油漆涂层耐候性老化分析

1概述

户外长期日光暴晒、高温和潮湿是造成涂层龟裂、失光、褪色、黄变、粉化的主要原因，涂层的耐候性优劣与涂料组分的光谱敏感性有关。涂料主树脂主要由环氧树脂、氨基树脂、聚酯树脂等组成，含有碳氧双键，碳碳单键等官能团。不同官能团因为键能不同，因而对光的敏感性不同，产生耐候性差异。对于户外涂料，紫外线是造成涂料老化的主要原因。紫外加速老化试验可模拟太阳光中的紫外部分对涂层的破坏作用，用数天或数周的时间重现户外数月乃至数年出现的危害。可帮助选择新材料以及评价材料配方对耐久性的影响，达到验证涂料性能的目的，必要的QUV加速老化测试保证了涂层长期的耐侯性以免出现使用中因耐侯性而造成的损失。

2 油漆涂层老化因素分析

光照、高温和潮湿，这三个因素中的任何一个都会引起汽车油漆涂层的老化损害，但它们往往同时发生作用，所造成的危害将大于其中任一因素的单独作用。

2.1 日光暴晒

涂层发生降解的程度和类型，取决于树脂的光谱敏感性。不同波长的光的破坏作用不同。每种树脂的光谱敏感性都不同，光谱敏感性决定一种树脂是对短波长敏感还是对长波长敏感或者对两者都敏感。每种化学键，都对应一个阈值波长，这种波长有足够的能量使化学键发生反应。比阈值波长短的波长可以破坏化学键，而比之长的波长无论光强多大都不能破坏化学键。

汽车涂料用树脂主要由聚酯树脂、氨基树脂、醇酸树脂以及丙烯酸树脂中一种或几种组成(含C-C 、C-H 、O-H、 C-O等官能团)，所含官能团对应阈值波长范围231～376nm(常见涂料用树脂的敏感波长见表1)。此波长对应太阳光中的短波紫外线波段。

2.2 高温

高温也是造成汽车油漆涂层破坏的重要因素。当温度升高时，光的破坏作用也将随之增大。尽管温度不影响主要的光致反应，但却影响次要的化学反应。实验室老化测试必须提供精确的温度控制，通常可通过升温的方法来加速老化过程。

2.3 潮湿

露水、雨水及高湿度是引起汽车油漆涂层潮湿危害的主要原因。统计显示，放在室外的汽车每天都将长时间处于潮湿状态。由潮气形成的露水是室外潮湿的主要因素，露水对汽车油漆涂层造成的危害比雨水更大，因为它附着在油漆涂层上的时间更长，引起更为严重的潮湿吸收。

3 紫外加速老化试验

3.1 试验条件

本试验采用美国Q-Lab公司生产的QUV老化试验机。QUV老化试验机可实现以下模拟功能。

阳光模拟

QUV可实现用荧光紫外线灯模拟太阳光来对油漆涂层造成损害。UVA-340灯管对太阳光的紫外短波段模拟效果好，其光谱能量分布在太阳光的截止点到大约360nm范围内与太阳光谱吻合得非常好(如图1所示)。

辐照度控制

QUV老化机备有日光眼光强控制器，利用日光眼的反馈循环系统，可以连续、自动地控制且精确地保持辐照度，日光眼靠调整灯的功率来自动补偿因灯管老化和其他因素造成的光强变化。在仅仅几天或几周内，能模拟在室外几个月甚至几年所造成的损害。

UNA-340光谱与太阳光谱比较  

潮湿模拟

潮湿模拟测试室底部的水被用来加热产生蒸汽，热蒸汽使测试室内保持100%的相对湿度。在QUV中，测试样品实际上形成测试室的侧壁，样品的另一面暴露在室内周围的空气中。室内相对较冷的空气使得测试样品的表面比测试室内热蒸汽的温度低好几度，温度差产生冷凝循环现象，在样品表面液态形式的水慢慢地凝结(如图2所示)。另外，冷凝过程是在一较高温度(一般为50℃)下进行的，这大大加速了潮湿侵蚀。用QUV的长时间的热凝结循环过程来模拟户外的潮湿侵蚀比其他一些方法，如溅水、浸水或高湿度都更有效。

热凝结循环过程来模拟户外的潮湿侵蚀比其他一些方法，如溅水、浸水或高湿度都更有效。

3.2 试验涂料

用于耐候性验证的涂料信息见表2。

3.3 试验过程

QUV老化试验参数控制见表3，试验参照标准ASTM G154-06 非金属材料紫外荧光曝露试验方法。

表3 参数控制

3.4 试验结果

⑴ 光泽变化

试验前后的光泽变化见图3，A公司的光泽变化率见图4，B公司的光泽变化率见图5。

从图3中光泽曲线变化可以看出，一般情况下，金属漆光泽比单色漆光泽稍高，浅色漆比深色漆光泽稍高。同时可以看出试验前后A公司漆膜初始光泽及试验后光泽比B公司稍高。另外B公司单色白面漆光泽下降比较显著。

 图4 A公司失光率

从图4可以看出A公司试验前后光泽变化在2.4%-9.9%之间，其中单色黑失光率为9.9%，失光比较严重。单色黑与单色白相比失光较大，主要是由于黑色漆对光的反射能力较差，易吸光，而白色对光的反射较好，可以反射一部分光，减少光泽损失。对于黑色系公爵黑相比较于单色黑失光率较小，主要由于金属漆中含有金属铝粉，金属铝粉可反射部分光，减少光谱能量对漆膜的破坏作用。

从图5可以看出B公司试验前后光泽变化在1.8%-26.3%之间，光泽变化比较大。另外单色白面漆光泽变化率为26.3%，明显失光。从B公司光泽变化率曲线可以看出B公司的涂料产品体系不是很稳定。

 图6 Δa值变化

⑵ 颜色变化

树脂和颜料的变化均可以影响到汽车油漆涂层颜色的变化，如褪色、变黄、色相变化等。试验前后Δa值变化见图6、Δb值变化见图7、ΔL值变化见图6、ΔE值变化见图9。

图7为Δb值变化，颜色变化趋势为蓝相发展，同时可以看出B公司单色白面漆绿相变化比较大。

 图8 ΔL值变化

图8是ΔL值变化，可以看出A公司ΔL值变化比较平稳，而B公司ΔL值变化不是很稳定，可以初步判断B公司涂料体系不是很稳定，各颜色之间波动比较大。

图9是ΔE值变化，ΔE可以综合反应试验前后的颜色变化，从图9可以看出ΔE值变化趋势基本一致，ΔE值变化区间从0.9到2.7，B公司星辰白颜色变化最大，A公司单色白颜色变化最小。

从图6可以看出，A、B两公司Δa值变化趋势基本相同，颜色变化往绿相发展。⑶ 附着力变化

附着力变化如图10所示，除婚纱白面漆附着力变化较大以外，其它颜色的附着力变化基本一致。

4 结论

综合比较试验前后A、B两公司油漆涂层光泽变化、颜色变化以及附着力变化，可知，A公司油漆涂层耐候性优于B公司，B公司涂料体系不是很稳定，各颜色之间指标波动比较大。

紫外加速老化试验，条件可控，可以缩短新颜色涂料的开发和选择周期，预知有问题的涂料，减少汽车制造商的损失。然而紫外加速老化试验取得的试验数据是相对的，只能判定同类材料之间耐候性的优劣。

相关测试仪器

紫外线老化机

QUV符合的测试方法和材料标准

通用标准

ISO 4892-1 塑料-实验室光源暴露方法-第1部分：概述

ASTM G-151 非金属材料暴露于使用实验室光源的

加速测试设备中的测试方法标准

ASTM G-154 非金属材料暴露于荧光设备的紫外线中的测试方法标准

英国标准BS 2782:第 5 部分 540B方法(实验室光源的暴露方法)

SAE J2020 用荧光紫外/冷凝设备对汽车外饰件进行加速暴露测试

JIS D 0205 汽车配件的老化测试方法(日本)

涂料标准

韩国标准 M 5982-1990 加速老化测试方法

西班牙标准 UNE 104-281-88 用荧光紫外灯对油漆和粘合剂进行加速测试

以色利标准 NO.330 钢窗

以色利标准 NO.385 塑料窗

以色利标准 NO.935 路标油漆

以色利标准 NO.1086 铝窗

NISSAN M0007 荧光紫外/冷凝试验

JIS K 5600-7-8 油漆的测试方法

ASTM D-3794 卷材涂料测试标准

ASTM D-4587 油漆的光照/凝露环境暴露的标准实施规范

ISO 11507 色漆和清漆-涂层暴露于人工老化环境-暴露在荧光紫外线和凝露环境中

ISO 20340 色漆和清漆-用于近海建筑及相关结构的防护涂料系统的性能要求

美国政府标准 FED-STD-141B

美国联邦政府规范 TT-E-489H 磁漆，醇酸树酯，高光泽，低VOC

美国联邦政府规范 TT-E-527D 磁漆，醇酸树酯，无光泽，低VOC

美国联邦政府规范 TT-E-529G 磁漆，醇酸树酯，半光泽，低VOC

美国联邦政府规范 TT-P-19D 油漆，乳胶，丙烯酸乳液，木材和建筑外立面

NACE标准TM-01-84 大气表面涂层的筛选方法

GM4367M 面漆层材料-外饰

GM9125P 汽车材料的实验室加速暴露

MS 133：F16部分 色漆和清漆的测试方法：F16 部分：涂料暴露于人工老化环境-

暴露于荧光紫外线和凝露环境(ISO 11507)

prEN 927-6 色漆和清漆-户外木器涂层材料和涂层体系-第 6 部分：.

木器涂层的荧光紫外线/凝露环境的人工老化测试。

NBR-15.380 建筑涂料-非工业建筑

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