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喷涂铝材表面的人工加速老化试验原理解析

作者:标准集团 添加时间:2016-07-25 16:26

  1.涂料老化机理
  粉末涂料是一种由树脂,颜料,添加剂等组成的粉末状物质,在烘烤条件下与固化剂起化学反应成体型结构,是一种高分 子材料[2]。材料的老化实质是涂料的一种缓慢降解过程,涂料本身内部发生了解聚反应。而在光辐射,温度,水的协同作用下,大大加快了解聚反应的进程。物 质在吸收了光辐射后,发生光化学反应,分子或原子处于一种高能状态,内部出现紊乱,致使分子或原子间键断裂或偏移;水通常作为一种载体,可以携带大量的溶 解氧进入材料内部,发生化学反应[3],破坏材料内部的相互应力,产生疲劳效应;而温度的适度升高,却可以大大提高溶解氧的扩散速率,加快光化学反应速 率。
  
  2.氙弧灯与荧光紫外灯的区别
  世界气象组织(WMO)1981年公布的太阳数值中,大约7%的太阳辐射能量在紫外光谱区(波长<0.4μm),43%的太阳辐射在红外光谱区(波长>0.76μm),50%的太阳辐射能量在可见光谱区(波长0.4μm-0.76μm)。


氙弧灯与荧光紫外灯加速铝材涂层老化的区别

  
  由图可以看出,氙弧灯光谱与太阳光谱极为相似,氙弧灯老化试验也被认为是目前能模拟太阳光辐射的试验,它能产生紫外光,可见光和红外光,也正因为如 此,氙弧灯老化试验[4]方法在国内外被广泛采用,GB/T1865-1997(等同于ISO113411:1994)详细地介绍了这种方法。
  紫外光在太阳光中所占的比例并不高,但它的辐射能力却很强,紫外光具有的能量为314-419KJ/mol,而一般的化学键解离能为167-418KJ /mol,只有较少的一些化学键能高于紫外光的光能,因此,紫外光足以使很多有机分子的单键发生断裂,进而导致材料图层老化降解。科学家们把紫外光分为三 个波段:A波段(UV-A波长315-400纳米),B波段(UV-B280-315纳米),C波段(UV-C波长200-280纳米)。为了模拟太阳光 中的紫外光,人们发明了五种类型的荧光紫外灯,分别为UV-A,UV-B,UV-C,UV-D和UV-E,各种类型的荧光灯大峰值处辐射的波长不同,现 在实验室一般使用的是UVA-340和UVB-313型号灯管。UVA-340灯管在临界短波的365纳米到太阳光的截止点295纳米范围内,能很好的模 拟太阳光360纳米处的光谱,对于不同类型的聚合体测试试验有很好的效果;UVB-313灯管能发出低于太阳光截止点295纳米的短波紫外线,对聚合物, 涂层的破坏力极大,它降解材料的速率远远大于UVA,大大的缩短了试验周期。
  
  3.人工加速老化试验的原理及试验
  
  3.1   人工加速老化试验的原理
  试样暴露在可控的环境条件下,该条件包括光照,温度,湿度等因素,经过规定的试验周期后,对试样进行相关性能的检测,分析试验的性能变化。
  
  3.2试验方法
  3.2.1氙灯老化试验
  GB5237.4.2008中明确规定了氙灯老化试验时间为1000h[6],到试验终点时,对试样进行性能测试。实验条件为循环周期:光照 102min,之后光照+18min喷淋,实验室温度38℃±3℃,黑板温度65℃±3℃,湿度控制为50%,期间每隔250h对试样进行一次性能测试。
  
  3.2.2荧光紫外灯老化试验
  因为UVB-313[7]灯管对涂层破坏力极强,所以试验周期控制为300h到试验终点时,对试样进行性能测试。试验条件为循环周期:光照4h+冷凝4h,期间每隔100h对试样进行一次性能测试。
  
  3.2.3试验结果及分析
  由图一,Q-Sun 1000h色差图可得,经250h试验后,样品的色差变化基本在0—0.3之间;500h后,变化在0.1—0.4之间;750h后,在0.2—0.4之 间;1000h后,在0.2—0.5之间,试验单个样品的色差变化波动不大,但随着试验周期的增长,色差变大。由图二,UVB 300h色差图可得,经100h试验后,样品的色差变化基本在0.2—0.7之间;200h后,在0.3—0.8之间;300h后,在0.4—0.9之 间,同Q-Sun试验一样,UVB试验个样品的色差变化波动不大,也随试验周期的增长,色差变大。但从试验所得数据可以看出,荧光紫外灯老化试验对涂层的 老化周期大大小于氙弧老化试验,紫外线对涂层有很强的破坏能力。


铝材表面涂层人工加速老化试验结果及分析

  油漆涂层老化黄变主要由三方面因素引起,一是构成油漆涂层的成膜物质,二是基材的影响,三是外界环境的影响因素。基本成分包括:材料本身的结构状态、体系内各组分的性质、比例等。塑料材料本身的结构状态及组成配方,极大程度决定了其老化黄变性能的优劣。基材中混有一些回料或者使用的黑色母里面有杂质,特别是含有有机色粉类的杂质,这些杂质极易被油漆中的有机溶剂熔接逸出而使得涂层黄变。外界的环境因素,有物理因素、化学因素和生物因素等,主要是太阳光、氧、臭氧、热、水分、机械应力、高能辐射、工业气体(SO2;NH3;HCL等)、海水、盐雾、霉菌、细菌、昆虫等,其中太阳光、氧、热等是引起油漆涂层老化黄变的重要因素。在实际使用环境中的油漆涂层老化黄变主要的方式为聚合物链的热降解、氧化降解、光氧化降解。
  
  4.结语
  
  本文从涂层化学老化机理,光源的区别,人工加速老化试验原理,阐述了进行人工加速老化试验的重要性,及发展抗老化材料的必要性。
  随着时代的进步,铝合金材料在航空,航运,电子等领域的应用日益广泛,人们对铝合金表面涂层的抗老化性能的要求越来越高,而对于涂层的抗老化性能的检测也越来越受到更多人的关注。氙灯老化试验与荧光紫外灯老化试验,到底哪一个更具代表性,这没有一个很好的定论。氙弧灯模拟的是太阳的全光谱,而荧光紫外灯模拟的是太阳光的破坏效果。对于全年紫外线照射强烈的地区来说,笔者认为荧光紫外灯老化试验的方法必不可少。通过对涂层老化过程的研究及跟踪,采取适当的防老化措施,提高涂层的抗老化性能,延缓老化的速率,延长材料的使用寿命,满足客户的要求,是企业始终追逐的目标之一。


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