粉末噴涂鋁型材耐候性測試方法研究

羅川1，孫杏蕾2，張恒2

（1.阿克蘇·諾貝爾粉末涂料（寧波）有限公司，浙江寧波315111；2.美國Q-Lab公司中國代表處，上海200436）

    摘要：介紹了粉末噴涂鋁型材老化測試的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀及測試方法。針對粉末噴涂鋁板，重點(diǎn)研究了3種實(shí)驗(yàn)室加速耐候老化測試QUV(UVA燈管)、QUV(UVB燈管)和Q-Sun與佛羅里達(dá)戶外曝曬測試之間的比較。分析了3種加速老化試驗(yàn)方法與佛羅里達(dá)戶外曝曬光澤變化結(jié)果的相關(guān)性，并以此為例，分析多少小時(shí)加速試驗(yàn)結(jié)果和1年佛羅里達(dá)曝曬結(jié)果相當(dāng)。

    關(guān)鍵詞：粉末噴涂；耐候性；紫外測試；氙燈測試；佛羅里達(dá)曝曬；鋁型材

    1引言

    近年來，隨著我國建設(shè)步伐的加快，鋁合金建筑型材市場有了長足的發(fā)展。目前，我國已成為世界上鋁合金建筑型材第一生產(chǎn)大國。與其它材料一樣，當(dāng)鋁合金建筑型材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、粉化、開裂、起泡、表面剝落等老化現(xiàn)象，從而影響到產(chǎn)品的性能和美觀。因此鋁合金建筑型材的耐候性是產(chǎn)品開發(fā)和質(zhì)量控制的一個(gè)重要指標(biāo)。粉末噴涂鋁型材的老化測試包括戶外大氣測試和實(shí)驗(yàn)室加速測試2種方法。國內(nèi)有專門的鋁型材行業(yè)的大氣老化標(biāo)準(zhǔn)GB5237.4—2004[1]，國際上常用的戶外曝曬標(biāo)準(zhǔn)有歐洲Qualicoat第10版[2]、美國建筑制造業(yè)協(xié)會(huì)AAMA2603—02[3]、AAMA2604—02[4]、AAMA2605—02[5]、英國BS6496[6]等。戶外曝曬的測試時(shí)間相對較長，大部分制造商不愿意用幾年的時(shí)間來觀察一種新產(chǎn)品的設(shè)計(jì)是否確實(shí)得到改進(jìn)，所以有必要進(jìn)行實(shí)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，主流的測試方法有紫外（QUV）和氙燈（Q-Sun）2種，其中紫外測試主要使用UVA燈管和UVB燈管。2試驗(yàn)?zāi)康谋疚脑囼?yàn)的目的是為了比較QUV（UVA燈管）、QUV（UVB燈管）、Q-Sun這3種實(shí)驗(yàn)室加速老化測試方法與佛羅里達(dá)戶外曝曬之間的關(guān)系，分析哪種加速試驗(yàn)方法更適合于材料何種性能的測試，并通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)及數(shù)學(xué)計(jì)算，找出3種加速老化試驗(yàn)時(shí)間與佛羅里達(dá)戶外曝曬時(shí)間的對比關(guān)系，幫助業(yè)內(nèi)人士了解如何通過試驗(yàn)找出自己產(chǎn)品的加速因子。

    3實(shí)驗(yàn)室加速老化原理

    實(shí)驗(yàn)室加速老化測試主要使用氙燈和紫外2種測試設(shè)備，但它們的測試原理完全不同。下面通過介紹Q-Lab公司的Q-Sun氙燈試驗(yàn)箱和QUV紫外試驗(yàn)機(jī)的特點(diǎn)來分析氙燈和紫外設(shè)備的測試原理。

    3.1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。氙燈光譜有2個(gè)影響因素：濾光系統(tǒng)和光源穩(wěn)定性。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。過濾器的使用取決于被測材料和材料的最終使用條件。經(jīng)不同過濾器過濾后得到的光譜中紫外線的短波段的量不同，這將在很大程度上影響老化的速度和類型。經(jīng)常使用的過濾器有3種類型：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1顯示了這種過濾器產(chǎn)生的光譜，同時(shí)也顯示了從295~400nm之間的紫外線短波段的光譜。大多數(shù)氙燈檢測設(shè)備通過水噴淋或濕度控制系統(tǒng)來模擬潮濕的影響。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，使用高純度的去離子水是非常必要的。

    圖1配備有日光過濾器的Q—Sun光譜和太陽光譜之間的關(guān)系

    3.2紫外試驗(yàn)機(jī)的老化原理

    QUV利用熒光紫外線燈來模擬太陽光對耐久性材料造成的損害。紫外燈在電學(xué)原理上與普通照明用的燈管很相似，但它主要發(fā)射紫外光而非可見光。對于不同的應(yīng)用條件，需要不同類型的燈管產(chǎn)生不同的光譜。UVA-340燈管對太陽光的紫外短波段光線模擬效果好。UVA-340的光譜能量分布（SPD）在太陽光的截止點(diǎn)到大約360nm范圍內(nèi)與太陽光譜能夠很好地吻合（見圖2）。

    圖2UVA一340光譜與夏天正午太陽光譜比較

    圖3UVB一313及Fs一40光譜與太陽光譜比較

    UVB-313燈管（見圖3）在QUV中也被廣泛應(yīng)用。它們對材料產(chǎn)生的老化影響比UVA-340燈管更快，但它比太陽光截止點(diǎn)更短的波長可能會(huì)對許多材料產(chǎn)生不切實(shí)際的結(jié)果。UVA-340燈管對太陽光紫外短波段的模擬效果是最佳的。UVB-313燈管利用紫外線的短波段達(dá)到最快加速老化的目的，對特別經(jīng)久耐用的材料的檢定或質(zhì)量控制非常有用。加熱QUV測試室底部的水盤來產(chǎn)生蒸汽。在較高的溫度下，熱蒸汽在測試室內(nèi)保持100％的相對濕度。QUV中，測試樣品實(shí)際上形成測試室的側(cè)壁。樣品的另一面暴露在室內(nèi)周圍的空氣中。室內(nèi)相對較冷的空氣就使得測試樣品的表面比測試室內(nèi)的熱蒸汽的溫度低好幾度。這一溫度差產(chǎn)生冷凝，在樣品表面液態(tài)形式的水慢慢地凝結(jié)。除了標(biāo)準(zhǔn)的冷凝功能，QUV還可用水噴淋來模擬雨水影響，產(chǎn)生熱沖擊或機(jī)械侵蝕。

    43種加速測試試驗(yàn)條件

    利用QUV和Q-Sun2種測試設(shè)備對一系列粉末噴涂鋁板進(jìn)行了測試。具體地進(jìn)行了3種實(shí)驗(yàn)室加速老化測試，分別是QUV（UVA燈管）、QUV（UVB燈管）和Q-Sun，3種測試的具體標(biāo)準(zhǔn)和程序見表1~3。

    表1QUV（UVA燈管）測試程序

    表2QUV（UVB燈管）測試程序

    表3 Q-Sun 測試程序

    按照以上的試驗(yàn)條件，分別對樣板進(jìn)行曝曬，并在不同時(shí)間段將樣品取出，測試它們的光澤變化，同時(shí)與在佛羅里達(dá)戶外自然曝曬的結(jié)果進(jìn)行比較。

    53種加速測試方法與佛羅里達(dá)測試結(jié)果之間的比較

    利用QUV（UVA燈管）、QUV（UVB燈管）、Q-Sun，并在佛羅里達(dá)測試了一系列粉末噴涂鋁板樣品的光澤、顏色變化及起泡、粉化、開裂、裂紋等指標(biāo)，本文主要討論樣品的光澤變化。根據(jù)所得測試結(jié)果的數(shù)據(jù)，分別計(jì)算了加速測試方法與佛羅里達(dá)測試方法之間的相關(guān)系數(shù)rs（spearman相關(guān)系數(shù)），該相關(guān)系數(shù)指的是利用2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指的是樣品的個(gè)數(shù)，di指的是兩列排序中每一組排位數(shù)之間的差值。

    為了得到加速老化測試與佛羅里達(dá)戶外曝曬試驗(yàn)結(jié)果之間的關(guān)系，也就是通常大家比較關(guān)心的一個(gè)問題———對于材料的某種變化，如果加速測試與戶外結(jié)果的相關(guān)性足夠好，那么在QUV或Q-Sun中測試多長時(shí)間相當(dāng)于在佛羅里達(dá)戶外曝曬1a的效果，還做了相關(guān)數(shù)學(xué)計(jì)算。假設(shè)在3種加速測試方法中測試t小時(shí)最接近在佛羅里達(dá)戶外曝曬1a的效果，通過求二次函數(shù)最小值的方法得到t值，也就是所要求的對應(yīng)加速測試時(shí)間。

    需要特別指出的是，文中利用求二次函數(shù)的最小值來求最佳時(shí)間的方法只是尋求在加速試驗(yàn)中測試多長時(shí)間最接近在佛羅里達(dá)戶外曝曬的效果，而并不能保證所有樣品都達(dá)到在佛羅里達(dá)曝曬的程度。為了確保所有樣品都達(dá)到或超過在佛羅里達(dá)測試的結(jié)果，建議對最佳時(shí)間作一修正，即在所得時(shí)間的基礎(chǔ)上再乘以一個(gè)系數(shù)，這個(gè)系數(shù)可以是1.1，可以是1.5，也可以是其它的數(shù)值，視具體情況具體分析。

    5.1QUV（UVA燈管）與佛羅里達(dá)測試結(jié)果之間的比較

    對每個(gè)樣品，QUV（UVA燈管）按表1試驗(yàn)條件運(yùn)行1000h，在不同時(shí)間段對光澤進(jìn)行一次測量，而在佛羅里達(dá)是對樣品曝曬了1a，也是在不同時(shí)間段對光澤進(jìn)行一次測量。無論是在佛羅里達(dá)戶外曝曬，還是利用QUV（UVA燈管）進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室加速老化測試，樣品的光澤均發(fā)生退化。通過數(shù)據(jù)分析及數(shù)學(xué)計(jì)算，得出QUV（UVA燈管）與佛羅里達(dá)測試結(jié)果之間的相關(guān)系數(shù)。同時(shí)，求出二次函數(shù)取得最小值時(shí)所對應(yīng)的t值。當(dāng)t為400h時(shí)二次函數(shù)取得最小值，而且此時(shí)的相關(guān)系數(shù)為0.9。這就說明在QUV（UVA燈管）中測試400h樣品的光澤變化最接近在佛羅里達(dá)戶外曝曬1a的效果（為了直觀比較樣品在兩種測試條件下性能的變化，圖4中顯示的是其中3個(gè)樣品在QUV（UVA燈管）和佛羅里達(dá)試驗(yàn)中的光澤變化。

    圖4QUV(UVA燈管)400h與佛羅里達(dá)曝曬1a樣品保光率之間的比較

    從圖4可以看出，無論是使用QUV（UVA燈管）對樣板進(jìn)行測試還是佛羅里達(dá)戶外曝曬，樣板的光澤均發(fā)生退化。其中A樣板光澤保持的較好，B樣板的光澤下降最低。而且還可以看出，QUV（UVA燈管）測試與佛羅里達(dá)戶外曝曬之間的相關(guān)性較好。

    5.2QUV（UVB燈管）與佛羅里達(dá)測試結(jié)果之間的比較

    對每個(gè)樣品QUV（UVB燈管）按表2試驗(yàn)條件運(yùn)行400h，在不同時(shí)間段對光澤進(jìn)行一次測量。

    通過數(shù)據(jù)分析及數(shù)學(xué)計(jì)算，得出QUV（UVB燈管）與佛羅里達(dá)測試結(jié)果之間的相關(guān)系數(shù)。同時(shí)，求出二次函數(shù)取得最小值時(shí)所對應(yīng)的t值。當(dāng)t為350h時(shí)二次函數(shù)取得最小值，而且此時(shí)的相關(guān)系數(shù)為0.9。這就說明在QUV（UVB燈管）中測試350h樣品的光澤變化__最接近在佛羅里達(dá)戶外曝曬1a的效果（見圖5）。

    圖5QUV(UVB燈管)350h與佛羅里達(dá)曝曬1a樣品保光率之間的比較

    從圖5可以看出，無論是使用QUV（UVB燈管）對樣板進(jìn)行測試還是佛羅里達(dá)戶外曝曬，樣板的光澤均發(fā)生退化。與圖4中得出的結(jié)論相同，A樣板光澤保持的較好，B樣板的光澤下降最低。而且QUV（UVB燈管）測試與佛羅里達(dá)戶外曝曬之間的相關(guān)性也很好。

    5.3Q-Sun與佛羅里達(dá)測試結(jié)果之間的比較

    對每個(gè)樣品Q-Sun按表3試驗(yàn)條件運(yùn)行800h，在不同時(shí)間段對光澤進(jìn)行一次測量。

    通過數(shù)據(jù)分析及數(shù)學(xué)計(jì)算，得出Q-Sun與佛羅里達(dá)測試結(jié)果之間的相關(guān)系數(shù)。同時(shí)，求出二次函數(shù)取得最小值時(shí)所對應(yīng)的t值。當(dāng)t為600h時(shí)二次函數(shù)取得最小值，而且此時(shí)的相關(guān)系數(shù)為0.9。這就說明在QSun中測試600h樣品的光澤變化最接近在佛羅里達(dá)戶外曝曬1a的效果（見圖6）。

    圖6Q-Sun600h與佛羅里達(dá)曝曬1a樣品保光率之間的比較

    與圖4、圖5類似，從圖6也可以看出，無論是使用Q-Sun對樣板進(jìn)行測試還是佛羅里達(dá)戶外曝曬，樣板的光澤均發(fā)生退化。與圖4、圖5中相同，A樣板光澤保持的較好，B樣板的光澤下降最低。而且Q-Sun測試與佛羅里達(dá)戶外曝曬之間的相關(guān)性也很好。6總結(jié)與建議本文研究了粉末噴涂鋁型材的耐候老化測試方法，試驗(yàn)證明無論是QUV紫外光老化試驗(yàn)機(jī)還是QSun氙燈試驗(yàn)箱對材料造成的光澤下降與戶外曝曬之間的相關(guān)性都很好，而且QUV紫外光老化試驗(yàn)機(jī)（無論是UVA燈管還是UVB燈管）比Q-Sun氙燈試驗(yàn)箱能更快地模擬佛羅里達(dá)戶外曝曬1a的效果。戶外測試是實(shí)驗(yàn)室加速老化測試的基礎(chǔ)。通過本研究，進(jìn)一步認(rèn)識(shí)到積極開展戶外老化測試的重要性，并用以指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)室加速測試。雖然某些例子已經(jīng)證明了實(shí)驗(yàn)室加速測試能夠很好地預(yù)測某些材料的戶外耐久性，但有些情況下，實(shí)驗(yàn)室加速測試卻無法準(zhǔn)確地預(yù)測出材料的戶外耐久性。而且，在實(shí)驗(yàn)室加速測試中表現(xiàn)最好的產(chǎn)品，在實(shí)際的戶外測試中可能表現(xiàn)最差。在各種實(shí)驗(yàn)室加速試驗(yàn)面前，人們有很多種選擇，但其中有些可能很好，有些可能很差。但戶外測試不同，您不必?fù)?dān)心作出錯(cuò)誤的選擇，因?yàn)樵趹敉鉁y試跟實(shí)際情況從來不會(huì)有出入。本文所得的戶外與實(shí)驗(yàn)室加速測試之間的對比關(guān)系，僅就文中所曝曬的粉末噴涂鋁板而言，不見得對所有產(chǎn)品都適用，在此只是作為一種分析方法的參考。要想找出其它產(chǎn)品或材料的戶外與實(shí)驗(yàn)室加速測試之間的相關(guān)性，那么還要進(jìn)行相關(guān)的戶外測試。