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    粉末噴塗鋁型材的實驗室加速耐候老化測試方法研究

    來源:ag8亚游集团有限公司
    發布時間:2018/4/16 9:55:13
    本文介紹了粉末噴塗鋁型材老化測試的國內外發展現狀及測試方法,重點研究了三種 實驗室加速耐候老化測試 UVA 、UVB 和 Q-Sun 與佛羅裏達戶外測試之間的比較。試驗樣品 為 6 種不同的粉末噴塗鋁板,采用 UVA 、UVB、Q-Sun 及在佛羅裏達分別測試了樣品的光 澤及顏色變化。

    摘要:本文介紹了粉末噴塗鋁型材老化測試的國內外發展現狀及測試方法,重點研究了三種實驗室加速耐候老化測試UVA、UVB和Q-Sun與佛羅裏達戶外測試之間的比較。試驗樣品為6種不同的粉末噴塗鋁板,采用UVA、UVB、Q-Sun及在佛羅裏達分別測試了樣品的光澤及顏色變化,並研究了在UVA、UVB或Q-Sun中測試多長時間樣品發生的光澤變化或顏色變化相當於在佛羅裏達戶外曝曬1年的效果。而且,我們還研究了三種加速老化試驗方法與佛羅裏達戶外曝曬結果之間的相關係數。

    關鍵詞:老化 測試 UVA  UVB  Q-Sun 佛羅裏達 鋁型材

    1.引言

    近年來,隨著我國建設步伐的加快,鋁合金建築型材市場有了長足的發展。目前,我國已成為世界上鋁合金建築型材生產第一大國。與其他材料一樣,當鋁合金建築型材處在大氣條件下,受到光照、溫度、潮濕等因素的侵蝕,會產生褪色、粉化、開裂、起浮泡、表麵剝落等老化現象,從而影響到產品的性能和美觀。因此鋁合金建築型材的耐候性是產品開發和質量控製的一個重要指標。

    粉末噴塗鋁型材的老化測試包括戶外大氣測試和實驗室加速測試兩種方法。國內外都長期開展了戶外大氣老化測試。國內在海南、廣州、敦煌等地都有規模不等的戶外曝曬場,國際上通常作為基準曝曬地點有美國的佛羅裏達和亞利桑那,Q-Lab公司在上述地方都建有標準曝曬場。國內有專門的鋁型材行業的大氣老化標準GB5237.4-2004[1],國際上常用的戶外曝曬標準有歐洲Qualicoat第10版[2]、美國建築製造業協會AAMA2603-02[3]、AAMA2604-02[4]、AAMA2605-02[5]、英國BS6496[6]等。盡管戶外曝曬測試有很多優點:實際,便宜,易於操作,然而大部分製造商不願意等上幾年的時間來觀察一種新的改良的產品設計是否確實得到改進,所以有必要進行實驗室加速老化測試。

    在加速老化測試方麵,除少數的日本企業仍沿用碳弧燈外,主流的測試方法有紫外(UV)和氙燈(Q-Sun)兩種,其中紫外又分為UVA和UVB。本文實驗目的就是比較UVA、UVB、Q-Sun三種實驗室加速老化測試方法與佛羅裏達戶外曝曬之間的關係,並通過觀察實驗數據及數學計算,找到三種加速老化試驗方法最接近佛羅裏達戶外曝曬效果的時間,也就是回答人們通常比較關心的一個問題——在UVA、UVB或Q-Sun中測試多長時間樣品發生的光澤變化或顏色變化相當於在佛羅裏達戶外曝曬1年的效果。除此之外,我們還計算三種加速老化試驗方法與佛羅裏達戶外曝曬結果之間的相關係數。

    2. 實驗室加速老化原理及我們采用的三種加速測試方法

    氙燈和紫外這兩種檢測設備的測試原理完全不同,氙燈試驗箱模擬太陽光的所有光譜,包括紫外線(UV),可見光和紅外線(IR)。氙燈光譜在295nm到800nm範圍內基本上與太陽光光譜相吻合。而QUV不能模擬全光譜太陽光。它基於的原理是,對曝曬在戶外的經久耐用的材料,紫外線的短波段300~400 nm是引起老化損害的最主要的原因。氙燈和紫外兩種加速耐候老化測試方法的側重點不同,一般選擇QUV模擬材料的物理性能老化,Q-Sun氙燈模擬顏色老化。

    利用Q-Lab公司的QUV紫外和Q-Sun氙燈兩種測試設備對阿克蘇·諾貝爾粉末塗料(寧波)有限公司提供的6種粉末噴塗鋁板進行了測試。這6種鋁板分別編號為A、B、C、D、E、F。具體地,我們進行三種實驗室加速老化測試,分別是UVA、UVB和Q-Sun,三種測試的具體標準如表1、2、3所示。

    Cycle no.

    程序號

    Exposure period

    循環周期

    Lamp type

    燈管型號

    Irradiance

    光強

    Black standard temperature

    黑板溫度

    ASTM G154-2006 cycle 6

    8h dry

    4h condensation

    UVA 340

    1.55W/m2/nm @340nm

    60±3℃

    50±3℃

    表1 UVA測試程序

    Cycle no.

    程序號

    Exposure period

    循環周期

    Lamp type

    燈管型號

    Irradiance

    光強

    Black standard temperature

    黑板溫度

    ASTM G154-2006 cycle 2

    4h dry

    4h condensation

    UVB 313

    0.71W/m2/nm @310nm

    60±3℃

    50±3℃

    表2 UVB測試程序

    Cycle no.

    程序號

    Exposure period

    循環周期

    Filter

    過濾器

    Irradiance

    光強

    Black standard temperature

    黑板溫度

    ISO 11341 cycle A, method 1

    102min light

    18min light﹠water spray

    Daylight

    日光過濾器

    0.51W/m2/nm @340nm

    63℃

     

    表3 Q-Sun測試程序

    3. 三種加速測試方法的結果與在佛羅裏達測試結果之間的比較

    利用UVA、UVB、Q-Sun和在佛羅裏達均測試了6種粉末噴塗鋁板樣品的光澤、顏色變化及浮泡、粉化、開裂、裂縫等情況。為了得到加速老化測試與佛羅裏達戶外曝曬實驗結果之間的關係,也就是通常人們比較關心的一個問題——在UVA、UVB或Q-Sun中測試多長時間相當於在佛羅裏達戶外曝曬1年的效果,我們不但對比觀察實驗數據,而且做了相關的數學計算,具體過程如下:

    我們假設在三種加速測試方法中測試t小時最接近在佛羅裏達戶外曝曬1年的效果,時間t對應材料的變化與佛羅裏達測試結果之間的差值為δ,然後求二次函數的最小值,最小值所對應的t值就是我們所要求的最佳測試時間。

    求出最佳測試時間,還要求幾種測試方法間的相關係數rs (spearman’s correlation),它指的是利用兩種不同的測試方法對一組樣品進行測試,所得實驗結果之間的相關性。相關係數rs的計算公式為:rs=1-6∑di2/[n(n2-1)],其中n指的是樣品的個數,di指的是兩列排序中每一組數據之間的差值。

    3.1 UVA與佛羅裏達測試結果之間的比較

    光澤變化

    對每個樣品,UVA均作用了1000小時,每200小時取一次數據,分別在200小時、400小時、600小時、800小時和1000小時,而在佛羅裏達是對樣品測試了1年,每3個月取一次數據,分別在第3個月、第6個月、第9個月和第12個月。不管是在佛羅裏達戶外曝曬,還是利用UVA進行實驗室加速老化測試,樣品的光澤均發生退化。利用前麵所述方法,我們對UVA測試和佛羅裏達戶外曝曬結果進行了計算,計算結果表明,二次函數取得最小值時所對應的t值為400小時,這就說明在UVA中測試400小時樣品的光澤變化最接近在佛羅裏達戶外曝曬1年的效果(如圖1所示)。

    圖1 UVA 400小時與佛羅裏達1年樣品保光率之間的比較

    圖1 UVA 400小時與佛羅裏達1年樣品保光率之間的比較

    通過數據分析及數學計算,得出UVA與佛羅裏達之間的相關係數如表4所示。從表中可知,利用UVA測試400小時與在佛羅裏達測試1年之間的光澤退化相關係數為0.90。

    rs (gloss)

    佛羅裏達3個月

    佛羅裏達6個月

    佛羅裏達9個月

    佛羅裏達12個月

    UVA 200小時

    0.01

    0.14

    -0.14

    -0.01

    UVA 400小時

    0.84

    1.00

    0.83

    0.90

    UVA 600小時

    0.90

    0.94

    0.77

    0.81

    UVA 800小時

    0.76

    0.94

    0.77

    0.84

    UVA 1000小時

    0.59

    0.83

    0.66

    0.73

    表4 光澤退化時UVA與佛羅裏達之間的相關係數

    顏色變化

    如同樣品的光澤會發生退化,經過UVA測試或佛羅裏達曝曬,樣品的顏色也會跟著發生變化。但是通過對比觀察實驗數據,我們發現在測試顏色變化時UVA的結果不是很好,△E的值出現了明顯的下降現象(如圖2所示)。

    圖2 測試顏色變化時UVA的結果

      從以上數據分析可知,利用UVA進行測試,樣品發生的光澤退化和顏色變化是不同的,利用UVA測試400小時與在佛羅裏達測試1年之間的光澤退化相關係數為0.90,而UVA測試的顏色變化的結果不是很好。

    3.2 UVB與佛羅裏達測試結果之間的比較

    光澤變化

    對每個樣品,UVB分別在200h、250h、296h、318h、342h和384h對樣品進行了測試,通過對比觀察實驗數據及相關數學計算,得到利用UVB測試350小時最接近在佛羅裏達戶外曝曬1年的效果(如圖3所示)。

    圖3 UVB 350小時與佛羅裏達1年樣品保光率之間的比較

    圖3 UVB 350小時與佛羅裏達1年樣品保光率之間的比較

    UVB與佛羅裏達之間的相關係數如表5所示。從表中可知,利用UVB測試350小時與在佛羅裏達測試1年之間的光澤退化相關係數為0.99。

    rs (gloss)

    佛羅裏達3個月

    佛羅裏達6個月

    佛羅裏達9個月

    佛羅裏達12個月

    UVB 200小時

    0.36

    0.71

    0.77

    0.81

    UVB 250小時

    0.41

    0.77

    0.94

    0.93

    UVB 296小時

    0.64

    0.94

    0.94

    0.99

    UVB 318小時

    0.50

    0.83

    1.00

    0.99

    UVB 342小時

    0.50

    0.83

    1.00

    0.99

    UVB 350小時

    0.50

    0.83

    1.00

    0.99

    UVB 384小時

    0.33

    0.54

    0.83

    0.79

    表5 光澤退化時UVB與佛羅裏達之間的相關係數

    顏色變化

    經過UVB測試樣品的顏色也會發生變化,但有幾個樣品△E的值相比佛羅裏達的小很多,這就說明由於UVB的波長較短而且不能模擬全光譜太陽光,所以出現了光澤變化能與佛羅裏達效果接近但顏色變化達不到佛羅裏達測試結果的現象。

    3.3 Q-Sun與佛羅裏達測試結果之間的比較

    光澤變化

    對每個樣品,Q-Sun分別在174h、412h、600h和792h對樣品進行了測試,通過對比觀察實驗數據及相關數學計算,得到利用Q-Sun測試600小時最接近在佛羅裏達戶外曝曬1年的效果(如圖4所示)。

    Q-Sun 600小時與佛羅裏達1年樣品保光率之間的比較

    圖4Q-Sun 600小時與佛羅裏達1年樣品保光率之間的比較

    Q-Sun與佛羅裏達之間的相關係數如表6所示。從表中可知,利用Q-Sun測試600小時與在佛羅裏達測試1年之間的光澤退化相關係數為0.99。

    rs (gloss)

    佛羅裏達3個月

    佛羅裏達6個月

    佛羅裏達9個月

    佛羅裏達12個月

    Q-Sun 174小時

    0.33

    0.43

    0.31

    0.41

    Q-Sun 412小時

    0.64

    0.94

    0.94

    0.99

    Q-Sun 600小時

    0.64

    0.94

    0.94

    0.99

    Q-Sun 792小時

    0.64

    0.94

    0.94

    0.99

    表6 光澤退化時Q-Sun與佛羅裏達之間的相關係數

    顏色變化

    通過對比觀察實驗數據及相關數學計算,,得知利用Q-Sun測試500小時最接近在佛羅裏達戶外曝曬1年的效果(如圖5所示)

    圖5測試顏色變化時Q-Sun 500h的結果

    圖5測試顏色變化時Q-Sun 500h的結果


    顏色變化時Q-Sun與佛羅裏達之間的相關係數如表7所示。從表中可知,利用Q-Sun測試500小時與在佛羅裏達測試1年之間的顏色變化相關係數為0.79。

    rs (gloss)

    佛羅裏達3個月

    佛羅裏達6個月

    佛羅裏達9個月

    佛羅裏達12個月

    Q-Sun 174小時

    0.26

    0.26

    0.70

    0.70

    Q-Sun 412小時

    0.37

    0.37

    0.79

    0.79

    Q-Sun 500小時

    0.37

    0.37

    0.79

    0.79

    Q-Sun 600小時

    0.37

    0.37

    0.79

    0.79

    Q-Sun 792小時

    0.37

    0.37

    0.70

    0.70

    表7 顏色變化時Q-Sun與佛羅裏達之間的相關係數

    4. 總結與建議

    1.      積極開展粉末噴塗鋁型材的戶外老化測試,這是一項長期的工作,是實驗室加速老化測試的基礎。

    2.      通過對比試驗得知,在光澤退化方麵,利用UVA測試400小時、利用UVB測試350小時、利用Q-Sun測試600小時均接近於在佛羅裏達戶外曝曬1年的效果,而且相關係數也都較高。不過,利用不同方法所得到的函數的最小值和最佳時間對應的保光率的標準方差不同,其中UVB的均最小。因此我們建議利用UVB來測試材料的光澤變化。

    3.      在顏色變化方麵,QUV不如Q-Sun的測試結果好,所以我們建議采用Q-Sun來進行測試。

    4.      需要特別指出的是,文中利用求二次函數的最小值來求最佳時間的方法隻是尋求在加速試驗中測試多長時間最接近在佛羅裏達戶外曝曬的效果,而並不能保證所有樣品都達到在佛羅裏達曝曬的程度。為了確保所有樣品都達到或超過在佛羅裏達測試的結果,建議對最佳時間作一修正,即在所得時間的基礎上再乘以一個係數,這個係數可以是1.1,可以是1.5,也可以是其它的數值,視具體情況具體分析。

    5.      由於測試過程中采用的測量儀器不同就會導致試驗數據之間存在偏差,所以本文數據隻是針對本次試驗而言,僅供參考。  

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