粉末涂料自然老化與加速化的對比探討

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   【摘要】人工加速老化試驗是一種對涂膜耐候性能差異的快速評估方法，它是通過在實驗室模擬戶外自然條件來短時間獲得涂抹破壞情況的手段。在自然界中，對涂膜產(chǎn)生破壞性的主要源于長時間的氧氣活動和紫外線照射，而在實驗室中無論我們?nèi)绾芜x擇儀器的光源發(fā)生器，但所獲得的光能、紫外線波長和大氣環(huán)境都過于單一，故此我們選擇某一地區(qū)的自然暴曬實驗對比來進(jìn)一步探討這兩者之間的聯(lián)系和差異。

    0 前言

    粉末涂料（泛指熱固性粉末涂料，下同）是在上世紀(jì)七十年代在我國開始進(jìn)行研發(fā)，之后的八十年期間由于受到技術(shù)、原材料、生產(chǎn)設(shè)備以及涂裝等方面的影響呢，發(fā)展較為緩慢，生產(chǎn)效率低。隨著工業(yè)的迅速發(fā)展，直到2012年，我國粉末涂料已經(jīng)占全世界粉末涂料產(chǎn)量的50%。在這30年的歷程中，粉末涂料無論從產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和產(chǎn)量來看，都有極大的跨越。耐候性測試是粉末涂料監(jiān)測的重要指標(biāo)之一，是一個預(yù)測和評估的過程，由于檢測標(biāo)準(zhǔn)的完善性和檢測結(jié)果的準(zhǔn)確性，很難對其進(jìn)行準(zhǔn)確的描述和測量。為此，我們通過選擇武漢地區(qū)自然暴曬的數(shù)據(jù)變化來對比涂抹在實驗室模擬耐候測試的比較，全面形象的向粉末涂料生產(chǎn)企業(yè)來描述這一評估過程和結(jié)論，保障客戶生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)粉末涂料起到重要作用。

    1 粉末涂料耐候性能影響的因素

    1.1粉末涂料配方體系和樹脂的選擇

    粉末涂料的分類方法有很多，市場上常見的品種有純聚酯型、純環(huán)氧型，純環(huán)氧聚酯型，這三類粉末涂料產(chǎn)量占整個行業(yè)的90%.一般戶內(nèi)粉末涂料不具備耐候性能，受官能團(tuán)分子結(jié)構(gòu)和涂膜致密性影響，無法抵御自然界中強烈的太陽光輻射，這類粉末涂料僅對涂膜起到裝飾美觀作用，股習(xí)慣稱為“戶內(nèi)粉”；在眾多實踐應(yīng)用中，純聚酯型和聚氨酯型粉末涂料在耐候老化中表現(xiàn)出優(yōu)異的性能，這類粉末涂料往往被運用在露天場所，尤其是環(huán)境較為惡劣的環(huán)境中，被習(xí)慣稱為“戶外粉”。純環(huán)氧型粉末涂料產(chǎn)量在三者之間最為少，最主要缺陷是固化時間長反應(yīng)速度慢，受環(huán)氧樹脂苯環(huán)中醚鍵影響，它在重防腐和耐化學(xué)服飾領(lǐng)域中起著重要作用。粉末涂料之所以表現(xiàn)出不同的性能，樹脂中官能團(tuán)數(shù)量、個數(shù)、品種及分子量起著至關(guān)重要的作用。

    1.2粉末涂料施工工藝

    粉末涂料主要由樹脂、固化劑、助劑、顏填料組成，經(jīng)過熔融擠出、壓片、破碎、篩分等工藝制得，客戶經(jīng)過對工件進(jìn)行前處理、噴涂、烘烤成膜來保護(hù)裝飾底材。不同類型的粉末涂料烘烤器時間和溫度不應(yīng)，這取決于固化劑的活化能限制。粉末涂料要形成致密膜后才能對底材起到保護(hù)作用，當(dāng)固化溫度和時間未達(dá)到或者粉末涂料吸收的能超過其耐熱度時該涂料同樣能涂覆底材表面起到裝飾作用，但這類涂膜不具備耐候性。

    1.3粉末涂料顏料的選擇

    粉末涂料耐候性檢測能通常以色差和保護(hù)率來衡量，涂膜保光率完全取決于粉末涂料用樹脂，而色差則與粉末涂料配方中顏料和數(shù)值有關(guān)。應(yīng)用在粉末涂料中的顏料首先要符合粉末涂料烘烤工藝要求，其次是顏料本身的耐光性，再者就是顏料本身性能也需要滿足粉末涂料應(yīng)用領(lǐng)域的要求。圖1為不同顏料涂膜在湖北來斯實驗室老化試驗標(biāo)準(zhǔn)中色差變化。

    2 粉末涂料涂膜耐候性能的評定

    涂膜耐候性的評定，可以按照國家標(biāo)準(zhǔn)《色清和漆清涂層涂層老化的評級方法》（GB/T1766-2008）中方法進(jìn)行。該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了涂層老化的評級通則、老化單項指標(biāo)的評級方法及裝飾涂層和保護(hù)性涂層的綜合評級方法。簡述常用的幾個單項等級的評定。

    2.1失光等級的評定

    目測漆膜老化前后的光澤變化程度及按GB/T9754測定老化前后的光澤，計算失光率（%）：

    2.2變色等級的評定

    2.2.1儀器測定法：按照GB/T11186.3測定和計算老化前與老化后的樣板之間的總色差值（E’），按色差值評級如表1。

    2.2.2目視比色法：當(dāng)漆膜表面凹凸不平及漆膜表面顏色為兩種活多種顏色等不適用于儀器法測定時，宜采用目視比色法。按照GB/T9761的規(guī)定將老化后的樣板與為進(jìn)行老化的樣板（標(biāo)準(zhǔn)版）進(jìn)行比色，按漆膜老化前后顏色變化程度參照GB250用灰色樣卡進(jìn)行評級。

    2.3粉化等級的評定

    天鵝絨布粉化的評定按ISO4627-7進(jìn)行，膠帶法粉化等級按ISO4628-6進(jìn)行

    2.4開裂等級的評定

    漆膜的開裂等級用漆膜的開裂數(shù)量和大下來表示，如有可能，這可能表明開裂的深度類型。開裂深度主要有三種類型：表示沒有穿透漆膜的表面開裂；表示穿透表面漆膜，但對地下各層漆膜基本上沒有影響的開裂；表示穿透整個漆膜體系的開裂，可見底材。

    2.5氣泡、生銹、剝落、長霉、斑點、玷污等級的評定

    漆膜起泡等級用漆膜起泡密度和起泡的大小表示，表示方法為起泡密度不和起泡大小等級；漆膜生銹等級用漆膜表面的銹點（銹斑）數(shù)量和銹點大小表示，表示方法為銹點數(shù)量和銹點大小的等級；漆膜剝落的等級用漆膜剝落的相對面積和剝落暴露面積的平均大小表示，可根據(jù)漆膜體系破壞的層次，表示剝落的深度。漆膜的長霉等級用涂層的長霉數(shù)量和長霉大小表示；涂層斑點的等級用斑點的數(shù)量和斑點的大小表示；玷污的等級用涂層的玷污成度表示。

 3 武漢地區(qū)的自然暴曬實驗

    武漢，地處中國腹地中心，江漢平原東部，長江中下游，東經(jīng)113°41’-115°05’，北緯29°58’-31°22’,屬于亞熱帶季風(fēng)性濕熱氣候，具有雨量充沛、日照充足、四季分明，夏季高溫、降水集中，為3.0℃;7月平均氣溫追高，為29.3℃，夏季長達(dá)135天；春秋兩季各約60天。

    以武漢地區(qū)為實驗場所，整個實驗架方向朝正南，傾斜地方45度角，按國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T9276-1996《涂層自然氣候暴露試驗方法》中的方法進(jìn)行戶外暴曬800天。

    市場上戶外粉末涂料主要以純聚酯/TGIG體系比較常見，但使用的顏料選擇就比較廣泛。對此我們選用一種體系來研究不同顏料涂膜的色差變化，通過對暴曬后涂膜色差值變化的數(shù)據(jù)收集，繪制變化曲線如圖4所示。從圖中看出，經(jīng)過800天的暴曬涂膜顏色都有輕微變色，尤其淡色變色要明顯大于濃色。

    4 實驗室耐候性測試（人工加速老化實驗）

    在自然界中對涂膜產(chǎn)生破壞性的主要源于長時間的氧氣活動和紫外光照射，人工加速老化實驗就是通過在實驗室模擬戶外自然條件來短時間獲得涂抹破壞情況的手段，它是一種對涂膜耐候性能差異的快速評估方法，該實驗主要有人工加速老化儀來完成。

    我們采用的是美國Q-Lab公司的QUV/spray紫外加速老化試驗機，它可模擬自然氣候中的紫外光照、雨淋、冷凝、黑暗、熱沖擊等環(huán)境條件，通過重現(xiàn)這些條件，合并成一個循環(huán)，并可以自動執(zhí)行完成循環(huán)次數(shù)。在此過程中，可對燈管輻照度、試驗箱內(nèi)溫度、噴淋狀態(tài)進(jìn)行自動監(jiān)控。比起其他類型的燈管（包括氙弧燈管），熒光紫外燈管更加穩(wěn)定。光譜功率分布（SPD）不會隨燈管老化而發(fā)生變化，甚至使用高達(dá)5000小時也不會。這樣就能得到更多的可重復(fù)的測試結(jié)果，同時減少更換燈管，并降低運營成本。

 而目前國內(nèi)粉末涂料耐候性檢測方法主要借鑒涂料中的標(biāo)準(zhǔn)GB/T1856-2009/ISO11341：2004，所以我們結(jié)合實際情況，在此標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)上建立自己的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)運行參數(shù)。

    在實際測試過程中，依然存在各種問題。經(jīng)過大量數(shù)據(jù)實驗發(fā)現(xiàn)，樣板在儀器中擺放的位置不同，受到光照的程度也略微有差別，同時紋理類花紋類雜色類粉末涂料測試的耐候性能存在爭議。針對這些問題的處理，我們只針對平整單一顏色涂膜來測試耐候性，在測試過程中定時更換樣板所在位置來減少實驗誤差。圖5為實驗測試的數(shù)據(jù)繪制的曲線圖。

    5 兩種測試數(shù)據(jù)比對與結(jié)論

    經(jīng)過大量的實驗數(shù)據(jù)分析，結(jié)合圖1、圖4、圖5變化曲線來看，在戶外純聚酯/TGIC體系中單一色調(diào)平光涂膜中，依照湖北來斯企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)測定耐候性和武漢地區(qū)測試的耐候性能對應(yīng)的關(guān)系為：

    QVB-313燈管光源照射300h，相當(dāng)于武漢地區(qū)自然暴曬11個月；

    QVB-313燈管光源照射400h，相當(dāng)于武漢地區(qū)自然暴曬18個月；

    QVB-313燈管光源照射500h，相當(dāng)于武漢地區(qū)自然暴曬24個月。