涂层耐老化实验常用的方法
曹晓东，王成，穆志超（中海油常州涂料化工研究院有限公司，国家涂料质量监督检验中心，江苏常州213016）
0 引言
涂层的耐候性是指涂层在外部环境（阳光、空气、水、凝露、工业气体、微生物）作用下保持原有性能的能力，涂层在使用过程中会因受到外部环境的影响而出现一些不可逆的破坏现象，如：变色、失光、粉化、开裂、生锈、剥落、斑点和沾污等。暴露于户外的建筑物、汽车、钢结构等，每年由于外在涂层的变色、粉化、剥落等老化破坏造成巨大的损失，逐渐引起人们的重视并成为关注的重点。因此，对涂料质量来说，涂层的耐候性能显得尤为重要。
1 涂层老化的成因
涂层老化的原因包括内因和外因，内因与涂料的成膜物类型及所用的颜填料、助剂等原材料有关，也与涂料的配方体系有很大关系。涂层老化的外因指涂层曝露于户外环境下，受到多种破坏因素的作用，主要是阳光、雨水、凝露、气温、氧气、霉菌和工业气体等。
2 涂层老化实验的主要方法
涂层老化实验的方法分天然曝露实验和实验室人工气候加速老化实验。
2.1 天然曝露实验
天然曝露实验是指涂层直接曝露于自然环境下，考查涂层在特定环境下的耐候性能，自然环境根据气候特征可分为干热气候、湿热气候、亚湿热气候、亚湿热工业气候、寒冷气候和寒温高原气候等。通常天然曝露实验采用的标准主要有：GB/T
9276―1996《涂层自然气候曝露实验方法》和ISO 2810:2004《色漆和清漆涂层自然老化曝露及评定》。标准主要内容如下：
(1) 曝露场
按标准规定设置，内有曝露试板架、气象装置等，曝露架是摆在曝露场内用于曝露实验的支架，由惰性材料制成，结构坚固，曝露架可分为朝南45 °、朝南2 °、垂直、水平等。
(2) 实验样板
除另有规定外，实验样板基材应采用实际使用的底材，其处理方法按GB/T 9271—2008/要求进行，经商定也可使用其他底材和处理方法。样板的面积应＞0.03 m2，边长应＞100 mm，一般规定为250 mm×150 mm。
(3) 样板制备及背面、边缘的涂装
除另有规定或商定，涂膜的制备及厚度应参照各种受试产品标准规定进行。除另有规定或商定外，喷涂完最后1
道烘干型涂料的样板应在恒温恒湿室内养护1 d 后， 自干型应在恒温恒湿室内养护7 d 后，方可进行实验。应选择适宜的涂料对每1
块样板边缘、背面进行涂装，封边宽度一般为5 mm，并放置至涂膜干燥。推荐使用受试样品或耐候性、防腐性良好的涂料。
(4) 样板标识方法
从样板制备开始，用涂料或记号笔按施涂次序在每块样板背面标出所施涂的涂料样品编号（每种涂料样品的唯一性标识）， 施涂完工后从样板背面的标识可追溯到所施涂的样品。
(5) 样板放置
将样板放置在曝露架上，使用瓷绝缘子固定样板。
(6)样板检查
样板的曝露期限，
可按产品标准的要求或商定，也可规定曝露样板达到某一老化破坏程度作为曝露期限。投试前应先观测样板涂膜外观以及要求测定的物理机械性能等并做记录。以年或月作为曝露实验的时间单位。曝露投试季节一般规定在每年春末夏初，除非另有规定，检查间隔为在投试3
个月内，每半月检查1 次样板；然后在投试3 个月后至1 a 期间，每月检查1 次样板；在曝露超过1 a 后，每3
个月检查1次样板。当天气骤变时，应随时检查。如果规定在一定的曝露周期，需洗涤样板，则在检查前用棉纱在自来水或纯水中冲洗，晾干后检查；若规定需进行抛光的，则按规定进行抛光处理，然后再检查。曝露试板检查按GB/T
1766—2008 规定进行。
(7)气象数据收集
曝露实验场内设有气象观测仪器，每3 个月收集1 次气象数据，主要包括：日照时数、太阳辐射量、气温、湿度、降雨量、风向和风速等。
2.2 人工加速老化实验
人工加速老化实验是利用实验箱来模拟自然气候作用。与自然条件下的天然曝露实验相比，人工加速老化实验仅涉及了如光强、温度、喷淋、凝露、湿度等几个有限的因素，并对这几个因素进行控制、调节，从而可达到加速老化实验的目的。
根据采用的光源进行分类， 涂层老化实验常用是：荧光紫外灯型、氙弧灯型。
2.2.1 荧光紫外灯型
荧光紫外灯型老化机的光源主要是模拟自然光中的紫外波段，并通过对光强、温度、喷淋、凝露等因素进行控制来进行加速老化实验。常见的荧光紫外灯有UVA(UVA-340、UVA-351)和UVB(UVB-313、F40)2种。其光谱与自然光的对比见图1、图2。
UVA-340 灯和自然光的光谱功率分布,UVB 灯和自然光的光谱功率分布
光谱功率分布
从图1、图2 可以看出，UVA、UVB 的发射光谱集中在紫外波段280～360 nm，缺少了自然光中的红外光部分，其中UVB-313 灯发出的光含有低于295 nm（自然光截止波长）以下的辐射，可能会对材料的老化实验造成一定的偏差，但由于荧光紫外灯老化实验方法可以较快地考查、比较、遴选某些特殊材料的耐候性能，因此目前仍广泛应用。
荧光紫外灯型人工加速老化实验的相关标准见表1。
荧光紫外灯型人工加速老化实验的相关标准
2.2.2 氙弧灯型
该型老化机主要部件有： 氙弧灯光源系统、滤光器、喷水系统、冷却系统、增湿系统、辐照度控制器、样板架等。冷却方式有风冷和水冷。结构上有平板式和旋转式2 种。
从图3 可以发现，氙灯发出的光谱与自然光的光谱非常接近，特别是在紫外部分和可见光部分，所以氙弧灯老化实验可以更好的模拟自然光来考查涂层在户外的耐久性，目前许多涂料产品标准采用氙灯老化机进行人工加速老化实验。
氙灯与自然光光谱图
氙弧灯型人工加速老化实验的相关标准见表2。
氙弧灯型人工加速老化实验的相关标准
2.2.3 人工加速气候老化实验标准主要内容
经规定或商定确定具体的方法标准后，在人工气候老化实验前均应确定实验参数。如：光源类型、黑标/板温度、箱体温度、降雨周期、光照/黑暗周期、凝露、辐照强度等。一般在标准中有规定，也可根据需要进行商定。
(1)试板的制备、养护及投试
一般在相关产品标准中对试板的底材、受试涂料施涂、膜厚、养护时间等有规定，按规定执行即可，如有特殊需要也可进行商定。当受试涂层的养护期结束后，将1
块标准板放入避光环境中保存，其余的均投入实验，且样板在试板架上需定期重排，以保证试板在实验箱内所受因素影响的均匀性。
(2)人工气候老化实验时间
实验时间在按相关产品标准中有规定，特殊需要也可以商定。还可以规定在某些实验参数（变色、失光、粉化、起泡、生锈等）达到某一等级时停止实验，取出检查试板。
(3)人工气候老化实验样板的检查及评级
试板检查可以在实验过程中及实验结束时进行，样板检查时，将实验样板与标准板进行比较。观察有无异常现象，检查可按GB/T 1766―2008《色漆和清漆涂层耐老化的评级方法》中的规定进行，如有规定或商定，也可采用其他评级方法评定。
3 加速性与相关性
随着涂层耐老化实验的应用越来越广泛，人们对天然曝露实验与人工加速老化实验两者的相关性越来越感兴趣，并进行了许多实验。通过实验得到以下简单的对应关系：
x h（或MJ）人工加速老化实验=y
月（或年）的天然曝露实验，从而获得一个加速因子，以用来解决实际需要。但加速因子存在很大的局限性。因为加速性与相关性是一对矛盾，
加速性好，则相关性差。没有哪种实验室的曝露实验能完全模拟户外实际条件下的曝露，人工加速老化实验也不例外。
加速因子局限性很大，没有普遍意义，原因在于：
(1)基于人工灯光源和自然光的辐照量相等得到的加速因子，未考虑温度、湿度等其他因素对材料的影响，也未考虑材料的性能变化；
(2)加速因子与受试材料有关，用不同类型的材料做实验获得的加速因子会有很大的不同；
(3)加速因子与考查的性能有关，例如，考查变色或失光获得的加速因子也会有明显差异；
(4)影响户外曝露及人工加速老化速率的可变因素也会很大程度地影响计算出的加速因子， 如温度的变化可以导致加速因子的差异。
影响人工加速老化实验与户外曝露实验相关性的环境因素主要有：
(1)地区差异，不同的实验地点对天然曝露实验的结果有很大的影响；
(2)季节差异，四季的差别能明显影响天然曝露实验结果；
(3)人造光源与自然光光谱能量分布差异导致的影响；
(4)人造光源设定高于实际使用的辐照度造成的影响；
(5)人工老化箱设定的光照与黑暗的循环变化造成的影响；
(6)人工老化箱内的试样温度高于实际使用温度造成的影响。
4 结语
涂层耐老化实验在涂料领域的应用越来越广泛，涂层耐候性能作为衡量涂料抵抗环境影响性能的一个重要指标，
其方法标准在涂料行业内是必不可缺的。由于天然曝露实验周期长，受到的不确定因素影响大，
近年来许多涂料产品标准制定时将人工加速老化实验列入，以考查涂料的耐候性。人工加速老化实验的推广应用，
可以使行业内更好地对涂料的耐老化性能进行把关， 从而保证涂料在实际使用中保持良好的装饰及保护性能。