防腐涂層耐候性人工老化試驗(yàn)

　　防腐涂層人工老化試驗(yàn)是耐候性試驗(yàn)的重要組成部分之一。耐候性試驗(yàn)是指防腐涂層(也包括各種材料，尤其是以聚合物為基礎(chǔ)的各種人工合成材料，這里以防腐涂層代表)抵抗陽光、潮濕、雨、露風(fēng)、霜等霜等氣候條件的破壞作用而保持原性能的能力。

　　為了模擬自然界中各種氣候因素以便在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)創(chuàng)造出所謂人工氣候，并能達(dá)到加速試驗(yàn)的目的，一般采用人工氣候老化試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)。

　　根據(jù)所采用的光源，人工氣候老化試驗(yàn)機(jī)可分為紫外碳弧型、陽光碳弧型、紫外熒光燈型、氙弧燈型及金屬鹵素?zé)粜偷取１疚闹攸c(diǎn)講述氙燈型人工氣候老化試驗(yàn)設(shè)備和紫外熒光燈型人工氣候老化試驗(yàn)設(shè)備。

　　一、氙燈型人工氣候老化試驗(yàn)設(shè)備

　　氙燈型人工氣候老化試驗(yàn)箱應(yīng)由耐腐蝕材料制成，其內(nèi)裝置包括有濾光系統(tǒng)的輻射源、溫濕度調(diào)節(jié)系統(tǒng)、樣板架、黑標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)、輻照度測(cè)定儀等。不僅能更為有效地模擬戶外氣候的多種特性，如：模擬太陽的光譜分布、適應(yīng)各類標(biāo)準(zhǔn)選擇的濾光器組合、恒定的黑標(biāo)準(zhǔn)溫度、箱體溫度、濕度、降雨、黑暗、凝露、一個(gè)太陽/二個(gè)太陽的輻射量等。而且自動(dòng)化程度也大大提高，可內(nèi)存多種國際、歐洲、美國、日本等工業(yè)產(chǎn)品(涂料、汽車部件、塑料、紡織品等)耐人工氣候老化試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，還可自行設(shè)定多種用戶試驗(yàn)程序，儀器執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)的準(zhǔn)確性及試驗(yàn)數(shù)據(jù)的重復(fù)性也不斷提高。氙燈型人工氣候老化試驗(yàn)設(shè)備能較接近的模擬太陽光的光譜，所以盡管運(yùn)行費(fèi)用很高，大多數(shù)用戶還是需要用氙燈型人工氣候老化試驗(yàn)機(jī)做出的試驗(yàn)結(jié)果來預(yù)測(cè)未來產(chǎn)品的耐候性能力。特別是對(duì)材料顏色耐候性能力的判斷，一定要用氙燈型人工氣候老化試驗(yàn)機(jī)來做。

　　1.氙燈型老化機(jī)的結(jié)構(gòu)

　　氙弧燈是特大功率的發(fā)光光源，從1000瓦特到5000瓦特。大量的紅外線發(fā)射將導(dǎo)致試樣溫度很快上升。燈管本身溫度也很高。所以從燈管冷卻的方式，氙燈型老化機(jī)可分為水冷式和風(fēng)冷式，為充分利用燈管的輻射資源，一般會(huì)將試樣放在燈管的周圍圍一圈。并做成可旋轉(zhuǎn)的結(jié)構(gòu)。稱為旋轉(zhuǎn)鼓式。而將樣品放在平面上，燈管布置在試驗(yàn)箱體上部的結(jié)構(gòu)稱之為平面排列式，水冷式氙燈型老化機(jī)可以讓燈管工作在很高的功率下，有較高的效率，但水冷卻系統(tǒng)需水、電、光路隔離，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對(duì)冷卻用去離子水的要求也很高，導(dǎo)致水冷式氙燈老化機(jī)售價(jià)很高。風(fēng)冷式氙燈型老化機(jī)相反，結(jié)構(gòu)簡單了，但光效率較低，售價(jià)也相對(duì)低一些。目前新的國際標(biāo)準(zhǔn)對(duì)老化機(jī)的結(jié)構(gòu)已無要求。

　　2.氙燈輻照光譜的過濾

　　由于氙燈光譜有大量的脈沖波峰，所以要經(jīng)過過濾后才可獲得接近日光的光譜。氙燈型老化機(jī)常見的濾光片組合及適用范圍見表2：

　　表2常見的濾光片組合及適用范圍

　　如表2所示，通過不同濾光片的組合可以得到多種戶內(nèi)外條件模擬試驗(yàn)，不同的組合會(huì)產(chǎn)生不同的光譜及輻射強(qiáng)度，可引起試驗(yàn)結(jié)果的明顯不同。濾光器的老化可導(dǎo)致氙弧燈的紫外發(fā)射明顯減少，必須嚴(yán)格按照儀器的規(guī)定定期更換內(nèi)外濾光片。另外，濾光器上的沉積物及其他殘留物也能影響濾光器的透過率，因此應(yīng)定期清洗濾光器。

　　3.輻照強(qiáng)度和控制點(diǎn)

　　輻照度是指照射在平面上光能的比率。一臺(tái)耐候性試驗(yàn)箱必須控制光的輻照強(qiáng)度，以達(dá)到加速實(shí)驗(yàn)和重現(xiàn)試驗(yàn)結(jié)果的目的。光輻照度的變化會(huì)影響材料質(zhì)量惡化的速度，而光波波長的變化(例如光譜的能量分布)則同時(shí)會(huì)對(duì)材料退化的速度和類型產(chǎn)生影晌。通過控制光的輻照強(qiáng)度可以保持與實(shí)際相符的測(cè)試條件。

　　氙燈型老化機(jī)一般都有輻照強(qiáng)度的反饋控制系統(tǒng)，控制量大多以340nm(戶外輻射暴露)或420nm(透過窗玻璃暴露)為控制點(diǎn)，當(dāng)輻照強(qiáng)度穩(wěn)定控制在0.68W/m2/nm時(shí)，試驗(yàn)機(jī)的輻照強(qiáng)度大致相當(dāng)于夏季正午太陽直射時(shí)的強(qiáng)度。增加輻照強(qiáng)度有時(shí)可以加速老化速度，但是對(duì)有的材料效果卻不一定明顯，提高老化速度有時(shí)會(huì)與真實(shí)情況不符。需要參照自然氣候曝露對(duì)比試驗(yàn)，才能得到正確的結(jié)果。

　　4.溫度和濕度控制

　　光能輻射到試板提高了試板的溫度。不同的顏色因吸收的能量不同，溫升也不一樣，顏色越深溫度越高，黑色較高，白色較低。通常，老化試驗(yàn)機(jī)使用標(biāo)準(zhǔn)黑體溫度統(tǒng)一受照射物表面溫度，也稱黑板溫度。黑板溫度傳感器是內(nèi)部裝有溫度敏感元件的導(dǎo)熱板，其表面涂有能吸收波長2500nm以內(nèi)全部入射的輻射光的93%、有良好耐老化性能的平整黑色涂料、背面與試板放在同一導(dǎo)熱面上。儀器通過控制吹過試樣表面的外部冷空氣調(diào)節(jié)黑板溫度傳感器的溫度，使之穩(wěn)定在60℃左右。由于背面底板的導(dǎo)熱和均熱作用，其他試樣也將會(huì)處于接近該溫度的狀態(tài)。特殊應(yīng)用情況下，也有以絕緣黑體溫度(傳感器四周與底部有隔熱材料)、白板溫度作為試驗(yàn)試樣的溫度控制目標(biāo)。而箱體氣體溫度作為間接的溫度環(huán)境儀器也會(huì)設(shè)置控制系統(tǒng)作為下級(jí)控制對(duì)象。

　　通常溫度升高10攝氏度，化學(xué)反應(yīng)速度會(huì)提高兩倍。但光化學(xué)反應(yīng)不是通常的簡單的一步反應(yīng)，較初的光化學(xué)反應(yīng)不受熱量影響，而第二步反應(yīng)要受熱量影響。增加溫度一般可以加速老化速度，但是對(duì)有的材料效果卻不一定明顯，所以，通過提高溫度加速老化速度，有時(shí)也會(huì)與真實(shí)情況不符。所以既要提高老化速度，又要減少誤差，黑板溫度通常不能超過實(shí)際使用的較高溫度。

　　濕度對(duì)涂層的老化影響很大，但高溫的氙燈輻射使?jié)穸瓤刂戚^難實(shí)現(xiàn)，一般都有蒸發(fā)水蒸氣的裝置調(diào)節(jié)箱體內(nèi)部的濕度。使之相對(duì)濕度大致維持在50%+/-5%左右。

　　5.循環(huán)

　　或許有人認(rèn)為連續(xù)的光照可以加快老化速度，縮短老化時(shí)間。但實(shí)際上，很多材料在發(fā)生化學(xué)反應(yīng)之前，它們需要一定的“間歇期"。儀器都有循環(huán)程序來控制試驗(yàn)遵循如幾小時(shí)光照，幾小時(shí)無光照的周期循環(huán)來進(jìn)行。程序還有噴水或浸漬的步驟設(shè)計(jì)。這樣的老化既接近真實(shí)情況又速度較快。

　　二、紫外熒光燈型人工氣候老化試驗(yàn)設(shè)備

　　紫外熒光燈型人工氣候老化也由耐腐蝕材料制成，其內(nèi)裝置包括有UV光管組成的輻射源、溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)、模擬濕氣的加熱蓄水盤，樣板架、黑標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)、輻照度測(cè)定儀等。

　　盡管紫外光(UV)只占陽光的6%，但是它卻是造成戶外產(chǎn)品耐用性下降的主要光照因素。這是因?yàn)殛柟獾墓饣瘜W(xué)反應(yīng)影響隨著波長的減少而增加。因此在模擬陽光對(duì)材料物理性質(zhì)的破壞影響時(shí)，不需要再現(xiàn)整個(gè)陽光光譜。在大多數(shù)情況下，只需要模擬短波的UV光即可。

　　1.UV能量的波長范圍

　　紫外耐候老化機(jī)采用熒光UV燈。其原因在于它們比其他的燈管更為穩(wěn)定，并且有更好的試驗(yàn)結(jié)果再現(xiàn)性。采用熒光UV燈模擬陽光對(duì)材料物理性質(zhì)的影響，例如亮度下降、龜裂、剝落等方面應(yīng)是較好的方法。現(xiàn)有幾種不同的UV燈可供選擇。這些UV燈主要產(chǎn)生紫外光，而不是可見光或紅外光。燈的主要差別體現(xiàn)在它們各自產(chǎn)生的UV總能量集中在不同的光譜波長范圍上。不同的燈會(huì)產(chǎn)生不同的測(cè)試結(jié)果。實(shí)際的曝曬應(yīng)用環(huán)境可以提示應(yīng)選用那種類型的UV燈。

　　UVA-340可模擬陽光光譜的臨界短波波長范圍，UVA-340的名稱表示發(fā)射峰的波長特性(以nm表示)即發(fā)射峰的波長為340nm。波長范圍為A波段，即295至360nm的光譜。UVA-340只產(chǎn)生在陽光中能找到的UV波長的光譜。

　　UVB-313，用于較大程度的加速試驗(yàn)。UVB-313可以很快地提供實(shí)驗(yàn)結(jié)果。它們所采用的短波長UV比目前地球表面上通常找到的UV光波更為強(qiáng)烈。盡管這些比自然波長短許多的UV光能夠較大程度地加速試驗(yàn)，但它同時(shí)也會(huì)對(duì)某些材料造成不符和實(shí)際的退化破壞。UVB-313的曝曬程式在QC和R&D的應(yīng)用和對(duì)耐用性材料進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，是極其有用的。

　　2.控制輻照強(qiáng)度

　　與氙弧燈裝置一樣，紫外熒光燈型人工氣候老化試驗(yàn)設(shè)備一般都有輻照強(qiáng)度的反饋控制系統(tǒng)，以期達(dá)到加速實(shí)驗(yàn)和重現(xiàn)試驗(yàn)結(jié)果的目的。光輻照度的變化會(huì)影響材料質(zhì)量惡化的速度。通常，使用峰值波長為340nm的UVA-340燈管。控制輻照強(qiáng)度為0.68w/m2/nm，就可與夏季正午直射的陽光強(qiáng)度相匹配。它可以快速提供結(jié)果，而絲毫不影響其相關(guān)性。如需加速獲取數(shù)據(jù)，可以使之光照強(qiáng)度比夏季正午的陽光強(qiáng)度高75%。

　　3.模擬露水的影響

　　在戶外的材料與濕氣接觸的時(shí)間，每天可以長達(dá)12小時(shí)。研究結(jié)果表明造成這種戶外潮濕的主要原因是露水，而不是雨水。模擬露水是通過冷凝原理來實(shí)現(xiàn)。在試驗(yàn)機(jī)箱的底部有一蓄水箱，在冷凝循環(huán)階段，對(duì)其進(jìn)行加熱來產(chǎn)生水汽。熱蒸汽使試驗(yàn)箱內(nèi)的相對(duì)濕度維持在l00%，并且保持一個(gè)相對(duì)高溫。設(shè)計(jì)確保測(cè)試試件實(shí)際上構(gòu)成試驗(yàn)箱的側(cè)壁，從而使試件的背面則曝露在室內(nèi)環(huán)境空氣中。室內(nèi)空氣的冷卻效用導(dǎo)致試件表面溫度下降到低于蒸汽溫度幾度的水平。這一溫差導(dǎo)致試件在整個(gè)冷凝循環(huán)過程中，其表面始終有冷凝生成的液態(tài)水。這種冷凝產(chǎn)物是很穩(wěn)定的純凈蒸餾水。這種純凈水提高了試驗(yàn)的再現(xiàn)率，而同時(shí)避免了水漬問題：由于戶外曝曬接觸潮濕的時(shí)間每天可以長達(dá)12小時(shí)，因此潮濕周期一般持續(xù)幾小時(shí)。標(biāo)準(zhǔn)推薦的冷凝周期一般至少持續(xù)4小時(shí)。

　　4.模擬雨水影響

　　對(duì)于某些應(yīng)用過程而言，增加水噴淋能更好的模擬較終使用的環(huán)境條件。屋面、汽車材料和在金屬建筑或結(jié)構(gòu)上使用的防腐涂料經(jīng)常會(huì)遭遇到突然的溫度劇變。例如在炎熱的夏季中，當(dāng)熱量堆積表面溫度很高后突然由于暴雨而消散。由于經(jīng)常遭到來自雨水的沖刷，鋼結(jié)構(gòu)的涂料層，包括油漆和著色劑，會(huì)出現(xiàn)相應(yīng)的侵蝕現(xiàn)象。近期研究結(jié)果表明，這種雨水沖刷動(dòng)作可以將材料表面有防降解作用的涂料粉化層沖刷掉，從而將涂料本身直接曝曬在UV和水份的破壞性影響之下。這一過程可以重復(fù)多次，從而導(dǎo)致一種材料退化現(xiàn)象加劇。而單靠冷凝方式是無法再現(xiàn)的。增加水噴淋以再現(xiàn)此類環(huán)境條件，可以增強(qiáng)某些涂料氣候老化試驗(yàn)的相關(guān)性。

　　5.溫度控制

　　一級(jí)的光化學(xué)反應(yīng)對(duì)溫度變化并不敏感。然而，隨之而來的二級(jí)反應(yīng)的速度則和溫度變化緊密相關(guān)。一般來說，隨著溫度升高，反應(yīng)速度會(huì)加快。因此，在UV曝曬實(shí)驗(yàn)過程中，溫度控制就顯得很重要。而且要控制加速試驗(yàn)所采用的試驗(yàn)溫度與材料在實(shí)際應(yīng)用中遭遇的較高溫度相當(dāng)。同樣，紫外光老化試驗(yàn)機(jī)也使用標(biāo)準(zhǔn)黑體溫度統(tǒng)一受照射物表面溫度，由于儀器僅有紫外部分光譜，試板的溫度一般要靠箱體溫度提供。UV階段的溫度設(shè)置可以從50C到80℃，具體取決于光照度水平和室內(nèi)環(huán)境氣溫。