粉末涂料耐候性能检测影响因素探析

金牛 汪 俊 冯跃华 (安徽神剑新材料股份有限公司

摘要:介绍粉末涂料耐候性检测的相关标准,讨论了测试过程中诸多影响因素,及各种加速老化测试的相关性探讨。

关键词:粉末涂料;加速老化;相关性;评估 

引言

粉末涂料是一种不含溶剂的固体粉末状涂料,具有节省能源和资源、减轻劳动强度和涂膜机械性能好等特点,尤其是不含有机溶剂、无污染,受到涂料行业广大环保爱好者的青睐。近几年,粉末涂料得到了快速的发展和应用,特别是热固性粉末涂料。在热固性性粉末涂料中,户外粉末涂料占据了很大的比重。下文提到的粉末涂料一般特指户外粉末涂料。

粉末涂料固化后的涂层,在实际户外使用过程中容易受到阳光、雨水、温度、氧气、水分以及沙尘等诸多环境因素的影响,会产生发黄、褪色、粉化、开裂、起泡、表面剥落等老化现象,从而影响到产品的性能和美观。

研究粉末涂料的耐候性,对于评价涂层的性能,预测涂层的使用寿命,积极采取措施减缓材料的老化,对于粉末涂料的改性和开发都有非常重要的现实意义。本文从着重从粉末涂料耐候性能的检测方面进行阐述。

1    耐候性检测的分类

耐候性检测一般常见的有以下几种:

☆  气候老化试验

☆  紫外老化试验

☆  臭氧老化试验

☆  热空气老化试验

☆  温度交变老化试验

☆  湿热老化试验

☆  介质老化试验

除了上述试验方法外,还有耐寒试验、盐雾老化试验、抗霉试验等等,尽管测试方法有几十种,但在进行具体试验时,要根据材料的最终使用环境、材料的类别和试验目的等,来选取适当的测试方法。

气候老化试验是目前应用最为广泛的一种测试方法。下文讲到的耐候性测试也主要以气候老化试验为主。

气候老化试验—是将材料的试验样品曝露与大气环境条件下,从而获得材料样品在大气环境曝露下的老化规律,进一步对材料的性能进行分析,预测其使用寿命的一种研究方法。

气候老化试验方法分为两种:

☆    自然曝露试验:样品曝露与真实的大气环境下,获得材料真实环境下的老化行为。

优点:信息最为准确、方法最为有效,测试成本相对较低。

缺点:周期长、气候多变、受环境因素影响较大,重现性不好。

☆    人工气候老化试验:通过室内模拟真实大气环境,或者加强某一特定环境因素,以求在短时间内获得材料老化行为的试验方法。

通常使用的人工气候老化试验箱有:

☆    氙灯气候老化试验箱

优点:光谱分布最接近户外太阳光光谱,与户外自然曝露测试最为接近。

缺点:设备价格、测试和维护成本较高,安装条件和运行环境要求高,重现性,相对紫外要弱一些。

☆    荧光紫外气候老化试验箱

优点:测试周期短、快速,测试和维护成本低,运行环境没有特殊要求,重现性相对较好。

缺点:因为光谱采用太阳光中的紫外光波段,没有占太阳光很大比重的可见光,因此,会造成一些材料的失真,即实验室加速结果与户外实际测试完全相反的结果。

☆    弧灯气候老化试验箱

这种方法是早期的一种测试方法,现在除了日本一些公司在采用外,普遍很少采用了。

户外测试和实验室测试的影响因素会在下文测试条件中描述。

粉末涂料耐候性测试的影响因素

1    底材的影响

粉末涂料底材,主要以钢、、铁等金属件为主,3种材料的热导系数不同,相同的粉,喷涂在不同底材上,固化完全后,测试老化试验的结果会有差异。

我们选取了10种树脂制成的高光、白色粉末涂料,分别以铝、铁、钢作为底材,进行喷涂、固化,制成测试用样板。按照GB/T 1865-2009标准,氙灯1500小时测试结果如下。


1.png

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铝/热导系数   237;铁/热导系数    80;钢/热导系数   15-18(不同合金,成分不同);

铝热导系数大,散热速度快,单位时间内留在涂层表面的热量相对较少。涂层的热解或热致变速度变慢。在试验中表现为失光程度较小,白色涂层的色差(△E)变化不明显。

2    原材料的影响

粉末涂料由树脂、固化剂颜料、填料和部分助剂混合,熔融挤出,在固化前,是这些材料的混合物。固化后涂层的特性取决于这些材料的配比和稳定性。

我们先后研究了在相同配方体系下同型号不同批次树脂、固化剂、颜填料。

选用同一厂家的树脂、固化剂、颜填料经过分批次试验,我们发现,一些规模化生产的大公司产品相对比较稳定,不同批次材料对涂层的耐候性测试影响较小,氙灯1500小时,UVB-313 400小时试验,保光率波动在±2.0%左右。

同类型不同公司树脂、固化剂、颜填料;

选用不同厂家的的树脂、固化剂、颜填料经过分批次试验,同样进行氙灯1氙灯1500小时,UVB-313 400小时试验,保光率差异在10%~40%,这可能是不同厂家在配方设计、生产工艺、质量管控等方面存在着一定的差异。而每种材料的微小差异,在粉末涂料中就会被几何级的放大。

3    粉末配方的影响;

另外,粉末涂料根据实际应用的场景,分类繁多,有高光的、亚光的、砂纹、转印等等。不同配方体系下的粉末,测试结果千差万别。而且应用环境不同,测试的条件也不一样,例如汽车行业上的测试标准就不适用与铝型材等建材上的测试。

因此,在要求某一材料的耐候要求满足一特定等级时,要特别强调粉末涂料的测试配方。这也是很多同型号材料在一些公司耐候要求可以通过,在其他公司测试无法通过的原因。这也是目前粉末涂料行业耐候性测试存在的一个问题。因为目前的国内外,只有方法和要求,没有标准测试配方。

4    自然曝露试验

户外暴晒的影响因素

暴晒的方法:各种安装和曝晒技术都可用于气候户外曝晒试验。但是每一种方法都有自身的特点和局限性。选择方法取决于材料本身或者产品的应用领域。选择合适的曝晒方法,可确保数据的有效性。户外曝晒的主要影响因素:

曝晒场地的季节性变化

下面是国外的户外试验场地

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国内户外试验场地

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每个实验场都有自己的气候特色,适用于相应的实际使用环境或标准中特定的方法。

例如:

佛罗里达——是高强度的太阳光照、全年高温、年降雨量高和高湿度,这些因素的结合形成了恶劣的气候环境,使佛罗里达成为户外耐久性测试的理想地点。

亚利桑那——是一个炎热、干燥、高紫外辐射的气候环境,特别适合于耐候性受到苛刻条件影响的材料,由于亚利桑那州每年总的紫外辐射能量比佛罗里达州高出20%,因此亚利桑那州试验会出现极端的变化,可能会导致材料尺寸的膨胀或收缩变化,特别影响材料的这些性能:涂料的颜色和光泽,耐热老化和物理性能。

曝晒角度的影响

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5    人工加速老化试验

人工加速老化试验是指通过室内试验箱对真实大气环境条件进行模拟或加强某一环境因素以求在短时间内获得材料老化试验的方法。

人工加速老化试验影响因素:

☆    光源的选择:

通常使用的人工加速老化按照实验室采用光源分为:

l  氙灯 

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l  紫外灯

 

       7.png

—UVA-340,UVA-351

—UVB-313,QFS-40

l  碳弧灯

碳弧灯是一种相对来讲的技术,其谱图与太阳光的谱图相差比较大,目前在日本还有部分公司在采用此方法。

☆    标准的引用

1.采用氙灯加速老化试验的粉末涂料相关标准有

—GB/T 1865-2009(等同于ISO 11341-2004);

—Qualicoat15th;

—GSB AL631

2.采用紫外加速老化试验的粉末涂料标准目前只有GSB AL631;

3.其它标准如ASTM G154等适用于非金属材料或有机涂层,粉末涂料目前只是引用。

每一种标准中对辐照强度、温度、循环时间等都有详细的规定。实际测试时,具体采用哪一种标准,根据产品的最终使用领域或者客户的特定要求去设定,例如同样是氙灯测试常用的方法如下:

8.png9.png

通用的辐照强度是0.51,但在汽车相关的标准中,辐照强度是0.35。

相关性问题:

户外实际测试中还伴随腐蚀、风化等因素,这些因素是实验室无法完全可以模拟出来的。因此相关性只是一个相对接近的概念,有条件进行实际测试的情况下,不建议采用相关系数去评估,尽量去进行实际测试,获得真实实验数据。我们也做了大量粉末涂料涂层耐候性相关性的评估试验。粉末涂料由于在颜色、配方等的千变万化,粉末涂料相对其他涂料,成分较多,因此粉末涂料相对其他涂料,在加速测试中的重现性和相关性相对其他涂料来讲不是很好。譬如;同一批次树脂,制成白色高光粉末涂料,从UVB、Xenon 和佛罗里达3者之间得出的相关性,相关系数可以到0.9;但在其他颜色的涂料中,这种相关系数在0.2~0.7之间,有些甚至不存在相关性。

因此严谨的来讲,谈相关性,至少要考虑到使用的材料名称、厂家、配方的组成,测试设备厂家,测试条件等细化因素,脱离这些谈相关性,不切实际。

结论


粉末涂料的耐候性测试结果,受到材料、配方、测试仪器、测试条件等诸多因素的影响。谈及粉末涂层的耐候性测试或要求时,这些影响因素要商定好,统一起来,测试结果的一致性才会较好。


来源:2018中国粉末涂料与涂装行业年会


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