂料的人工气候加速老化试验

为评价涂料产品的耐老化性能，有两种试验方法：一类是自然气候老化，一类是人工加速气候老化。人工气候加速老化是利用相关的老化设备在实验室模拟自然条件的某些老化因素进行的老化试验。本文通过对一些常用涂料产品进行人工气候加速老化试验，通过改变光照、温度、湿度以及漆膜厚度等影响因素，进而对涂料的老化性能进行比较评价。

[关键词]人工气候老化 光照 温度 湿度

涂料在使用过程中受到各种不同因素的作用，使涂层的物理、化学性能和机械性能发生改变，使之出现不可逆转的劣化，并最终导致涂层的破坏和失效，通常将这种现象称为涂料的老化。由于涂料大都在自然气候中使用，如建筑，桥梁，汽车涂料等，都会在自然气候中受到日光，风雨霜雪露及各种化工气体等因素的综合作用而使涂料发生老化破坏。因此涂料的耐候性是涂料的一项重要的物理性能，这项性能不仅决定了该涂料的使用寿命，而且同时也影响其美观，装饰的特性。涂料的耐候性试验都是采用大气暴晒的方法，即将准备完成的试样置于经有关部门认可的大气暴晒试验场所，并放置在一定的试样架上，在自然状态中放置115年，期间定期对试样进行检查评级，检查评级内容一般包括失光、色差、起泡、生锈等项目。

一、涂料耐候性测试方法

（一）自然暴晒法

自然暴晒法即将所制备是涂料放置在国家认可的暴晒场地进行日光的暴晒，该方法在测试涂料耐候性方面，涂料的老化状态与实际使用状态非常接近，模拟性非常好。但是其缺点也非常的明显，该方法的试验周期过长，检查评级的工作量非常繁重，往往会出现这种情况：一种新开发的涂料，其大气暴晒试验尚未结束，而市场上此类的产品却即将淘汰，这对涂料的使用和研发工作带来极大的困难和损失。

（二）人工加速老化试验

人工加速老化试验是为了弥补自然暴晒试验周期过长的缺点，人们在进行大量的自然大气暴晒试验得出的数据和结果基础上，综合分析气候与图层的破坏之间的因果关系后，制定出人工加速老化试验的试验方法和研制生产了相应的试验设备，在实验室内利用人造小气候环境来模拟自然条件下老化状态。而这种模拟状态影响老化的物理、化学因素的强度是自然大气状态下的数倍，甚至是数十倍，从而达到加速涂层老化，大大缩短了老化试验的时间。但是在试验的过程中，气候模拟毕竟是与真实环境存在一定差距，也导致试验结果偶尔会出现较大甚至相反的误差。

二、人工气候加速老化试验的影响因素

由于人工加速老化试验的特点是既能模拟了大气暴晒试验的状态，又强化了大气暴晒试验的状态（各种老化因素），也就是说要达到模拟和强化的最大优化和一致性，不至于产生这样的情况：同种涂层的大气老化和人工加速老化试验得出的结果相悖，为此必须对各种老化影响因素进行全面的分析比较。

（一）光源

人工加速老化试验的光源是在人工条件下模拟自然光源对涂料样板进行照射，它在涂料的老化试验中起着非常重要的角色。由于不同的光源在能量和波长分布上的差异比较大，所以在进行涂料老化试验时，光源的选择起着决定性的作用。各种光源的特征如下：

自然条件下的光照和实际使用中使涂层发生老化的重要因素。图1使在我国海南夏季正午时分测得的太阳的光谱图（w nm图），该地区是我国认可的具备大气暴晒试验的场地之一。

通过查阅相关资料我们知道，自然光光谱可以分为紫外线区、可见光区和红外线区三个区域，其波长和能量的分布如下表1：

从以上数据中也可以发现，即使自然光中紫外线的能量只占极小的一部分，但是涂料中的高分子物质都是在紫外线的照射下发生了分子链的断裂，化学键的断裂等现象。高分子材料的老化除了与光源的波长有关以外，还取决于吸收光的能量大小。我们知道，当光的波长越短时，光所包含的能量越大，对涂料的老化作用也越大。表2是不同波长紫外线的能量分布数据。

在不同的纬度和不同的季节条件下，太阳光的强度也不相同。一般来说，赤道附近的太阳光照最强烈，海拔较高的地方也是，夏季的光照最强。人造光源就是人工加速老化试验用的光源，它具有模拟性的特点，同时又具有老化加速性的特点。由于人造光源都是采用特殊灯管或电弧所发生的光作为老化试验的照射光源，因此不同型号所产生的光谱线的强度都不一样。现在主流的人工加速化试验主要都采用荧光紫外灯、疝气灯和碳弧灯三种。

（二）温度

另外一个在对涂料进行人工气候加速老化试验的重要因素就是温度。当温度达到一定程度时，会在其它条件都一般时仅仅靠温度就能使涂料老化，能够使涂层高分子材料产生非正常交链如产生立体结构，使涂层变硬、变脆、失去弹性、易脆断等。也会破坏涂料中高分子材料的分子链断裂。分子量变小，游离基团增多，使涂料变得发软、发粘等，同时在热冷循环的周期中，由于热应力的作用下，涂层中的各涂层间产生很大的应力，很可能会使涂层龟裂、分层、脱落。因此温度是在进行人工老化加速试验的重要条件之一，温度设置越高，老化就越容易。以下就是几种常见涂料的不同温度条件的耐老化时间，如表3所示：

（三）湿度

大气条件下，涂料在暴晒的过长其实就是除了气候的不断变化之外，湿度的变化也是比较大的，一般来说低湿度光照比高湿度光照对涂层老化影响较小，也就是说在高湿度的光照条件下很容易引起涂层的粉化、龟裂、变色等表化现象，从而引起涂层的体积膨胀，同时也会使部分涂层中的物质发生水介质在光合温度下的作用，加速涂料的老化速度，促进涂层的破坏。当湿度越高时，涂层的老化速度越快，在人工加速老化试验中周期性的人工喷水和凝露都能将试验强度达到饱和状态。

（四）不同配比

涂料是四种不同成分按照不同比例进行混合后的物质，这四种物质分别是成膜物质、颜料、溶剂以及各种助剂。它们的组成比例构成了涂料的配比。熟化是指双组份的涂料按照该涂料和固化剂的配比加入固化剂搅拌，在诸组分混配后，需要给予一定时间，待诸组分间的反应被引发后，才能用来施于涂装，此过程也称为熟化。不同的配比说明了涂料具有不同的物质组成，具有不同的物质结构，结构决定性质，因此不同的配比对涂料的抗老化时间具有重要影响。

（五）不同漆膜厚度

在对涂料进行人工气候加速老化试验时，不得不考虑的就是漆膜的厚度，漆膜厚度对耐候性测试有重要影响。图2是在3000hQUV老化试验中，薄涂层彩板（20 um、26 um）和正常涂层厚度彩板（面漆40 um）表面保光率的变化情况。

由图2可知，在人工加速老化试验（QUV老化试验）中，不同涂层厚度对彩板的保光率的影响是不同的。薄涂层（6um、9um）彩涂板表面的保光率在试验开始时即呈现出急速下降的趋势，然而，正常厚度涂层（17 um）的变化趋势与前者存在较大差异，保光率的下降幅度很小，且在试验的前1500h内，正常涂层表面的保光率大于90%。这些现象说明正常厚度涂层在投入使用的相当长一段时间内光泽的稳定性高于相对较薄的涂层。

不同漆膜厚度对彩板表面色差的影响，图3是在3000hQUV老化试验中，薄涂层彩板（面漆20um、26um）和正常涂层厚度彩板（面漆40 um）表面色差的变化情况。厚度较大的漆膜厚度对色差板的影响较大，而漆膜厚度较小的则对彩板色差影响较小。

三、结果与讨论

在进行人工气候加速老化试验时，我们总结出如下结论：

（1）对某一种涂料如何选用加速老化试验机和相应的UV光源问题，是每一个涂料研究开发制造和使用工作者都必须面对的。采用不同的设备和光源都将对试验结果产生很大影响，这与选择试验参数同样重要。为此建议，按照各种光源的特点、涂料的主体类别和使用要求进行综合Fenix厚合理选用不同的光源进行人工气候加速老化试验。

（2）不同涂层厚度在耐老化性能上存在较大差别，薄涂层的耐老化性能较差，正常厚度涂层的耐老化性能相对较好，因此在进行人工气候老化试驗时，要充分结合使用厚度进行测试，这样才能对涂料的总体性能有正确的测试。endprint