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國內外涂料耐候性和耐光性試驗方式淺談

2010-08-24

塑料和其他有機材料暴露在自然氣候條件和光照輻射下經一段時間會出現失光、褪色、泛黃、剝落、開裂、喪失拉伸強度和整層脫落等現象。即使是室內光線或者透過窗玻璃的陽光也會對諸如顏料或染料之類的物質造成損害。因而對于戶外使用的涂料 , 如建筑外用涂料和汽車涂料 , 耐候性和耐光性是重要的檢測項目。

雖然大家都認同涂料的耐候性和耐光性很重要 , 但對什么是它們更好的測試方法卻各執己見。國內外現在評價涂料耐候性和耐光性的方法也很多。而普遍采用的有自然氣候老化試驗、氙弧燈照射、或碳弧燈照射、紫外光燈照射等人工加速氣候老化試驗的方法。本文將探討如何選擇合適的測試方法。雖然國標規定且國內目前通行的耐老化試驗方法是氙弧輻射 , 但在國外氙弧輻射和紫外光老化試驗都是應用廣泛的試驗方法。這兩種方法是基于完全不同的原理。氙燈照射試驗箱仿制全部的太陽光譜 , 包括紫外光、可見光和紅外光 , 其目的是模擬太陽光。而紫外光老化試驗并不企圖仿制太陽光線 , 而只是模仿太陽光的破壞效果。它是基于這樣的原理 , 長期在室外暴露的耐久性材料 , 受短波紫外光照射引起的老化損害大。

另外 , 即便是在自然氣候下進行老化試驗 , 還有一種加速的方法 , 就是將被測試樣板裝在能隨太陽升起降落而轉動的樣板架 , 使樣板大部分時間保持被陽光直射的狀態 , 以獲得加速試驗結果。 20 世紀 80 年代前采用碳弧燈或直接用紫外燈照射 , 進行平行試驗 , 也可縮短檢驗周期 , 究竟哪種試驗方法是更好的呢 ? 沒有簡單的答案。選擇哪種方法取決于要測試的材料 , 材料的應用場合 , 所關心的材料遭破壞的模式和財力等方面的因素。

1 自然氣候老化試驗

自然氣候老化試驗方法是國內外廣泛采用的方法。其主要原因是自然氣候老化實驗結果更符合實際 , 所需的費用較低而且操作簡單方便。雖然我們可以在任何地方進行自然氣候老化試驗 , 但國際上比較認可的試驗場地是美國的佛羅里達 , 因為其陽光充足。但自然氣候老化試驗的不足之處是試驗需要的時間長 , 試驗人員可能沒有這么多年的時間等待一個的測試結果。另外 , 即使是佛羅里達 , 氣候不可能年復一年的完全相同 , 故試驗結果的再現性也不理想。

2 氙弧輻射試驗

氙弧輻射試驗被認為是能模擬全太陽光譜的試驗 , 因為它能產生紫外光、可見光和紅外光。正因為如此 , 在國內外被認為是廣泛采用的方法。 GB/ T 1865 — 1997 ( 等同于 ISO 113411 : 1994) 詳細地介紹了這種方法。但這種方法也有它的局限性 , 即氙弧燈光源穩定性及由此帶來的試驗系統的復雜性。氙弧燈光源必須經過過濾以減少不期望的輻射。為達到不同的輻照度分布可有多種過濾玻璃類型供選擇。選用何種玻璃取決于被測試材料類型及其用途。改變過濾玻璃可以改變透過的短波長紫外光類型 , 從而改變材料遭受破壞的速度和類型。通常運用的過濾有 3 種類型 : 日光、窗玻璃和擴展的紫外光類型 ( 國標 GB/ T1865 — 1997 中提到的方法 1 和方法 2 對應于前兩種類型 ) 。

典型的氙弧輻射都配備一個輻照度控制系統。輻照度控制系統在氙弧輻射試驗中很重要 , 因為氙弧燈光源的光譜自身內在穩定性就比熒光紫外燈光的光譜差。國外有人考察了一盞新氙弧燈和一盞用過 1 000 h 的舊氙弧燈光譜的區別。結果發現 , 光譜能量分布不但在光源的長波長范圍隨燈的使用時間延長變化顯著 , 而且在短波長的范圍內也有明顯變化。這種變化引起的原因是氙弧燈的老化 , 是它的自身內在特性。

對這種變化也可采取多種補救措施。例如提高更換燈管的頻度以減輕燈光老化的影響。或者可用傳感器控制輻照度。盡管存在因燈老化引起的光譜能量分布變化 , 氙弧燈仍不失作為耐候性和耐日光照射試驗的一種可靠的和反映實際的光源。

大多數氙弧輻射試驗在模擬潤濕條件時采用水噴淋和 / 或溫度自動控制系統 ( 國標 GB/ T1865 — 1997 提出的 “ 表面用水噴淋 " ) 。水噴淋方法的局限是當溫度相對較低的水噴到溫度相對較高的試板上時 , 試板會冷卻下來 , 這會使材料遭破壞的過程減緩。

在氙弧輻射試驗中 , 要求使用高純度的水以防止試板表面形成沉積物。因此運行費用較高。

3 紫外光燈照射試驗

紫外光燈照射老化試驗利用熒光紫外光燈模擬太陽光對耐久性材料的破壞性作用。這與前面提到的氙弧燈有區別 , 熒光紫外燈在電學原理上與普通的照明用冷光日光燈相似 , 但能生成更多的紫外光而非可見光或紅外光線。

對于不同的曝曬應用 , 有不同類型的具有不同光譜的燈供選擇。 UVA -340 型的燈在主要的短波長紫外光光譜范圍能很好地模擬太陽光。 UVA -340 燈的光譜能量分布 (SPD) 與從太陽光譜中 360 nm 處分出的光譜圖很近似。 UV-B 型燈也是通常使用的加速人工氣候老化試驗用燈。它比 UV -A 型燈對材料的破壞速度更快 , 但其比 360 nm 更短的波長能量輸出對很多材料會造成偏離實際的試驗結果。

輻照度 ( 光強度 ) 控制對于獲得準確而有重現性的結果是很有必要的。大多數紫外光老化試驗裝置都配備了輻照度控制系統。這些精確的輻照度控制系統使用戶做試驗時能選擇輻照度量。通過反饋控制系統 , 輻照度能被連續和自動地監控并精確地得到控制。控制系統通過調節燈管的功率而自動地對因燈管老化或其他原因造成的照度不足進行補償。

熒光紫外光燈因自身內在的光譜穩定性使輻照度控制簡單化。所有的燈源隨時間老化都會變弱。但熒光燈與其他類型的燈不同 , 它的光譜能量分布不會隨時間變化。這一特點提高了試驗結果的重現性 , 因而也是一大優勢。

有試驗表明 , 一盞使用了 2h 的燈和一盞使用了 5 600 h 的燈在配備了輻照度控制的老化試驗系統中的輸出功率無明顯區別 , 輻照度控制裝置能夠維持光強度的恒定。此外 , 它們的光譜能量的分布也無變化 , 這同氙弧燈有很大區別。

使用紫光燈老化試驗的一個主要優勢在于它能夠模擬較為符合實際的室外潮濕環境對材料的破壞作用。材料置于室外時 , 據統計每天至少有 12 h 頻繁地遭受潮濕作用。因為這種潮濕作用大多表現為凝露的形式 , 因而在加速人工氣候老化試驗中采用一個特殊的冷凝原理來模仿室外潮濕。

在這樣的冷凝循環過程中 , 要加熱試驗箱底部的水槽以產生蒸汽。熱蒸汽保持試驗箱的環境在高溫下有 100 % 相對濕度。試驗箱設計時 , 要使試板實際上構成試驗箱的側壁。這樣試板的背面暴露在室溫的室內空氣下。室內空氣的冷卻作用使被測的試板表面的溫度比蒸汽溫度降低幾度。這幾度的溫差可使水在冷凝循環過程中連續不斷地降到被測試表面。

如此產生的冷凝水是性質穩定的、純凈蒸餾水。這種水能提高實驗結果的重現性 , 排除水沉積物污染問題并且簡化試驗設備安裝和操作。因為材料在室外受潮的時間一般很長 , 所以典型的循環冷凝系統少要有 4h 的試驗時間。冷凝過程在加溫條件下進行 ( 50 ℃ ), 就會大大地加快潮濕對材料的破壞速度。長時間的、加熱條件下進行的冷凝循環比其他諸如水噴淋、浸漬和其他高濕度環境的方法更能有效地再現潮濕環境破壞材料的現象。