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    汽車麵漆的加速酸蝕研究

    來源:ag8亚游集团有限公司
    發布時間:2018/4/16 17:38:18
    為建立新的汽車酸蝕試驗方法開展了一係列的研究工作,測試了酸雨的組成和 4C 值,統計了降雨頻率和持續 時間、空氣和樣品溫度等大量的環境參數,確認 4C 值、溫度、濕度、紫外光譜、樣品的輻照量以及樣品的放置角度等 關鍵測試參數。通過對這些環境參數的記錄分析,研製出一種仿酸雨溶液和一個加速測試程序

    自 20世紀 80 年代起,人們開始關注酸雨對汽車塗層的破壞程度。銷售商和用戶都在抱怨酸雨和高溫地區的酸雨侵蝕所形成的“環形”或類似“水漬”形的酸蝕斑紋。

    一旦塗層表麵材料被破壞,即形成了酸蝕。這種材料的破壞是由於塗層內化學鍵發生酸促水解所形成的。當大量聚合物分子鏈或分子的化學鍵發生斷裂,就會發生塗層脫落。因為,在蒸發過程中酸在水滴邊緣凝結,使材料發生嚴重的破壞,從而形成了類似“環狀”或“水漬”圖案的酸蝕斑紋。

    提高汽車塗層抗酸蝕研究的主要目的是開發出一種新的配方,可以提高高分子鏈結構耐酸蝕性能。多數汽車塗層由高顏料組分的塗層(底漆)以及上麵覆蓋的一層透明的麵漆組成。

    1 布朗特島曝露試驗及加速酸蝕測試

    1.1 布朗特島暴露試驗

    佛羅裏達州傑克遜威爾的布朗特島在夏季一直是北美洲酸雨最嚴重的地區之一。因此,該地成為多種汽車塗層抗酸蝕性能評估的戶外測試場。每年都有汽車製造商及其供應商將大量的車篷、麵板和儀表板放在傑克遜維爾進行測試。車篷、麵板和儀表板的尺寸和形狀各異,但最常見的是黑色,用以得到最嚴酷的酸蝕結果。選擇的測試方法有多種,但通常是放置在與水平成0°~5°角進行測試。典型的測試周期大約是14個星期,在每年的6~9月進行。測試樣品在這14個星期內的每個星期都進行酸蝕損失的評定,評定采用目測方法,即用一塊標準麵板作為對照。布朗特島曝露是真實的戶外實際測試,是準確可靠的。但對產品開發卻存有明顯的局限性。除了因測試的地理位置和時間的局限外,測試還會因每年氣候條件的不同而得到不同的測試結果。

    1.2 加速酸蝕測試

    對汽車麵漆抗酸蝕能力的實驗室加速試驗已經進行了許多研究。當前本行業所使用的方法有梯度棒測試、酸浸蝕測試等。沒有一種測試能包含所有導致汽車麵漆酸蝕的實際參數,如濕度、紫外線、樣品朝向、酸液組成等。

    2最新測試方法的開發

    BASF公司認識到開發更逼真的加速酸蝕測試方法的重要性,並開始對一些關鍵參數進行量化處理。現有的氙燈試驗箱可以實現大多數的關鍵參數。

    自1950年以來,氙燈試驗箱已經用於測試塗料的耐老化性能,並得到廣泛運用。氙燈試驗箱的氙弧燈光源經過過濾後可真實地模擬太陽光光譜,因此得到廣泛運用。傳統的氙燈試驗箱在其測試室的中心安裝有氙燈,測試樣品垂直放置在環繞氙燈的樣品架上,同時樣品架以一定的轉速圍繞氙燈旋轉。這種機型通常被叫做旋轉鼓”式氙燈試驗箱。在這種垂直放置樣品的係統中,噴灑在樣品上的液體會很快地流失。 Q -Panel實驗設備公司開發並推出的Q-Sun 氙燈試驗箱,將氙燈放置在測試室的頂部,測試零件和樣板以接近水平角度的方向安置在燈管下方。與傳統“旋轉鼓”式試驗箱不同,任何噴灑到樣品上的液體不會很快流走,可以在樣品上停留較長的時間,並緩慢地在樣品表麵幹燥。

    BASF公司的科學家認識到這種樣品平麵排列的氙燈測試對於再現傑克遜維爾酸蝕性試驗特別有用。基於Q-Panel公司在老化科學、相關性研究和測試試驗箱領域的豐富經驗,BASF公司決定與Q-Panel公司聯合研究開發更逼真的加速酸蝕測試方法。

    2.1 曝露參數的量化

    BASF公司多年來一直在收集佛羅裏達州傑克遜維爾曝露場的環境參數。基於這些數據,以下列出了BASF公司研究加速酸蝕試驗方法應考慮的關鍵因素。

    2.1.1溫度

    此前,BASF公司已意識到傑克遜維爾戶外曝露結果中溫度的重要性。溫度參數參照曝露於傑克遜威爾的實際樣品的實時測量,並進行了量化。在1993 年,實測得高達80℃的樣品溫度。在2002年,傑克遜威爾對在實際零件和測試樣板的戶外環境條件下的測量顯示,最高樣品溫度大約為72℃,見表1。

    傑克遜維爾樣品溫度

    根據以上數據,采用80℃作為加速測試中氙燈光照循環的黑板溫度。

    2.1.2 雨水

    BASF公司的科學家認為,必須使用含有特殊的化學成分和pH值的酸性溶液模擬傑克遜維爾的酸雨。從戶外觀察發現,小於0.25 cm的急陣雨和薄雲層最容易形成傑克遜維爾酸蝕。研究確定,低PH 值降雨是產生酸蝕的最主要原因 例如,1989年傑克遜威爾收集的酸雨其pH值為3.49)。

    從傑克遜維爾的氣象數據中可以得到,每年6~ 8月間,平均有10~15個這樣的天氣,見表2。

    表2

    加速試驗室方法中,酸性溶液的pH值和化學成 分是基於對傑克遜維爾雨水樣本進行分析的結果。

    2.1.3 濕度和潮濕時間

    BASF公司研究發現,保持與傑克遜威爾的自 然曝露環境一致的相對濕度是必要的。這樣可以更 好地模擬戶外長時間的潮濕環境。傑克遜維爾氣候 數據顯示,夏季的平均相對濕度約為80% 6~8月)。

    對佛羅裏達州和其他地區潮濕時間 (TOW)的 研究顯示,戶外樣品一半以上的時間處於潮濕狀態, 造成測試樣品潮濕的主要因素是露水Grossman, 1978年)。在傑克遜維爾的戶外觀察證實了這一觀 點,發現多數夏季夜晚,露水在零件和樣板上產生凝 露。一般來說,露水在第2天早晨依然存在。

    因此.在試驗室加速測試中,在黑暗循環中噴淋 純水用於模擬夜晚凝露。同時,在測試中保持80%的 相對濕度以模擬傑克遜維爾的夏季環境。

    2.1.4樣品放置角度

    在傑克遜維爾,當曝露於戶外的樣板和零件被 放置成水平或接近水平的角度時,可得到嚴重的酸 蝕效果。通常來講,最嚴重的酸蝕出現在與水平成 0°~5°角的條件下。

    為模擬最嚴酷的曝露條件,Q-Sun試驗箱的樣 品架改造成與水平成0°角放置 ( 普通Q-Sun試驗 箱中的樣品架為與水平成10°角放置)。

    2.1.5 紫外線

    根據Q-Panel公司的經驗,要獲得與戶外結果 對比的最佳相關性,實驗室樣品應曝露於與戶外類 似的光譜能量分布SPD)和類似強度的紫外光照 下。Q-Panel公司對陽光光譜的研究顯示,盡管日光 光譜在一天中時刻都在改變,在夏日中午陽光最強 時340 nm處的紫外光強為0.68 W/m2 nm。Q-Panel 公司的測量結果與CIE 85中表格4見附錄)以及 由ASTM的G03委員會所建議的新SMART 2光譜 的結果一致。

    在一些舊版的汽車測試標準,例如SAE J1960 中,使用一個“延伸紫外線”光譜來提高降解速率。這種光譜的缺陷在於包含低於陽光截止點(295 nm) 的短波。經驗告訴我們,這個光譜可能導致一些塗層在自然條件下不存在的老化現象。因此,新的測試標準,例如SAE J2527,指定如ASTM G151所述的日光過濾器以達到與自然條件更為接近的光譜這與IS0 4892-2和IS0 11341所指定的光譜相同)。BASF公司新的加速酸蝕測試步驟選擇了日光過濾器光譜,因為它能更好地模擬自然陽光。Q-Sun 日光過濾器光譜與太陽光譜的比較見圖1。

    圖1

    這樣,我們基本確立了BASF/Q-Sun實驗室測試的一些基本參數,見表3。

    表三

    2.2試驗步驟

    基於對傑克遜維爾酸雨化學成分的檢測, BASF公司開發了一種仿酸雨溶液。BASF公司還為 Q-Panel公司提供了一套4種麵漆測試樣品。

    對Q-Sun標準氙燈進行試驗箱改造以適應測試要求。增加了0°角的樣品架和雙重噴淋係統。雙重噴淋係統可設定程序,且可分別噴淋純淨去離子水和仿酸雨溶液。

    改造後的Q-Sun氙燈試驗箱可按不同的測試循環運行,包括連續光照及間斷酸液噴淋。Q-Panel 公司確定了一個明暗交替的曝露環境,可以很好地模擬傑克遜維爾的戶外酸蝕效果。酸液噴淋量和頻率取決於對戶外的模擬效果。

    在經過若幹次對比研究後,開發了一種優化的曝露循環。在測試循環確定後,測試樣品被置於Q- Sun中,並在200 h後每過100 h對樣品進行檢查,見表4。

    表4

    2.3酸蝕評估

    對酸蝕損失進行目測,並按(0最好~10最差)來對測試樣品評級。評級概括如下,見表5。

    表5

    有些測試中,可對以上評級進行細化。

    2.4結果比較

    2.4.1 傑克遜維爾曝露場戶外測試數據

    比較2年的傑克遜維爾自然曝露數據以建立一條基線。如預期的一樣,每年的絕對數值都會有所不同。然而,每年各種不同樣品的排列順序都是完全一致的。參見表6和圖2。

    2.4.2 BASF公司的加速酸蝕測試效果

    目200 h開始,每經過100 h對測試樣品進行評級,結果見表7。在Q-Sun中曝露200 h後,樣品性能的相對排列順序基本確立,並在曝露試驗過程中保持不變。

    表6

    圖2

    表7

    將BASF公司的加速酸蝕測試結果與實際的傑克遜維爾自然曝露數據進行比較。在Q-Sun中 200 h後,BASF公司的加速酸蝕測試結果與傑克遜維爾曝露的排列是相同的。在400 h後得到了很好的相關性(斯皮爾曼Spearman tho=l.0),並觀察到幾乎與2001年傑克遜維爾曝露14周(圖3和圖4)時相同的酸蝕程度。在700 h後的結果與2002年傑克遜維爾數據(圖5)基本一致。

    圖3

    圖4

    2.5進一步試驗

    由於極佳的相關性,該加速測試方法被用於更多的已獲得傑克遜維爾曝露數據的樣品測試。為建立一套基準,使用皮爾森Pearson)和斯皮爾曼 (Spearman)相關係數對傑克遜維爾2001年、2002 年的數據進行對比。通過對比,我們認為皮爾森的方法更有效。從數據組中得到皮爾森相關係數為0.88,

    圖5

    圖5 2002年傑克遜維爾與BASF/Q-Sun結果對比而斯皮爾曼排列順序係數為0.72。

    針對相同的係列樣板,通過BASF公司加速酸蝕測試步驟曝露420 h。Q-Sun的測試效果與2001 年傑克遜維爾的效果相同,皮爾森相關係數為 0.90,而斯皮爾曼的相關係數為0.80。

    當BASF公司加速酸蝕測試評級與2001年、 2002年傑克遜維爾的平均結果進行對比時,相關性甚至更好。皮爾森相關係數R2=0.93而斯皮爾曼相關係數tho=0.80。簡而言之,BASF公司的加速酸蝕測試結果與傑克遜維爾的結果一致。

    3 結論

    BASF公司和Q-Panel實驗室產品公司聯合開發了新的加速酸蝕測試方法。該方法確認並包含了所有已知的關鍵測試參數。BASF公司開發出一種仿酸雨溶液、Q-Panel公司改造了Q-Sun氙燈試驗箱用於這一試驗。新測試方法的結果和傑克遜維爾自然曝曬的相關性等於或高於不同年份之間傑克遜維爾戶外效果的相關性。新測試方法的開發給本行業帶來若幹顯著的利益如下。

    a.加快了抗酸蝕塗料的開發。在傑克遜維爾自然曝露,每年隻能進行1次試驗,利用加速試驗方法測試次數可多達20次。

    b.實驗室相對簡化的試驗條件,使酸蝕性能的量化成為可能。而傑克遜維爾戶外曝露樣品因劃痕、灰塵等原因而不能進行量化評級。

    c.這種BASF公司的加速酸蝕測試將可以被用來模擬其它酸雨環境,但其雨水的化學成分可能不同於傑克遜維爾,因此需重新配製。

    d.新方法使整車廠實現了對汽車酸蝕進行監控的“早期預警”。

    總而言之,新的BASF公司的加速酸蝕測試步驟有助於提高產品的耐酸蝕研究水平。

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