陈文浩，徐仲，戴维
老虎表面技术新材料有限公司
摘要：粉末涂料作为一种保护基材的高分子材料，具有广泛的应用。但其受外界光、热、水、污染气体影响具有一定使用寿命。其中，紫外光是涂层老化的最主要因素。目前主要有佛罗里达暴晒和氙灯测试两种方法来评估涂层老化，然而对佛罗里达暴晒和氙灯老化测试关联性的研究报告并不多见。本文主要对两种测试方法的关联性研究做个简要分析。经我们测试发现按ASTM D7869标准的氙灯测试与佛罗里达暴晒测试的关联性要好于ISO16474-2标准。
1 研究背景介绍
随着国家环保政策推行，粉末涂料作为绿色环保涂料，目前正越来越有取代传统油漆涂料的趋势。粉末涂料对基材主要起保护和装饰的作用。但涂料作为一种高分子材料总会有其时效性，特别是户外粉，因面临的条件更恶劣时效性更短。造成涂膜失效，主要由光、热、水、污染气体等因素所致。在研究对有机涂层的户外老化影响因素中，紫外线被认为是引发降解的最主要因素。目前评价涂膜的老化性能主要有自然暴晒和人工加速老化两种途径。本文就我公司几款产品的佛罗里达暴晒与氙灯老化测试结果做个概论。
2 测试原理及方法
太阳光根据波长主要可分为红外光、可见光、紫外光三种光，其中可见光约占53％，红外光约占44％。其中紫外光是造成涂膜老化分解的主因。紫外光又可分为UVA、UVB、UVC三种。UVA波段为320-400nm，UVB波段为280-320nm，UVC波段<280nm。UVC具有最强的辐射能量，所幸UVC被大气层全部吸收。但是仍有少量UVB到达地表，并造成涂层老化破坏。大多数有机键并不吸收光能大于280nm的紫外光，涂层并不是直接被阳光照射破坏。但是，大多数树脂包含的少量过氧化物和酮杂质经紫外光照射后，形成自由基进而引发光氧化过程。自由基反应过程如下所示：
光分解和光氧化作用导致有机涂层分子链降解。有机涂层结构发生变化后引起涂层性能发生变化，即涂层在紫外线作用下发生了老化。
目前评估涂层老化性能主要通过自然暴晒和人工加速老化两种手段。如今，国际上自然暴晒点有美国的佛罗里达和亚利桑那、澳大利亚的阿伦加三个暴晒场。佛罗里达州的特征是高强度的太阳光照、全年高温、年降雨量高和高湿度。当这些因素结合形成恶劣的气候环境，使佛罗里达州成为户外耐久性测试的理想地点。佛罗里达州典型气候条件使产品老化速度加快，并且老化速度快于大部分的美国北方区域的气候环境。这是很多公司将佛罗里达州作为户外老化测试的首选地区的其中一个原因。户外暴晒角度也对测试结果有很大的影响，因不同角度接受的辐射能量不同。太阳照射的时候，样品直接面对太阳光比任何一个角度对着阳光所接收到的光照能量要高。在佛罗里达州和亚利桑那州，夏天的太阳辐射会达到非常高的峰值。夏天的时候佛罗里达州太阳几乎是垂直直接照射。因此，在夏天，样品摆放的角度倾斜水平面5°是会接受到比倾斜45°更高的太阳辐射能量。在冬天，当太阳并没有在天空这么高的位置的时候，样品摆放倾斜45°会接受到更多的太阳辐射能量。本公司测试主要选择45°，也对5°和45°作了对比测试。
因自然暴晒周期太长，为缩短实验周期，弥补自然老化实验方法的缺陷，人们开始采用人工加速老化的实验方法来模拟涂层在实际使用过程中的老化行为。人工加速老化试验箱模拟和强化了自然环境中的相关因素，如阳光、温度、空气、湿度等，在相对较短的时间内就可以完成老化时间，大大缩短企业实验时间成本。国际标准化组织推荐使用的人工光源主要有阳光型碳弧灯、荧光紫外灯、氙灯三种。其中氙灯的光谱范围包括了波长大于270nm的紫外光可见光和红外光，其光谱能量分布与太阳光中的紫外光、可见光部分最接近。经过过滤的氙灯光谱与太阳光有很好的一致性，对涂层的老化作用与自然条件比较接近。目前行业内的氙灯测试标准主要有IS016474-2和ASTM D7869两种标准。我公司为了得出更佳的评估结果，对两种标准方法都进行了测试。两种标准具体如下表：
3 测试结果与讨论
我公司选择了几款较高耐候等级的户外耐候产品进行佛罗里达暴晒和氙灯老化测试。几组产品配方如下：
Product 1与Product 2相比仅换了树脂，其他一样，均为蓝色高光产品。树脂1为超耐候聚酯，树脂2为建材级聚酯。Product3为深棕色砂纹产品树脂3为超耐候聚酯。Product4是黄色高光产品，树脂4为建材级别聚酯。Product5和Product6均使用建材级别聚酯。
3.1 佛罗里达暴晒与不同氙灯测试方法结果对比分析
我们将每个产品的氙灯测试按标准测试两次，一来能确保结果的重现性，二来减少偶然误差。老化结果的评估主要通过保光率和色差值两个指标来进行。
上述图中纵坐标为保光率或色差值，横坐标选为辐射能量，因辐射能量更为直观，可以直接换算成测试时间。由图1·图2可知，ASTM7869标准氙灯测试超耐候体系（Product 1）与佛罗里达暴晒具有很好的吻合度，其吻合度要比ISO 16474-2高，保光率和色差值两个指标都十分接近。超耐候体系具有优良的保光率和很小的色差变化值。说明ASTM7869标准氙灯测试超耐候体系具有很好的参考作用。由图3-图4可知对建材级别体系而言，氙灯数据与佛罗里达暴晒吻合度不如超耐候体系。氙灯测试的保光率要大大低于暴晒测试，色差值也远大于暴晒测试。但ASTM7869标准氙灯测试与暴晒测试吻合度仍然要高于IS016474-2。对比图2与图4，暴晒测试的建材体系色差值要大于超耐候体系色差值，说明除了颜料对色差值影响较大外，树脂体系也会对色差值有很大影响。
由图5可知，超耐候砂纹体系也具有优异的耐候性，两种标准的氙灯测试均与暴晒测试有很好的吻合度。可能是因为砂纹产品光泽较低，老化测试光泽波动范围不大，所以表现出很好的吻合度。从图6可以看到，暴晒测试的色差值基本不变，说明深咖啡色具有良好的耐老化性能。从图7与图8，依然可以得出ASTM7869与佛罗里达暴晒具有更好的吻合度这一结论。暴晒色差值很大，说明黄色产品耐老化性能不佳，与平时我们了解的黄色产品在户外容易褪色一致。
3.2 佛罗里达暴晒角度对老化性能的影响
由图9和图10对比得知，45°的暴晒结果要好于5°，说明5°板面接受更多的辐射能量。
4 结论
根据我司几种不同体系产品的氙灯测试与佛罗里达暴晒测试，我们可以得出以下几点结论：1）ASTM7869标准氙灯测试与佛罗里达暴晒具有更高的吻合度，要高于ISO16474-2。2）超耐候体系ASTM7869标准氙灯测试具有很好的参考作用。3）除了颜料本身，树脂也对老化色差值变化有很大影响。4）深咖啡色产品具有良好的老化性能。5）黄色产品耐候性不佳，特别是有机黄产品，在户外使用时需考量其容易褪色。6）暴晒角度为5°时，板面接受更多的辐射能量。
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