氙燈老化箱和紫外老化箱的比較分析

氣候和陽光輻照是損害涂料、塑料、油墨及其他高分子材料的主要原因，這種損害包括失光、褪色、黃變、開裂、脫皮、脆化、強(qiáng)度降低及分層。即使是室內(nèi)的光及通過玻璃窗透射的太陽光也都會(huì)使一些材料老化，比如引起顏料、染料等褪色或變色。
   對許多制造商而言，產(chǎn)品的耐老化和耐光性是極其重要的。加速檢測老化和光穩(wěn)定性的設(shè)備被廣泛用于研究開發(fā)、質(zhì)量、控制和材料檢定，這些檢測設(shè)備提供快速并且可重復(fù)的測試結(jié)果。近年來，低價(jià)位且使用方便的實(shí)驗(yàn)室檢測設(shè)備已經(jīng)開發(fā)出來，包括QUV紫外加速老化設(shè)備符合ASTMG154）Q-Sun氙燈試驗(yàn)箱符合ASTMG155。
   測試抗老化和光穩(wěn)定性的*方法經(jīng)常引起爭論。幾年來，各種各樣的方法都被應(yīng)用過，現(xiàn)在大部分研究者使用自然曝露方法,Q-Sun氙弧燈或QUV加速老化試驗(yàn)設(shè)備。自然曝露測試方法有很多優(yōu)點(diǎn)，實(shí)際、便宜、易于操作，然而大部分制造商不愿意等上幾年的時(shí)間來觀察一種新的改良的產(chǎn)品設(shè)計(jì)是否真的得到改進(jìn)。
   Q-Sun氙弧燈試驗(yàn)箱和QUV紫外加速老化試驗(yàn)箱是應(yīng)用zui廣泛的加速老化檢測設(shè)備，這兩種檢測設(shè)備的測試原理*不同。Q-Sun氙燈試驗(yàn)箱模擬太陽光的所有光譜，包括紫外線（UV）、可見光和紅外線（IR），氙燈光譜在295nm到800nm范圍內(nèi)基本上與太陽光的光譜相吻合（如圖1所示）。Q-Sun被用來測試許多產(chǎn)品，這些產(chǎn)品對紫外線的長波段、可見光及紅外線較敏感。
  QUV不能模擬全光譜太陽光。它的原理是，對于曝露在室外的經(jīng)久耐用的材料，紫外線的短波段300~400nm是引起老化損害的zui主要原因（如圖1所示）。從中可以看出，在紫外線的短波區(qū)域，即從365nm到太陽光的zui低波段，QUV能很好地模擬太陽光，然而，對于長一點(diǎn)的波長它將無能為力。
  測試的*方法依賴于測試需要，每種方法都可能非常有效。應(yīng)該根據(jù)被測產(chǎn)品或材料、zui終的應(yīng)用條件、所考慮的降解模式和預(yù)算來選擇合適的檢測設(shè)備。
  1老化的3要素
  光照、高溫和潮濕，這3個(gè)因素中的任何一個(gè)都會(huì)引起材料的老化損害，但它們往往同時(shí)發(fā)生作用，所造成的危害將大于其中任一因素的單獨(dú)作用。
   1.1光照
   不同材料對光的敏感性不同。對于經(jīng)久耐用的材料，如大多數(shù)涂料、塑料，紫外線的短波段是引起大部分聚合物老化的原因。然而，對于不是那么經(jīng)久耐用的材料，比如一些顏料和染料，紫外線的長波段甚至可見光也會(huì)使其產(chǎn)生嚴(yán)重的老化。
   1.2高溫
  當(dāng)溫度升高時(shí)，光的破壞作用也將隨之增大。盡管溫度不影響主要的光致反應(yīng)，但卻影響次要的化學(xué)反應(yīng)。實(shí)驗(yàn)室老化測試必須提供的溫度控制，通常還通過升溫的方法來加速老化過程。
   1.3潮濕
  露水、雨水及高濕度是引起潮濕危害的主要原因。研究表明，放在室外的物品每天都將長時(shí)間（平均每天8-12h處于潮濕狀態(tài)。研究發(fā)現(xiàn)，由潮氣形成的露水是室外潮濕的主要因素，露水造成的危害比雨水更大，因?yàn)樗街诓牧仙系臅r(shí)間更長，引起更為嚴(yán)重的潮濕吸收。當(dāng)然，雨水對材料的危害也很大，雨水將引起熱沖擊。比如一輛在炎熱夏日里溫度升高的汽車突然因陣雨而急劇降溫，就會(huì)產(chǎn)生沖擊現(xiàn)象。雨水沖刷引起的機(jī)械侵蝕也會(huì)加速材料發(fā)生老化，如木材涂層因雨水沖洗去除了表面老化層，將未老化的里層暴露于太陽光下，從而產(chǎn)生進(jìn)一步老化。

近年來，人們越來越關(guān)心涂料中顏料的耐候老化性能。當(dāng)室外涂料受到大氣條件下光照、溫度、潮濕等因素的影響，會(huì)產(chǎn)生褪色、色遷移、色強(qiáng)度變化等老化現(xiàn)象。自然戶外曝曬[1]和加速老化試驗(yàn)箱是測試材料耐候老化性能的主要方法。國內(nèi)外涂料行業(yè)長期開展了戶外大氣老化測試。國內(nèi)在海南、廣州、敦煌等地都有規(guī)模不等的戶外曝曬場，上通常作為基準(zhǔn)曝曬地點(diǎn)的有美國的佛羅里達(dá)和亞利桑那、澳大利亞的阿倫加(Allunga)等。戶外曝曬測試有很多優(yōu)點(diǎn)，如真實(shí)、便宜、易于操作等。戶外曝曬的測試時(shí)間相對較長，所以有必要進(jìn)行試驗(yàn)室加速老化測試。在加速老化測試方面，除少數(shù)的日本企業(yè)仍沿用碳弧燈外，主要的測試方法有紫外光照和氙燈兩種。然而，氙燈加速老化試驗(yàn)箱不能模擬所有的老化參數(shù)，而且有一些測試變量容易引起錯(cuò)誤的試驗(yàn)結(jié)果，從而導(dǎo)致錯(cuò)誤的結(jié)論。但是可以利用戶外曝曬的結(jié)果作為參考來檢驗(yàn)加速老化測試的真實(shí)性，從后使得加速老化試驗(yàn)更具有實(shí)際使用價(jià)值。

    1試驗(yàn)?zāi)康?/span>

    本文試驗(yàn)?zāi)康氖潜容^自然戶外曝曬與氙燈試驗(yàn)室加速老化測試方法[2]之間的結(jié)果，并通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)及數(shù)學(xué)計(jì)算，找出兩者之間的對應(yīng)關(guān)系。

    2兩種測試方法簡介

    2.1Allunga自然戶外曝曬

    本文所做研究的自然戶外曝曬在澳大利亞的Allunga(緯度19°，南半球)進(jìn)行，樣品架朝北，與水平面之間的夾角為19°。曝曬時(shí)間為24個(gè)月，并在不同時(shí)間段取出樣品，測試它們的顏色變化。測試樣品架及曝曬場如圖1所示。測試期間2007年及2008年的氣候條件如表1所示。

[表12007及2008年度Allunga的氣候情況]

表12007及2008年度Allunga的氣候情況

[圖1Allunga戶外曝曬場]

圖1Allunga戶外曝曬場

    2.2Q-Sun試驗(yàn)室加速測試

    2.2.1氙燈試驗(yàn)箱的老化原理

    氙燈試驗(yàn)箱可以模擬全光譜太陽光，包括紫外線、可見光和紅外線。其優(yōu)點(diǎn)是1a中任何時(shí)候都有重現(xiàn)性，快速，它是與日光源zui接近的人工光源。氙燈產(chǎn)生的光譜必須經(jīng)過過濾來減少不需要的光譜成分。使用不同類型的玻璃過濾器可得到不同的光譜。有經(jīng)常使用的3種類型過濾器：日光、窗玻璃和紫外延伸過濾器。本次試驗(yàn)中，采用日光過濾器，圖2顯示了這種過濾器產(chǎn)生的光譜，同時(shí)也顯示了295??400nm的紫外線短波段的光譜圖。可以看出該光譜較好地模擬了太陽光譜。大多數(shù)氙燈檢測設(shè)備通過水噴淋或濕度控制系統(tǒng)來模擬濕度的影響。水噴淋可很好地模擬熱沖擊和機(jī)械侵蝕。在測試系統(tǒng)中，為了防止水對樣品的污染，試驗(yàn)用高純度的去離子水。氙燈試驗(yàn)箱的工作示意圖如圖3所示。

[圖2配備有日光過濾器的Q-Sun光譜和太陽光譜之間的比較]

圖2配備有日光過濾器的Q-Sun光譜和太陽光譜之間的比較

[圖2配備有日光過濾器的Q-Sun光譜和太陽光譜之間的比較]

圖2配備有日光過濾器的Q-Sun光譜和太陽光譜之間的比較
 

    2.2.2氙燈試驗(yàn)箱測試條件

    按照表2測試條件對測試樣板進(jìn)行曝曬，同樣在不同時(shí)間段取出待測樣板，觀察它們的顏色變化。

    2.3樣板制備及評(píng)估方法

    將待檢測的COLORTREND??1、2、3、4、5、6#共6種不同的建筑涂料用色漿，按一定的比例加入到標(biāo)準(zhǔn)檢測用平光外墻涂料中，使之達(dá)到1/25顏色標(biāo)準(zhǔn)深度。在震蕩機(jī)上震蕩3min混勻，在預(yù)涂了底漆的鋁板上用100μm線棒涂布2道。在室溫放置5d后進(jìn)行曝曬試驗(yàn)。每種顏色的同一試驗(yàn)各制備4塊樣板，3塊投入試驗(yàn)，1塊作為標(biāo)準(zhǔn)板室內(nèi)放置。自然戶外曝曬共24個(gè)月，在6個(gè)月、9個(gè)月、12個(gè)月、18個(gè)月、24個(gè)月各評(píng)估一次；氙燈試驗(yàn)室加速測試按表2試驗(yàn)條件運(yùn)行2000h，樣板評(píng)估間隔周期為500h。用分光光度計(jì)在D65標(biāo)準(zhǔn)光源下與標(biāo)準(zhǔn)板對比檢測顏色，記錄色差DE值。目測涂膜表面是否有失光、粉化、開裂、脫落及斑點(diǎn)等現(xiàn)象[3]。本試驗(yàn)中使用了高耐候的平光外墻涂料，經(jīng)2000h氙燈及24個(gè)月自然曝曬，涂膜表面均無失光、粉化、開裂、脫落及斑點(diǎn)等現(xiàn)象，不影響顏色評(píng)判。

    3戶外曝曬與氙燈試驗(yàn)室加速測試之間的比較

    根據(jù)所得評(píng)估結(jié)果的數(shù)據(jù)，分別計(jì)算了自然戶外曝曬與氙燈試驗(yàn)室加速測試方法之間的相關(guān)系數(shù)rs[4](spearman)。該相關(guān)系數(shù)指的是利用兩種不同的測試方法對一組樣品進(jìn)行測試，所得試驗(yàn)結(jié)果之間的相關(guān)性。

    相關(guān)系數(shù)rs的計(jì)算公式為其中，n是樣品的個(gè)數(shù)，di是兩列排序中每一組排位數(shù)之間的差值。rs越接近于1，相關(guān)性越好。通過以上方法求出自然戶外曝曬與氙燈試驗(yàn)室加速老化測試結(jié)果之間的相關(guān)系數(shù)，并對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行評(píng)估，解決大家通常比較關(guān)心的問題——對于不同顏料類型，如果試驗(yàn)室加速測試與戶外曝曬結(jié)果的相關(guān)性足夠好，那么在氙燈試驗(yàn)箱中測試多少小時(shí)相當(dāng)于在戶外曝曬多少個(gè)月的結(jié)果。6種樣品在戶外曝曬的顏色變化(DE)的值如圖4所示。氙燈試驗(yàn)室加速測試的顏色變化(DE)的值如圖5所示。觀察圖4、圖5的數(shù)據(jù)，可以看出，不管是戶外曝曬還是氙燈加速測試，每種樣品的顏色均發(fā)生變化，而且隨著試驗(yàn)時(shí)間的增長，DE的值都在增加。在計(jì)算氙燈測試2000h相當(dāng)于戶外曝曬多少個(gè)月之前，我們需要知道它們之間的相關(guān)性如何。只有在相關(guān)性好的情況下，計(jì)算氙燈測試2000h相當(dāng)于戶外曝曬多少個(gè)月才有意義。

    由2/[n(n2-1)]計(jì)算，得出Allunga自然戶外曝曬與氙燈試驗(yàn)室加速測試之間的相關(guān)系數(shù)。以500h氙燈與6個(gè)月自然曝曬之間的相關(guān)性為例，相關(guān)系數(shù)rs的計(jì)算方法如表3。

[表2氙燈實(shí)驗(yàn)室加速測試程序參數(shù)]

表2氙燈實(shí)驗(yàn)室加速測試程序參數(shù)

    表3500h氙燈與6個(gè)月自然曝曬顏色變化DE排序表

[表3500h氙燈與6個(gè)月自然曝曬顏色變化DE排序表]

表3500h氙燈與6個(gè)月自然曝曬顏色變化DE排序表

    依據(jù)公式rs=1-6×[(1-1)2+(6-6)2+(4-5)2+(3-2)2+(5-4)2+(2-3)2]/6×(62-1)

    則rs=0.89

    所有相關(guān)系數(shù)的數(shù)值如表4所示。

    從表4可以看出，Allunga戶外曝曬6個(gè)月、9個(gè)月、12個(gè)月、18個(gè)月、24個(gè)月的結(jié)果與氙燈試驗(yàn)箱500h、1000h、1500h、2000h各時(shí)間段的相關(guān)性都比較好。

    根據(jù)圖4、圖5的顏色變化數(shù)據(jù)可知，在氙弧燈試驗(yàn)箱中測試2000h，其樣品的顏色變化沒有戶外曝曬24個(gè)月的顏色變化大。我們以在氙弧燈試驗(yàn)箱中測試1000h、1500h、2000h樣品發(fā)生的顏色變化為基準(zhǔn)，計(jì)算每種樣品在氙弧燈試驗(yàn)箱中測試1000h、1500h、2000h分別相當(dāng)于戶外曝曬多少個(gè)月，然后取其算術(shù)平均值。通過計(jì)算，其對應(yīng)關(guān)系如表5所示。

[圖4自然爆曬后樣品的顏色變化]

圖4自然爆曬后樣品的顏色變化

[圖5氙燈試驗(yàn)室加速測試的顏色變化]

圖5氙燈試驗(yàn)室加速測試的顏色變化

    表4Allunga自然戶外曝曬與氙燈實(shí)驗(yàn)室加速測試之間的相關(guān)系數(shù)

[表4Allunga自然戶外曝曬與氙燈實(shí)驗(yàn)室加速測試之間的相關(guān)系數(shù)]

表4Allunga自然戶外曝曬與氙燈實(shí)驗(yàn)室加速測試之間的相關(guān)系數(shù)
 

[表llunga自然戶外曝曬]

表llunga自然戶外曝曬

    4結(jié)論

    戶外測試是試驗(yàn)室加速老化測試的基礎(chǔ)。通過本文研究，我們認(rèn)為兩者試驗(yàn)數(shù)據(jù)間有一定的關(guān)聯(lián)性。我們也進(jìn)一步認(rèn)識(shí)到積極開展戶外老化測試，并用以指導(dǎo)試驗(yàn)室加速測試的重要性。當(dāng)然兩者之間的對應(yīng)關(guān)系會(huì)因戶外測試的地理位置、氣候變化、底材種類的變化等而有所不同。更重要的是顏料與涂料作為一個(gè)整體進(jìn)行試驗(yàn)。不同的涂料體系會(huì)得到不同的結(jié)果。如果涂料體系、顏料類型、或顏料含量等任意一項(xiàng)發(fā)生改變，我們只能對zui終結(jié)果作推測。因?yàn)檫@些改變可能對zui終結(jié)果產(chǎn)生較大的影響。