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人工气候加速老化对耐候性户外涂层性能影响的研究
彭 军，杨育农，谢宇芳，李 欣
(广州合成材料研究院有限公司，广州 510665)
0 前 言
户外涂料在实际使用中完全曝晒在大气环境下，容易受到太阳辐射、温度和湿度等因素的影响，涂层不可避免地会出现不同程度的老化现象。涂层的老化不仅导致户外涂料装饰效果及防护功能丧失，而且降低涂料使用寿命，增加了使用成本，造成了资源的浪费，涂层失效分解也会对环境造成污染。户外涂料的老化失效问题一直以来都是限制我国涂料进一步发展和应用的关键性问题之一。目前，我国户外涂料老化基础数据积累不完善，基础研究落后，没有系统开展过户外涂料在不同气候环境条件下的老化数据积累与失效行为规律的研究。
近些年来我国经济的飞速发展，尤其是建筑房地产行业和交通运输业的突飞猛进，使得以建筑外墙涂料、汽车涂料、风电涂料为代表的户外涂料在我国得到了迅猛发展[3]。在当今提倡环境友好、节能减排、低碳经济的大环境下，人们对涂料的品质提出了更高的要求，使得涂料的安全性、可靠性及耐久性问题受到广泛的重视[4]。随着未来我国经济的加快发展，对高耐候性户外涂料的需求将不断增加，研究户外涂料老化失效行为和耐候性评估方法显得尤为重要和迫在眉睫。本文通过对户外涂料在氙灯和荧光紫外灯等老化光源下进行人工加速老化试验，分别考察宏观光学性能、力学性能和拉伸性能的变化，研究探讨不同老化试验方法对户外涂料的影响，为户外涂料性能的改进及研发提供依据，以促进我国涂料行业的发展。
1 实验部分
1.1 试样的制备
涂层体系样品的制备：选择一种用于风电叶片上的户外涂料作为研究对象，将主剂与固化剂按规定的比例调配，调整至喷涂黏度，通过喷涂将涂料试样涂覆于有机玻璃钢底材上，喷涂完毕后在温度为(23±5)℃、相对湿度为(50%±5%)的恒湿恒温下自然干燥7 d，作为光学性能和力学性能的待测试板涂层体系样品。涂膜体系样条的制备：将户外涂料喷涂到覆有脱模剂的聚四氟乙烯底材上，反复喷涂直至涂膜厚度达到指定厚度。涂膜固化后，将涂膜从聚四氟乙烯底材上剥离出来，再将涂膜裁剪成哑铃形状，作为拉伸性能的待测剥离涂膜体系样品。
1.2 实验设备
Ci5000氙灯人工耐候试验机、UV-COM荧光紫外老化试验箱：美国ATLAS公司；BYK 4520多角度光泽度计：德国BYK-Gardner公司；CR10色差计：日本KONICA MOINLTA公司；Positest AT-A附着力测试仪，美国DeFelsko公司；HBa-1巴氏硬度计：无锡计量科学研究院；AG-IC 20KN型电子拉力机：日本岛津公司。
1.3 实验方法
1.3.1 人工加速老化试验
依据GB/T 1865—2009进行氙灯老化试验，试验条件为：辐照度(340 nm)0.51 W/m2，相对湿度50%，黑标温度65 ℃，降雨周期为18 min喷水/102 min不喷水。依据GB/T 23987—2009进行荧光紫外老化试验，分别使用UVA(340 nm)和UVB(313 nm)这两种光源，试验条件为辐照度为0.83 W/m2，黑板温度60 ℃下光照4 h，黑板温度50 ℃下冷凝4 h。
1.3.2 涂层光学性能测试
氙灯和荧光紫外灯老化测试时间均为3 000 h，每500 h老化时间为1个考察阶段，共分6个阶段对试板涂层的老化性能进行考察，测试涂层试板老化过程中光泽度和色差的变化。
1.3.3 涂层力学性能测试
依据GB/T 5210—2006，选用黏结力大于受试涂层内聚力的环氧胶黏剂把试柱黏结在涂层试板上，对不同人工加速试验老化前后的涂层试板进行拉开法附着力测试；依据GB/T 3854—2005，采用巴式硬度计测量涂层老化前后巴柯尔硬度的变化。
1.3.4 涂膜拉伸性能测试
依据GB/T 528—2009，通过万能力学试验机对剥离的涂膜老化前后的拉伸性能进行测试，测定涂膜样条的拉伸强度和断裂伸长率的变化。
2 结果与讨论
2.1 涂层光泽的变化
对涂料试样在不同老化光源下的60°光泽度和失光率的进行测定，并依据GB/T 1766—2008对涂层老化后的失光等级进行评级，不同老化光源下涂层光泽和失光等级的变化结果如表1。
从表1可以看出，在氙灯、UVA和UVB这3种光源下，随着老化时间的增加，涂层的光泽度逐渐降低、失光率和失光等级逐渐增加。其中，氙灯老化的失光率和失光等级增加得最少，UVB老化的失光率和失光等级增加得最多，3 000 h氙灯老化后涂层的失光率为3%，失光等级为1级，涂层表面仅出现很轻微失光；而3 000 hUVA老化后涂层的失光率升至24%，失光等级为2级，涂层表面已出现轻微失光；3 000 hUVB老化后涂层的失光率则增加到37%，失光等级增加到3级，涂层表面出现明显失光，老化变色现象较明显。氙灯光源进行老化试验时，所产生的光波除了紫外光外，还产生可见光等其他光波。而荧光紫外老化时，紫外灯光源只产生紫外光波。其中，UVA-340所产生的光源波长范围为315～400 nm的发光光谱，能量主要集中在340 nm的波长处，UVB-313所产生的光源波长范围为280～315 nm，其发光光谱能量主要集中在313 nm波长处。由于老化主要是由紫外光照射所引起的，而且波长越短老化程度越高，所以紫外光源会加速老化，经荧光紫外老化后的涂层，尤其是UVB光源照射后的涂层，其老化失光现象更明显。
2.2 涂层色差的变化
对涂层在不同老化光源下的色差变化进行测定，并依据GB/T 1766—2008对涂层老化后的失光等级进行评级，不同老化光源下涂层色差和变色等级的变化结果如表2。
从表2可以看出，氙灯老化和荧光紫外光老化对涂层的老化失光行为具有明显不同的影响效果。氙灯老化3 000 h后，涂层色差ΔE都在1.5以内，无颜色变化，失光等级都为0级；而UVA老化2 000 h，ΔE也在1.5以内，失光等级为0级，无变色；但老化时间达到2 500 h时，涂层色差ΔE为1.6，失光等级达到1级，出现很轻微失光现象。而UVB老化直到1 000 h，涂层的色差ΔE就超过1.5；当老化3 000 h时，色差ΔE高达3.9，涂层出现2级轻微失光。这说明涂层在氙灯老化3 000 h内，涂层颜色无变化，但在紫外老化作用下，涂层出现不同程度的失光。这是由于紫外光灯老化试验是利用荧光紫外光灯模拟太阳光的紫外光部分对耐久性材料进行破坏性作用，材料的老化主要是经由紫外光的照射所引起的[6]。荧光紫外老化的老化程度更大，老化程度也较氙灯老化大，经荧光紫外照射后的涂层老化变色现象更明显。
2.3 涂层力学性能的变化
测量不同光源老化前和老化3 000 h后涂层与底材间的拉拔附着力，并对涂层老化前和老化3 000 h后的巴柯尔硬度进行测量。表3为不同光源下老化前后涂层拉拔附着力和巴柯尔硬度的测试结果。
从表3不同人工加速老化试验前后附着力的变化可以看出，老化前涂层的附着力为15.7 MPa；氙灯老化3 000 h后的涂层附着力为13.2 MPa；而UVA老化3 000h后的涂层附着力降低到11.6 MPa；UVB老化3 000 h后的涂层附着力降低到7.3 MPa。巴柯尔硬度也有同样的变化趋势，氙灯老化3 000 h后的涂层巴柯尔硬度由老化前的59降低到55；而UVA老化3 000 h后的涂层巴柯尔硬度降低到54；UVB老化3 000 h后的巴柯尔硬度降低到51，表明人工老化加速试验的老化程度越高，涂层力学性能下降越快，UVB光源老化对涂层力学性能降低的作用最为明显。
2.4 涂膜拉伸性能的变化
采用万能力学试验机，对剥离涂膜体系老化前和老化3 000 h后的拉伸性能进行测试，测定涂膜样条的拉伸强度和断裂伸长率，测试结果见表4。
从表4中可以看出，剥离涂膜体系在不同光源下的拉伸强度和断裂伸长率在老化后都出现明显降低，涂膜试样在氙灯老化3 000 h后拉伸强度由老化前的16.1MPa降低至12.7 MPa，断裂伸长率由老化前的35%降至28%；UVA老化3 000 h后拉伸强度则降低至9.3 MPa，断裂伸长率降至24%；UVB老化3 000 h后拉伸强度则降低至5.7 MPa，断裂伸长率降至21%。剥离涂膜体系拉伸性能的变化趋势和力学性能一致，老化程度越高，涂膜拉伸性能下降越快，进一步说明荧光紫外老化比氙灯老化的老化程度更高，UVB比UVA所辐射的光波波长更短，更易加速户外涂料的老化速率。
3 结 语
近年来随着我国户外涂料产业的快速发展，人们对涂料品质的要求越来越高，涂料的气候老化问题也越来越受到了关注。鉴于当前户外涂料老化研究领域的发展趋势，可以采用宏观检测和微观分析相结合的方法，通过人工加速老化试验模拟自然气候环境，构建快速推算涂料服役寿命评估推算新方法及产品质量控制新技术，制定适用于不同气候特征环境下的户外涂料耐候性评价指标，进而上升为技术规范和行业标准，健全和完善工业技术标准体系，并搭建涂料产品老化技术服务平台，为企业提供技术服务，规范和指导户外涂料产业发展，使涂料生产技术更好与国际接轨，更好地适应经济的发展，促进我国涂料工业的可持续发展。
