防腐涂層耐候性人工老化試驗

　　防腐涂層人工老化試驗是耐候性試驗的重要組成部分之一。耐候性試驗是指防腐涂層(也包括各種材料，尤其是以聚合物為基礎的各種人工合成材料，這里以防腐涂層代表)抵抗陽光、潮濕、雨、露風、霜等霜等氣候條件的破壞作用而保持原性能的能力。

　　為了模擬自然界中各種氣候因素以便在實驗室內創造出所謂人工氣候，并能達到加速試驗的目的，一般采用人工氣候老化試驗機進行試驗。

　　根據所采用的光源，人工氣候老化試驗機可分為紫外碳弧型、陽光碳弧型、紫外熒光燈型、氙弧燈型及金屬鹵素燈型等。本文重點講述氙燈型人工氣候老化試驗設備和紫外熒光燈型人工氣候老化試驗設備。

　　一、氙燈型人工氣候老化試驗設備

　　氙燈型人工氣候老化試驗箱應由耐腐蝕材料制成，其內裝置包括有濾光系統的輻射源、溫濕度調節系統、樣板架、黑標準溫度計、輻照度測定儀等。不僅能更為有效地模擬戶外氣候的多種特性，如：模擬太陽的光譜分布、適應各類標準選擇的濾光器組合、恒定的黑標準溫度、箱體溫度、濕度、降雨、黑暗、凝露、一個太陽/二個太陽的輻射量等。而且自動化程度也大大提高，可內存多種國際、歐洲、美國、日本等工業產品(涂料、汽車部件、塑料、紡織品等)耐人工氣候老化試驗標準，還可自行設定多種用戶試驗程序，儀器執行標準的準確性及試驗數據的重復性也不斷提高。氙燈型人工氣候老化試驗設備能較接近的模擬太陽光的光譜，所以盡管運行費用很高，大多數用戶還是需要用氙燈型人工氣候老化試驗機做出的試驗結果來預測未來產品的耐候性能力。特別是對材料顏色耐候性能力的判斷，一定要用氙燈型人工氣候老化試驗機來做。

　　1.氙燈型老化機的結構

　　氙弧燈是特大功率的發光光源，從1000瓦特到5000瓦特。大量的紅外線發射將導致試樣溫度很快上升。燈管本身溫度也很高。所以從燈管冷卻的方式，氙燈型老化機可分為水冷式和風冷式，為充分利用燈管的輻射資源，一般會將試樣放在燈管的周圍圍一圈。并做成可旋轉的結構。稱為旋轉鼓式。而將樣品放在平面上，燈管布置在試驗箱體上部的結構稱之為平面排列式，水冷式氙燈型老化機可以讓燈管工作在很高的功率下，有較高的效率，但水冷卻系統需水、電、光路隔離，結構復雜，對冷卻用去離子水的要求也很高，導致水冷式氙燈老化機售價很高。風冷式氙燈型老化機相反，結構簡單了，但光效率較低，售價也相對低一些。目前新的國際標準對老化機的結構已無要求。

　　2.氙燈輻照光譜的過濾

　　由于氙燈光譜有大量的脈沖波峰，所以要經過過濾后才可獲得接近日光的光譜。氙燈型老化機常見的濾光片組合及適用范圍見表2：

　　表2常見的濾光片組合及適用范圍

　　如表2所示，通過不同濾光片的組合可以得到多種戶內外條件模擬試驗，不同的組合會產生不同的光譜及輻射強度，可引起試驗結果的明顯不同。濾光器的老化可導致氙弧燈的紫外發射明顯減少，必須嚴格按照儀器的規定定期更換內外濾光片。另外，濾光器上的沉積物及其他殘留物也能影響濾光器的透過率，因此應定期清洗濾光器。

　　3.輻照強度和控制點

　　輻照度是指照射在平面上光能的比率。一臺耐候性試驗箱必須控制光的輻照強度，以達到加速實驗和重現試驗結果的目的。光輻照度的變化會影響材料質量惡化的速度，而光波波長的變化(例如光譜的能量分布)則同時會對材料退化的速度和類型產生影晌。通過控制光的輻照強度可以保持與實際相符的測試條件。

　　氙燈型老化機一般都有輻照強度的反饋控制系統，控制量大多以340nm(戶外輻射暴露)或420nm(透過窗玻璃暴露)為控制點，當輻照強度穩定控制在0.68W/m2/nm時，試驗機的輻照強度大致相當于夏季正午太陽直射時的強度。增加輻照強度有時可以加速老化速度，但是對有的材料效果卻不一定明顯，提高老化速度有時會與真實情況不符。需要參照自然氣候曝露對比試驗，才能得到正確的結果。

　　4.溫度和濕度控制

　　光能輻射到試板提高了試板的溫度。不同的顏色因吸收的能量不同，溫升也不一樣，顏色越深溫度越高，黑色較高，白色較低。通常，老化試驗機使用標準黑體溫度統一受照射物表面溫度，也稱黑板溫度。黑板溫度傳感器是內部裝有溫度敏感元件的導熱板，其表面涂有能吸收波長2500nm以內全部入射的輻射光的93%、有良好耐老化性能的平整黑色涂料、背面與試板放在同一導熱面上。儀器通過控制吹過試樣表面的外部冷空氣調節黑板溫度傳感器的溫度，使之穩定在60℃左右。由于背面底板的導熱和均熱作用，其他試樣也將會處于接近該溫度的狀態。特殊應用情況下，也有以絕緣黑體溫度(傳感器四周與底部有隔熱材料)、白板溫度作為試驗試樣的溫度控制目標。而箱體氣體溫度作為間接的溫度環境儀器也會設置控制系統作為下級控制對象。

　　通常溫度升高10攝氏度，化學反應速度會提高兩倍。但光化學反應不是通常的簡單的一步反應，較初的光化學反應不受熱量影響，而第二步反應要受熱量影響。增加溫度一般可以加速老化速度，但是對有的材料效果卻不一定明顯，所以，通過提高溫度加速老化速度，有時也會與真實情況不符。所以既要提高老化速度，又要減少誤差，黑板溫度通常不能超過實際使用的較高溫度。

　　濕度對涂層的老化影響很大，但高溫的氙燈輻射使濕度控制較難實現，一般都有蒸發水蒸氣的裝置調節箱體內部的濕度。使之相對濕度大致維持在50%+/-5%左右。

　　5.循環

　　或許有人認為連續的光照可以加快老化速度，縮短老化時間。但實際上，很多材料在發生化學反應之前，它們需要一定的“間歇期"。儀器都有循環程序來控制試驗遵循如幾小時光照，幾小時無光照的周期循環來進行。程序還有噴水或浸漬的步驟設計。這樣的老化既接近真實情況又速度較快。

　　二、紫外熒光燈型人工氣候老化試驗設備

　　紫外熒光燈型人工氣候老化也由耐腐蝕材料制成，其內裝置包括有UV光管組成的輻射源、溫度調節系統、模擬濕氣的加熱蓄水盤，樣板架、黑標準溫度計、輻照度測定儀等。

　　盡管紫外光(UV)只占陽光的6%，但是它卻是造成戶外產品耐用性下降的主要光照因素。這是因為陽光的光化學反應影響隨著波長的減少而增加。因此在模擬陽光對材料物理性質的破壞影響時，不需要再現整個陽光光譜。在大多數情況下，只需要模擬短波的UV光即可。

　　1.UV能量的波長范圍

　　紫外耐候老化機采用熒光UV燈。其原因在于它們比其他的燈管更為穩定，并且有更好的試驗結果再現性。采用熒光UV燈模擬陽光對材料物理性質的影響，例如亮度下降、龜裂、剝落等方面應是較好的方法。現有幾種不同的UV燈可供選擇。這些UV燈主要產生紫外光，而不是可見光或紅外光。燈的主要差別體現在它們各自產生的UV總能量集中在不同的光譜波長范圍上。不同的燈會產生不同的測試結果。實際的曝曬應用環境可以提示應選用那種類型的UV燈。

　　UVA-340可模擬陽光光譜的臨界短波波長范圍，UVA-340的名稱表示發射峰的波長特性(以nm表示)即發射峰的波長為340nm。波長范圍為A波段，即295至360nm的光譜。UVA-340只產生在陽光中能找到的UV波長的光譜。

　　UVB-313，用于較大程度的加速試驗。UVB-313可以很快地提供實驗結果。它們所采用的短波長UV比目前地球表面上通常找到的UV光波更為強烈。盡管這些比自然波長短許多的UV光能夠較大程度地加速試驗，但它同時也會對某些材料造成不符和實際的退化破壞。UVB-313的曝曬程式在QC和R&D的應用和對耐用性材料進行試驗時，是極其有用的。

　　2.控制輻照強度

　　與氙弧燈裝置一樣，紫外熒光燈型人工氣候老化試驗設備一般都有輻照強度的反饋控制系統，以期達到加速實驗和重現試驗結果的目的。光輻照度的變化會影響材料質量惡化的速度。通常，使用峰值波長為340nm的UVA-340燈管。控制輻照強度為0.68w/m2/nm，就可與夏季正午直射的陽光強度相匹配。它可以快速提供結果，而絲毫不影響其相關性。如需加速獲取數據，可以使之光照強度比夏季正午的陽光強度高75%。

　　3.模擬露水的影響

　　在戶外的材料與濕氣接觸的時間，每天可以長達12小時。研究結果表明造成這種戶外潮濕的主要原因是露水，而不是雨水。模擬露水是通過冷凝原理來實現。在試驗機箱的底部有一蓄水箱，在冷凝循環階段，對其進行加熱來產生水汽。熱蒸汽使試驗箱內的相對濕度維持在l00%，并且保持一個相對高溫。設計確保測試試件實際上構成試驗箱的側壁，從而使試件的背面則曝露在室內環境空氣中。室內空氣的冷卻效用導致試件表面溫度下降到低于蒸汽溫度幾度的水平。這一溫差導致試件在整個冷凝循環過程中，其表面始終有冷凝生成的液態水。這種冷凝產物是很穩定的純凈蒸餾水。這種純凈水提高了試驗的再現率，而同時避免了水漬問題：由于戶外曝曬接觸潮濕的時間每天可以長達12小時，因此潮濕周期一般持續幾小時。標準推薦的冷凝周期一般至少持續4小時。

　　4.模擬雨水影響

　　對于某些應用過程而言，增加水噴淋能更好的模擬較終使用的環境條件。屋面、汽車材料和在金屬建筑或結構上使用的防腐涂料經常會遭遇到突然的溫度劇變。例如在炎熱的夏季中，當熱量堆積表面溫度很高后突然由于暴雨而消散。由于經常遭到來自雨水的沖刷，鋼結構的涂料層，包括油漆和著色劑，會出現相應的侵蝕現象。近期研究結果表明，這種雨水沖刷動作可以將材料表面有防降解作用的涂料粉化層沖刷掉，從而將涂料本身直接曝曬在UV和水份的破壞性影響之下。這一過程可以重復多次，從而導致一種材料退化現象加劇。而單靠冷凝方式是無法再現的。增加水噴淋以再現此類環境條件，可以增強某些涂料氣候老化試驗的相關性。

　　5.溫度控制

　　一級的光化學反應對溫度變化并不敏感。然而，隨之而來的二級反應的速度則和溫度變化緊密相關。一般來說，隨著溫度升高，反應速度會加快。因此，在UV曝曬實驗過程中，溫度控制就顯得很重要。而且要控制加速試驗所采用的試驗溫度與材料在實際應用中遭遇的較高溫度相當。同樣，紫外光老化試驗機也使用標準黑體溫度統一受照射物表面溫度，由于儀器僅有紫外部分光譜，試板的溫度一般要靠箱體溫度提供。UV階段的溫度設置可以從50C到80℃，具體取決于光照度水平和室內環境氣溫。