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橙色颜料的耐光性和耐候性的分类及在水性乳胶漆中的研究|Q-SUN氙灯老化测试
发布时间:2022-02-08T15:02:34

Spektrochem的Artur Palas博士在本论文中讨论了评估颜料的方法,在本案例中,橙色颜料在水基建筑涂料中作为外墙和室内使用的涂料。(本文节选部分内容,如需全文,欢迎致电【400-6808-138】咨询获取)

介绍:

无论是干颜料还是颜料浓缩物(着色剂),它们都可以获得彩色涂层,不仅可以装饰我们的室内、围栏和外墙,还可以作为安全标志,例如用于标记交通路线或警告标志的油漆。从操作和经济的角度来看,它们的耐久性极其重要,需要了解它们对天气条件的耐久性,以便用于不同的应用,从暴露在太阳辐射下到在高温下操作。由于作为化合物的颜料易受其性质变化的影响,在建筑涂料中更为明显,因此必须对它们进行适当分类和表征,以便在配方中正确使用。

在文章中,我重点介绍了市场上存在的颜料分类及其对光(耐光性)和天气因素(耐候性)的抵抗力,以及使用各种方法将三种不同的有机橙色颜料暴露在人工(实验室)光源和天气条件的加速作用下的案例研究。这篇文章致力于评估水性建筑涂料中的颜料---橙色颜料,作为外墙涂料,因天气条件而褪色,在室内涂料中因窗户玻璃的光线照射而褪色的方法。本文还以数据的形式举例说明了在模拟实验室条件下对这些因素的抵抗力,涂料工业需要开发室内外使用的耐候性和耐光性稳定的乳胶漆涂料。这些数据通常应包括在指导配方和起点配方中,这将大大加快涂料生产公司的研发工作,最重要的是,决定是否接受给定的原材料进行测试。

图1 用于案例研究的各种辐射源暴露测试的带橙色颜料的乳胶漆

图1. 用于案例研究的各种辐射源曝晒测试的带橙色颜料的乳胶漆

颜料的耐光性试验

颜料的标准分类基于ASTM D4303“艺术家使用的着色剂耐光性的标准测试方法”,该方法描述了四种测定耐光性的曝光方法,这些方法后来被用于技术材料中,以确定给定颜料的耐光性。尽管该标准适用于艺术涂料中使用的着色剂,但它也被颜料制造商广泛用于耐光性的一般分类。该标准一开始就强调,它适用于随时间推移的近似颜色变化,非常重要的是,适用于室内使用的着色剂(隐含也是颜料),它们通过窗户玻璃暴露在日光下。

根据ASTM G113“关于非金属材料自然和人工老化测试相关的标准术语”,耐光性被定义为人工加速照射,是指材料暴露在实验室辐射源下,以模拟窗户玻璃过滤的太阳辐射或来自室内照明源的辐射,并且样品可能会受到相对较小的温度和相对湿度变化,试图更快地产生与材料在室内环境中使用时相同的变化(讨论:这些曝晒通常被称为褪色或耐光性测试)。

ASTM D4303试验方法描述了4种确定艺术家材料颜料耐光性的方法,其中两种是基于自然条件下的曝晒,另外两种在氙灯老化试验箱中进行:

●测试方法A:在佛罗里达州南部透过窗户玻璃的自然日光下曝晒

●测试方法B:在亚利桑那州透过窗户玻璃的自然日光下曝晒

●测试方法C:在模拟日光过滤窗户玻璃的非湿度控制氙灯老化试验箱中进行曝晒

●测试方法D:在湿度控制的氙灯老化试验箱中,模拟透过窗户玻璃的过滤日光下曝晒

所用的方法在进行展览的方式以及进行展览的现场站的位置上有所不同。方法A是在亚热带潮湿气候的佛罗里达州进行曝晒,而方法B则是在亚利桑那州的沙漠中进行曝晒。方法C和D则是在氙灯老化试验箱中进行曝晒,它们之间的区别在于曝晒时可以控制室内的湿度(方法D)。在每种情况下,都是通过来自氙弧灯(方法C和D)或自然太阳辐射的过滤太阳辐射来进行曝晒的。ASTM D4303测试方法还指出,希望将着色剂暴露在荧光下的用户应参考ASTM D4674 "暴露在室内办公环境中的塑料颜色稳定性加速测试的标准做法",这里应提供更多的定义,例如:

窗玻璃的老化(ASTM G113)是一种将试样暴露在由木质金属或其他令人满意的材料构成的玻璃框架中,以保护试样免受雨水和天气的影响。框架的背面或侧面应是开放的,以允许环境空气在样品上循环流通的老化技术。

氙弧灯(ASTM G113)是一种激发态氙等离子体,发射紫外线、可见光和γ辐射,通过让高强度电流通过含有氙气的石英管产生(讨论:对于加速老化,氙弧灯的光谱功率分布通常通过特定类型的过滤器进行修正,以模拟地面太阳辐射或透过窗户或汽车玻璃的太阳辐射)。

玻璃(ASTM D4303) -在这些测试方法中,玻璃指的是单强度窗户玻璃。

ASTM D4303 曝晒方法

对于方法A,在纬度27°以下的佛罗里达州南部,对通过窗户玻璃过滤的自然日光进行曝晒,用这种方法测试铝基材上的油画颜料或丙烯酸分散体艺术涂料。按照ASTM G24的做法,在10月至5月期间,将样品放在玻璃下的一个开放的架子上,与面向南方的水平面成45°角,使玻璃上入射的总的太阳(290至2500nm)辐射剂量为1260MJ/m2。在这个方法中,我们处理的是ASTM G113定义的典型自然老化,即材料在室外暴露于不集中的阳光下,其目的是评估环境因素对各种相关功能和装饰参数的影响。

方法B是基于在亚利桑那州的样品暴露,亚利桑那州是一个干燥的沙漠气候。根据建议,曝光方法B适用于无法抵抗佛罗里达州湿度和温度波动的纸质艺术印刷品样品,如水彩、水粉、彩色铅笔、彩色水油墨和粉彩。曝光是在一个封闭的黑盒子里进行的,盒子里有一个小风扇来循环空气。按照ASTM G24的做法,在10月至5月期间,样品的放置与面向南方的水平面成45°角,使入射在玻璃上的全球太阳(290至2500nm)总辐射剂量为1260MJ/m2

在这种情况下,曝光是在另一个装置中进行的,这个装置就是黑箱,ASTM G113将其定义为外部涂成黑色的平坦的金属箱,不包括底面,底部表面有一个开口,待曝光的扁平试样构成了箱的顶部:箱内装有安装条,可将试样牢固地固定住;箱的顶面必须始终完全填充;顶部表面的任何空白空间必须由黑色的 "假 "板占据以保持正确的操作条件。在方法B的情况下,曝光是在玻璃下进行的,这反过来将ASTM G113定义为玻璃下的黑箱,指任何尺寸的玻璃覆盖的外壳或橱柜。它应由耐腐蚀金属构成,并且是封闭的,以防止环境空气在样品上循环。外部非玻璃表面应涂成黑色。内部应保持不涂漆。这种类型的曝光被定义为加速户外老化,是指根据ASTM G113户外老化测试标准,以太阳为辐照源,通过将一个或多个影响参数增加到自然环境中来加速老化的速度。

根据方法C和D,曝光是在氙弧老化箱中进行的,根据ASTM G155将辐照度检查点设定为0. 35W/m2@340nm,持续照射,直到在340nm处达到510K/(m2. nm)的总辐射量,这相当于1260MJ/m2的总太阳辐射,这是用方法A和B进行的。曝晒期间的温度被设定为63℃黑板温度(无绝缘)。在使用氙弧的测试方法D中,如果仪器允许,可在曝晒期间设置湿度的试验室,相对湿度控制为55%,空气温度为43℃。

图2:使用Q-SUN氙灯试验箱根据ASTM D4303程序C测试的橙色颜料样品

图2. 使用Q-SUN氙灯试验箱根据ASTM D4303程序C测试的橙色颜料样品

颜色变化的评估和颜料的分类

在完成对每种ASTM D4303测试方法的曝晒后,通过CIE 1976 L*a* b*颜色坐标和颜色变化计算(ASTM D2244惯例)来评估和测量涂料。计算出标准的ΔE*ab,并根据ASTM D4306的规定,按照表1所示的类别将结果分类。

CategoryColor change (ΔE*ab)
Lightfastness I4.0 or less
Lightfastness IIMore than 4.0 but not more than 8.0
Lightfastness IIIMore than 8.0 but not more than 16.0
Lightfastness IVMore than 16.0 but not more than 24.0
Lightfastness VMore than 24.0 or have lost all but a trace of colour

表1. 根据ASTM D4303标准的耐光性分类

根据AATCC的耐光性分类

然而,在实践中,颜料耐光牢度的分类比AATCC等级更常见。它是由AATCC(美国纺织化学家和着色师协会)开发的褪色单位标准,ASTM G113将其定义为在各种测试方法规定的条件下进行的特定曝光量,其中一个AATCC褪色单位(AFU)是产生颜色变化所需曝光量的二十分之一(1/20),该颜色变化等于颜色变化灰度标度上的第4级或蓝色羊毛耐光牢度标准L4上的1.7±0.3 CIELAB色差单位或氙气标准织物上的20±1.7  CIELAB色差单位或其组合。灰度被定义为由九对标准灰度碎片组成的标度,每对碎片代表对应于一个牢度等级的颜色或对比度(色调和强度)的差异。染色牢度测试的结果通过目测比较色标所代表的颜色差异来评定。

总结

本文提供的案例研究表明,对于相同的颜料,可以获得完全不同的色调变化结果,这取决于为确定耐光性或耐气候性而进行的曝光类型,以及取决于所制备的配方、着色剂的类型和配方中存在的其他原材料。所获得的结果可能导致完全不同的褪色值、褪色变浅或变暗。这就是为什么分析颜料在特定类型的辐射下的抗褪色性以及针对特定类型的粘合剂选择颜料是如此重要的原因。当使用电阻表解释颜料对光和风化的稳定性时,这一点尤其重要,电阻表通常基于用溶剂或其他粘合剂进行的测试,与水性粘合剂相比,这些测试给出了不同的结果。在不同纬度操作涂料时,不仅要考虑橙色颜料的应用,还要考虑其他颜料的应用。暴露在太阳辐射和天气条件下的情况在波兰不同,在印度南部、印度北部或南美洲也不同。这里特别呼吁为各种应用选择颜料的顾问,要始终依靠案例研究,并指导基于特定粘合剂的特定配方,正如我在这里以水基建筑涂料为例所讨论的那样。

当配制外墙涂料或内墙涂料的配方时,使用基于艺术涂料指南的耐颜料表及其在油性粘合剂中的测试,或者转换从烘箱交联三聚氰胺粘合剂中获得的耐光性和耐候性结果,都不是一个好主意。本文中讨论的示例是确定建筑底漆和着色系统配方的建议,这些非常重要,因为它们决定了经济性和经济性,影响了喷漆频率,从而影响了油漆消耗以及日益重要的生态、碳足迹等。

作者:Artur Palasz, Ph.D. Spektrochem, Formulation and Raw Materials Research, Laboratory for Architectural Paints, Poland

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