防腐涂層人工老化(耐候性)試驗(yàn)方法

海達(dá)儀器0592-5315118

1定義、目的及意義  

 防腐涂層的人工老化試驗(yàn)是耐候性試驗(yàn)的重要組成部分之一。耐候性試驗(yàn)是指防腐涂層(也包括各種材料，尤其是以聚合物為基礎(chǔ)的各種人工合成材料，這里以防腐涂層代表)抵抗陽光、潮濕、雨、露風(fēng)、霜等霜等氣候條件的破壞作用而保持原性能的能力。

 防腐涂層在實(shí)際使用的過程中受到各種自然環(huán)境因素的作用，造成其物理化學(xué)和機(jī)械性能發(fā)生不可逆的變化并較終導(dǎo)致防腐涂層破壞的現(xiàn)象，稱為防腐涂層老化。常見的防腐涂層老化的現(xiàn)象有：變色(褪色)、失光、粉化、起泡、生銹、裂紋、剝落等。由于涂料的質(zhì)量除了取決于各項(xiàng)物理性能指標(biāo)外，更重要的是其使用壽命，即涂料本身對大氣的耐久性。這種耐候性較能體現(xiàn)涂料的真正實(shí)用價值，是該涂料各種技術(shù)指標(biāo)的綜合表現(xiàn)，故對涂料進(jìn)行耐候性試驗(yàn)是十分必要的。防腐涂層耐候性試驗(yàn)分天然老化試驗(yàn)和人工氣候老化試驗(yàn)兩種，天然老化試驗(yàn)是將樣板曝露于戶外自然條件下，觀察防腐涂層性能逐漸發(fā)生的變化，而人工氣候老化試驗(yàn)是將把樣板放在能模擬戶外諸影響因素的人工氣候老化機(jī)中曝露，觀察防腐涂層性能逐漸發(fā)生的變化。  

 2檢驗(yàn)方法介紹  

 由于涂層較終是在自然環(huán)境下使用，所以自然氣候曝露試驗(yàn)(天然老化試驗(yàn))是評估樣板真實(shí)耐久性的較可靠方法，也是發(fā)展可靠的實(shí)驗(yàn)室加速老化技術(shù)依據(jù)和參照系統(tǒng)。所以需要先了解自然氣候曝露試驗(yàn)，也稱戶外曝露試驗(yàn)的概況。  

 2.1自然氣候曝露試驗(yàn)原理  

 自然氣候曝露試驗(yàn)(天然老化試驗(yàn))指在各種自然環(huán)境下研究大氣各種因素對防腐涂層所起的老化破壞作用，通過對試驗(yàn)期間及試驗(yàn)結(jié)束后樣板的外觀檢查以評定其耐久性，也可以在曝曬過程中或曝曬結(jié)束后進(jìn)行防腐涂層的物理機(jī)械性能的測試。試驗(yàn)根據(jù)大氣種類可分為普通大氣、工業(yè)大氣和海洋性大氣；根據(jù)氣候特征可分為寒冷氣候、寒溫高原氣候、亞濕熱氣候、亞濕熱工業(yè)氣候、濕熱氣候、干熱氣候等。而曝露方法又可分為朝南45℃、當(dāng)?shù)鼐暥?、垂直緯度及水平曝露等。目前國際上通行的典型氣候條件為美國的佛羅里達(dá)亞熱帶氣候和亞利桑那沙漠氣候，這里均建有世界較大的曝曬場。這是因?yàn)槲挥诿绹喜康姆鹆_里達(dá)具有：光照強(qiáng)、強(qiáng)紫外線、潮濕時間長、濕度大、氣候嚴(yán)酷的特點(diǎn)。而亞利桑那沙漠氣候是：高熱、紫外線強(qiáng)、低濕度。與佛羅里達(dá)比較，年光照要高20%，較高氣溫要高15ºC，較高黑板溫度要高20ºC，而且日溫差也相當(dāng)大。我國與美國緯度相近以上兩個氣候條件有相當(dāng)?shù)膮⒖純r值。

 2.1．1天然曝曬場的建立：  

 曝曬場應(yīng)建立在平坦、空曠的地方，周圍無高大障礙物，使樣板能充分受到該地區(qū)各種大氣因素的作用，附近應(yīng)無工廠煙囪和能散發(fā)大量腐蝕性氣體的設(shè)施，以避免局部嚴(yán)重污染的影響。鹽霧氣候曝曬場應(yīng)建在海邊或海島島上。曝曬場應(yīng)具有必需的氣象觀測沒備和各種樣板涂層檢查儀器及洗手池、上下水、照明電燈設(shè)施。氣象資料的觀測設(shè)備應(yīng)視曝曬場環(huán)境、規(guī)模和人力、財力而定，若臨近有氣象臺(站)者，可直接采用當(dāng)?shù)貧庀笈_(站)的數(shù)據(jù)。氣象資料主要包括：氣溫、濕度、日照時效、太陽輻射量、降雨量、風(fēng)速、風(fēng)向等。曝曬架應(yīng)采用不影響試驗(yàn)結(jié)果的材料制成，如木材、鋁合金、或經(jīng)涂刷防腐涂料的鋼材制成，其結(jié)構(gòu)力求堅固耐用，經(jīng)得起當(dāng)?shù)剌^大風(fēng)力吹刮，并能自動調(diào)節(jié)曝曬角度。  

 2．1.2樣板的檢查方法

 GB／T9276-1996中規(guī)定以年和月作為曝露試驗(yàn)的時間單位，如無特殊規(guī)定，投試三十月內(nèi)每半個月檢查一次，三個月后至一年，每月檢查一次，超過一年后，每三個月檢查一次。由于涂料品種的要求不同以及曝曬地區(qū)破壞速度的不同，檢查周期可根據(jù)情況適當(dāng)變更：規(guī)定的檢查項(xiàng)目包括失光、變色、裂紋、起泡、斑點(diǎn)、生銹、泛金、沾污、長霉和脫落等。檢查方法主要有儀器法和目測法兩種，其中光澤和顏色測試，可按GB/T9754、GB／T9761和GB/T11186．2進(jìn)行，涂層的老化評價按GB／T9277進(jìn)行。  

 2．1．3影響自然氣候曝露試驗(yàn)結(jié)果的因素

 2．1．3．1氣候  

 我國國土面積廣大．氣候類型復(fù)雜，從南到北、從東到西氣候條件均不一樣，往往同一個涂料配方在不同地區(qū)使用其性能差異很大。如：同樣的醇酸樣品采用同樣的施工工藝，經(jīng)同時在天津、上海、武漢、重慶、廣州、海南島等地進(jìn)行曝曬，可發(fā)現(xiàn)天津的樣板破壞較慢，武漢、上海居中，重慶、廣州、海南島等地破壞較快，而在重慶、廣州、海南島等地中又以海南島的樣板破壞較厲害。而海南島的氣候條件非常類似典型的佛羅里達(dá)亞熱帶氣候條件。  

 2．1．3．2季節(jié)  

 樣品的耐候性試驗(yàn)結(jié)果除與氣候、地區(qū)有關(guān)外，曝曬季節(jié)對其影響也很大。春夏秋冬四個季節(jié)，就對樣板防腐涂層破壞較大的紫外光輻射來講，春季、夏季的紫外光輻射強(qiáng)度以及平均日照均遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出秋、冬兩個季節(jié)。正因?yàn)榧竟?jié)不同，樣板經(jīng)歷的氣候條件不同，因此防腐涂層的破壞也不同。對于自干型的涂料，在春季曝曬時，由于防腐涂層尚未完全堅實(shí)，就受到溫差的急劇變化而引起防腐涂層變形；接著在夏季又遭受到強(qiáng)烈的紫外光照射或大量的雨水侵蝕而進(jìn)一步造成破壞。在秋季曝曬時，由于氣溫較平穩(wěn)，紫外光也日趨下降，致使新涂的防腐涂層能有一段繼續(xù)堅硬的過程，從而經(jīng)得起來年的大氣破壞作用。實(shí)際試驗(yàn)也證實(shí)廠這點(diǎn)：春季曬板破壞較快，秋季曬板破壞較慢，其順序是：春＞夏＞冬＞秋。即：樣板曝露試驗(yàn)的結(jié)果隨投試季節(jié)的不同而異。  

 2．1．3．4曝曬角  

 曝曬角度對涂料的耐久性影響也是需要考慮的，因?yàn)樵诖髿饫匣?，光是一個較重要的因素，因此應(yīng)該盡量設(shè)法以較合適的角度來較大限度地利用太陽能。經(jīng)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在短期曝曬過程中及為了加速樣品的破壞，每年的上半年可采用春、夏季較熱角度(￠-25°，其中￠為當(dāng)?shù)鼐暥?span lang="EN-US">)；下半年可調(diào)節(jié)成秋、冬季較熱角度(0．893￠+24°)；這樣易于快速地獲得天然曝曬試驗(yàn)結(jié)果。對于需要連續(xù)曝曬幾年或因條件所限而不考慮來回調(diào)整角度的，則應(yīng)采取當(dāng)?shù)鼐暥?span lang="EN-US">(￠)較為適宜，以使樣品比其他角度能受到更多的和更長的時間光照。  

 2．2人工氣候老化和人工輻射曝露試驗(yàn)  

 2．2．1人工氣候老化和人工輻射曝露試驗(yàn)原理

 自然氣候曝露試驗(yàn)雖可真實(shí)反映某地區(qū)某階段的環(huán)境條件對材料和產(chǎn)品的影響，但它會受到試驗(yàn)條件諸多不確定因素的影響。即：自然環(huán)境隨季節(jié)、氣象、地理、地形的變化其自然曝曬的影響也隨之變化，更主要因?yàn)闃影逶囼?yàn)周期太長，出于經(jīng)濟(jì)、競爭及縮短老化試驗(yàn)周期需要的考慮，許多產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)中均規(guī)定了人工氣候老化試驗(yàn)來考核其耐候性能。人工氣候老化試驗(yàn)是基于大量自然氣候曝露試驗(yàn)的結(jié)果中找出的規(guī)律，找出氣候變化因素與涂層破壞之間的關(guān)系，目的是在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)模擬自然氣候作用或在(窗)玻璃下試驗(yàn)所發(fā)生的老化過程。與自然氣候老化相比，人工氣候老化僅涉及了幾個有限的因素(太陽光、濕氣、熱)，這些因素易于控制及強(qiáng)化從而起到加速老化試驗(yàn)的作用，并通過對試驗(yàn)期間及試驗(yàn)結(jié)束后的樣板的觀察來評定其耐候性。但對空氣污染、生物侵蝕、和鹽霧暴露造成的破壞無意模擬。

 正確的人工模擬設(shè)備主要應(yīng)有以下幾點(diǎn)必須注意：

 a.與戶外環(huán)境**匹配

 b.不改變降解機(jī)理,與戶外暴曬具有相關(guān)性

 c.可重復(fù)性和可再現(xiàn)性

 e.要素的獨(dú)立控制

 f.與真實(shí)時間相比具有加速性  

 2．2．2試驗(yàn)中的有關(guān)因素

 2．2．2．1光源

 從國內(nèi)外已有的試驗(yàn)來看，太陽光是涂層老化中的一個很重要的因素。太陽光的光譜主要可分為紫外線區(qū)、可見光區(qū)、紅外線區(qū)三個區(qū)域；經(jīng)測定在晴天赤道正午海平面的太陽輻照能分布如下：  

 表1太陽輻照能的分布

 如上表所示：紫外線區(qū)的光譜分布雖然很窄，并且輻射能量也僅占太陽總能量的5~7％左右，但經(jīng)試驗(yàn)表明該區(qū)域的破壞力較大，是造成聚合物老化的主要原因。這正驗(yàn)證了光能量隨波長減小而破壞力增大的理論。許多材料在該區(qū)域遭受破壞較快，會產(chǎn)生輻射分解即降解。其原因是絕大多數(shù)的聚合物經(jīng)能量較大的紫外線輻射后會受到光氧化的影響，當(dāng)一個分子所吸收的能量大于其鍵能時即產(chǎn)生降解，斷鏈。防腐涂層在該區(qū)域經(jīng)紫外線輻射后易產(chǎn)生粉化、失光及變色(顏色變深/褪色)等現(xiàn)象。所以現(xiàn)行更加新的國際標(biāo)準(zhǔn)均把光輻照度的控制點(diǎn)放在太陽光的紫外光340nm附近。(地球表面太陽光的紫外線截止點(diǎn)為295nm。)而不是以前對整個太陽光譜的輻照度進(jìn)行控制和計量。

 2．2．2．2溫度  

 由于光的作用總是伴隨著溫度的上升，因此溫度的升高也是促使防腐涂層老化的一個重要因素。通常的防腐涂層的熱老化，主要是由于交聯(lián)過程及聚合物分子鏈的破壞；交聯(lián)的結(jié)果，產(chǎn)生了立體結(jié)構(gòu)使防腐涂層變硬、變脆、失去彈性；而分子鏈破壞的結(jié)果使大分子鏈斷裂，減少了分子長度和分子量，形成了游離基團(tuán)，表現(xiàn)為發(fā)軟、發(fā)粘。粗略的估計，溫度升高10攝氏度，化學(xué)反應(yīng)速度會提高兩倍。但光化學(xué)反應(yīng)不是通常的簡單的一步反應(yīng)，較初的光化學(xué)反應(yīng)不受熱量影響，**步反應(yīng)受熱量影響。其影響比單純熱老化更為重要。在人工氣候老化試驗(yàn)中，一定的溫度配合周期性的降雨，造成頻繁的交變溫度，因?yàn)檫@將使涂層與底材發(fā)生不斷的膨脹與收縮，就可導(dǎo)致涂層中形成很大的應(yīng)力；在大多數(shù)情況下，防腐涂層組成的體系中含有成份和結(jié)構(gòu)不同的物質(zhì)：底漆、中間漆、色漆、面漆，因此在受溫度交變作用時由于在各涂層中的應(yīng)力有所不同，再加以具有一定波長的強(qiáng)烈光照，很容易造成防腐涂層的開裂。  

 2．2．2．3濕度  

 在大氣中曝露，防腐涂層實(shí)際上是長時期保持在濕潤狀態(tài)下，尤其是濕熱帶地區(qū)更是如此。濕氣的影響也很復(fù)雜，主要有：化學(xué)反應(yīng)、物理效應(yīng)、侵蝕、吸收/凍結(jié)-融解及熱沖擊等。在高濕度條件下，水分迅速向防腐涂層內(nèi)部滲透，防腐涂層會因吸收水分而引起溶解或溶漲，體積發(fā)生變化，或使防腐涂層中的水溶性物質(zhì)溶解出來，當(dāng)在日光下尤其是紫外光的照射下其體積迅速膨脹，結(jié)構(gòu)受到破壞或加快了光化學(xué)變化的作用，易產(chǎn)生起泡、生銹直至脫落，特別要提的是露水由于富含氧，且在涂層表面停留時間遠(yuǎn)較雨水長，造成戶外潮濕的主要原因是露而不是雨。  

 2．2．2．4氧氣  

 防腐涂層中的聚合物由于日光和氧氣的相互作用，即所謂的日光氧化會使防腐涂層產(chǎn)生孔隙，會引起防腐涂層表面氧化而導(dǎo)致其顏色及物理性能的變化，產(chǎn)生失光及裂紋。  

 2．2．2．5綜合因素

 同時出現(xiàn)多種破壞因素形成的合力即為綜合破壞因素，其破壞力超過單個因素的總和。這將造成涂層中聚合物的穩(wěn)定性下降，引起各種助劑的蒸發(fā)、轉(zhuǎn)移，直至失效而造成破壞。

 3．人工氣候老化設(shè)備  

 為了模擬自然界中各種氣候因素以便在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)創(chuàng)造出所謂人工氣候，并能達(dá)到加速試驗(yàn)的目的，一般采用人工氣候老化試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)。  

 3．1．人工氣候老化試驗(yàn)設(shè)備分類

 根據(jù)所采用的光源，人工氣候老化試驗(yàn)機(jī)可分為紫外碳弧型、陽光碳弧型、紫外熒光燈型、氙弧燈型及金屬鹵素?zé)粜偷取?span lang="EN-US">  

 紫外碳弧型裝置(1918年發(fā)明)是利用在儀器內(nèi)上下兩部分碳棒之間加入適當(dāng)?shù)碾妷?、電流發(fā)生電弧所產(chǎn)生的較大能量可發(fā)出連續(xù)光譜的紫外光。缺點(diǎn)是：光譜的不足，難維護(hù)，需水噴淋降溫，也不能校正。  

 陽光碳弧裝置(1933年發(fā)明)區(qū)別在于其碳棒中含有某種特殊金屬元素，故發(fā)出的光譜能量分布較為接近日光。但陽光碳弧裝置短波紫外線太強(qiáng)，地球表面的太陽光里又沒有，破壞加速了，但與真實(shí)環(huán)境不符。長波紫外線和可見光與日光相差仍較大，不能校正，高維護(hù)成本，需水噴淋降溫，主要在日本應(yīng)用。  

 氙弧燈裝置(1954年發(fā)明)是一種由內(nèi)充有高純度氙氣的弧光放電燈為光源的裝置，該燈管由一根透明的石英玻璃管制成，兩端各封接有一個金屬電極，當(dāng)電極之間加入適當(dāng)?shù)母唠妷翰⒔?jīng)過濾光片過濾后會產(chǎn)生一種更為接近太陽光的光譜，通過儀器調(diào)整輻射量而光譜基本不變且操作也較碳弧型簡單。鑒于上述原因，目前許多標(biāo)準(zhǔn)，如IS011341、GB／T1865-1997規(guī)定將氙燈型人工氣候老化機(jī)作為該試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)的試驗(yàn)儀器。該裝置分為水冷和風(fēng)冷型，結(jié)構(gòu)上分為樣板固定和旋轉(zhuǎn)式。新的國際標(biāo)準(zhǔn)已不要求使用哪種形式，氙弧燈裝置與戶外暴曬的相關(guān)性較好，特別是要求了解光照導(dǎo)致顏色變化的人工老化試驗(yàn)都應(yīng)該采用氙燈型人工氣候老化機(jī)，當(dāng)然，氙燈型人工氣候老化機(jī)的投資和運(yùn)行費(fèi)用都是較高的。盡管低于陽光碳弧裝置許多。

 紫外熒光燈型(1970年發(fā)明)是一種利用低壓汞蒸氣弧光放電激發(fā)熒光物質(zhì)而產(chǎn)生紫外光輻射的裝置(Q8/UV老化箱)，該能在相對較窄的波長間隔內(nèi)產(chǎn)生連續(xù)的光譜。通常分布成弱峰。其光源主要分為UVA(340)和UVB(313)。340，313表示發(fā)射峰的波長特性(以nm表示)。其中UVA燈管從300~340nm與日光有極好的相符性。UVB燈管的光譜分布，其峰接近313nm處的汞線。它們發(fā)出大量波長低于300nm的射線，正好位于太陽光線的波長范圍外，這樣就導(dǎo)致了戶外不會出現(xiàn)的老化過程的發(fā)生，即會引起涂層的非自然光化學(xué)變化。使用要經(jīng)有關(guān)方面商定。紫外熒光燈型幾乎沒有可見光部分，可見光部分(400~700nm)雖然對聚合物的降解影響不大，但許多顏料的退色受可見光影響，所以涉及顏色變化的老化試驗(yàn)建議不用該方法。但是由于它具有加速性較好，光譜穩(wěn)定，模擬露水侵蝕簡便。相對氙弧燈裝置，又有低的價格、極低的運(yùn)行成本和維護(hù)成本，操作簡單，校準(zhǔn)方便。所以得到廣泛的應(yīng)用。

 3．2氙燈型人工氣候老化試驗(yàn)設(shè)備  

 氙燈型人工氣候老化試驗(yàn)箱應(yīng)由耐腐蝕材料制成，其內(nèi)裝置包括有濾光系統(tǒng)的輻射源、溫濕度調(diào)節(jié)系統(tǒng)、樣板架、黑標(biāo)準(zhǔn)溫度計、輻照度測定儀等。近年來由于世界上高科技在各個領(lǐng)域中的推廣應(yīng)用，人工氣候老化機(jī)的裝備水平也得到了進(jìn)一步的提高，世界一些的人工氣候老化機(jī)生產(chǎn)廠在十年間使老化機(jī)經(jīng)歷了幾次升級換代。不僅能更為有效地模擬戶外氣候的多種特性，如：模擬太陽的光譜分布、適應(yīng)各類標(biāo)準(zhǔn)選擇的濾光器組合、恒定的黑標(biāo)準(zhǔn)溫度、箱體溫度、濕度、降雨、黑暗、凝露、一個太陽／二個太陽的輻射量等。而且自動化程度也大大提高，可內(nèi)存多種國際、歐洲、美國、日本等工業(yè)產(chǎn)品(涂料、汽車部件、塑料、紡織品等)耐人工氣候老化試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，還可自行設(shè)定多種用戶試驗(yàn)程序，儀器執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)的準(zhǔn)確性及試驗(yàn)數(shù)據(jù)的重復(fù)性也不斷提高。氙燈型人工氣候老化試驗(yàn)設(shè)備能較接近的模擬太陽光的光譜，所以盡管運(yùn)行費(fèi)用很高，大多數(shù)用戶還是需要用氙燈型人工氣候老化試驗(yàn)機(jī)做出的試驗(yàn)結(jié)果來預(yù)測未來產(chǎn)品的耐候性能力。特別是對材料顏色耐候性能力的判斷，一定要用氙燈型人工氣候老化試驗(yàn)機(jī)來做。  

 3．2．1氙燈型老化機(jī)的結(jié)構(gòu)  

 氙弧燈是特大功率的發(fā)光光源，從1000瓦特到5000瓦特。大量的紅外線發(fā)射將導(dǎo)致試樣溫度很快上升。燈管本身溫度也很高。所以從燈管冷卻的方式，氙燈型老化機(jī)可分為水冷式和風(fēng)冷式，為充分利用燈管的輻射資源，一般會將試樣放在燈管的周圍圍一圈。并做成可旋轉(zhuǎn)的結(jié)構(gòu)。稱為旋轉(zhuǎn)鼓式。而將樣品放在平面上，燈管布置在試驗(yàn)箱體上部的結(jié)構(gòu)稱之為平面排列式，水冷式氙燈型老化機(jī)可以讓燈管工作在很高的功率下，有較高的效率，但水冷卻系統(tǒng)需水、電、光路隔離，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對冷卻用去離子水的要求也很高，導(dǎo)致水冷式氙燈老化機(jī)售價很高。風(fēng)冷式氙燈型老化機(jī)相反，結(jié)構(gòu)簡單了，但光效率較低，售價也相對低一些。目前新的國際標(biāo)準(zhǔn)對老化機(jī)的結(jié)構(gòu)已無要求。  

 3．2．2氙燈輻照光譜的過濾  

 由于氙燈光譜有大量的脈沖波峰，所以要經(jīng)過過濾后才可獲得接近日光的光譜。氙燈型老化機(jī)常見的濾光片組合及適用范圍見表2：  

 表2常見的濾光片組合及適用范圍

 如表2所示，通過不同濾光片的組合可以得到多種戶內(nèi)外條件模擬試驗(yàn)，不同的組合會產(chǎn)生不同的光譜及輻射強(qiáng)度，可引起試驗(yàn)結(jié)果的明顯不同。濾光器的老化可導(dǎo)致氙弧燈的紫外發(fā)射明顯減少，必須嚴(yán)格按照儀器的規(guī)定定期更換內(nèi)外濾光片。另外，濾光器上的沉積物及其他殘留物也能影響濾光器的透過率，因此應(yīng)定期清洗濾光器。  

 3．2．3輻照強(qiáng)度和控制點(diǎn)  

 輻照度是指照射在平面上光能的比率。一臺耐候性試驗(yàn)箱必須控制光的輻照強(qiáng)度，以達(dá)到加速實(shí)驗(yàn)和重現(xiàn)試驗(yàn)結(jié)果的目的。光輻照度的變化會影響材料質(zhì)量惡化的速度，而光波波長的變化(例如光譜的能量分布)則同時會對材料退化的速度和類型產(chǎn)生影晌。通過控制光的輻照強(qiáng)度可以保持與實(shí)際相符的測試條件。

 氙燈型老化機(jī)一般都有輻照強(qiáng)度的反饋控制系統(tǒng)，控制量大多以340nm(戶外輻射暴露)或420nm(透過窗玻璃暴露)為控制點(diǎn)，當(dāng)輻照強(qiáng)度穩(wěn)定控制在0.68W/m2/nm時，試驗(yàn)機(jī)的輻照強(qiáng)度大致相當(dāng)于夏季正午太陽直射時的強(qiáng)度。增加輻照強(qiáng)度有時可以加速老化速度，但是對有的材料效果卻不一定明顯，提高老化速度有時會與真實(shí)情況不符。需要參照自然氣候曝露對比試驗(yàn)，才能得到正確的結(jié)果。  

 3．2．4溫度和濕度控制  

 光能輻射到試板提高了試板的溫度。不同的顏色因吸收的能量不同，溫升也不一樣，顏色越深溫度越高，黑色較高，白色較低。通常，老化試驗(yàn)機(jī)使用標(biāo)準(zhǔn)黑體溫度統(tǒng)一受照射物表面溫度，也稱黑板溫度。黑板溫度傳感器是內(nèi)部裝有溫度敏感元件的導(dǎo)熱板，其表面涂有能吸收波長2500nm以內(nèi)全部入射的輻射光的93%、有良好耐老化性能的平整黑色涂料、背面與試板放在同一導(dǎo)熱面上。儀器通過控制吹過試樣表面的外部冷空氣調(diào)節(jié)黑板溫度傳感器的溫度，使之穩(wěn)定在60℃左右。由于背面底板的導(dǎo)熱和均熱作用，其他試樣也將會處于接近該溫度的狀態(tài)。特殊應(yīng)用情況下，也有以絕緣黑體溫度(傳感器四周與底部有隔熱材料)、白板溫度作為試驗(yàn)試樣的溫度控制目標(biāo)。而箱體氣體溫度作為間接的溫度環(huán)境儀器也會設(shè)置控制系統(tǒng)作為下級控制對象。  

 通常溫度升高10攝氏度，化學(xué)反應(yīng)速度會提高兩倍。但光化學(xué)反應(yīng)不是通常的簡單的一步反應(yīng)，較初的光化學(xué)反應(yīng)不受熱量影響，而**步反應(yīng)要受熱量影響。增加溫度一般可以加速老化速度，但是對有的材料效果卻不一定明顯，所以，通過提高溫度加速老化速度，有時也會與真實(shí)情況不符。所以既要提高老化速度，又要減少誤差，黑板溫度通常不能超過實(shí)際使用的較高溫度。

 濕度對涂層的老化影響很大，但高溫的氙燈輻射使?jié)穸瓤刂戚^難實(shí)現(xiàn)，一般都有蒸發(fā)水蒸氣的裝置調(diào)節(jié)箱體內(nèi)部的濕度。使之相對濕度大致維持在50%+/-5%左右。  

 3．2．5循環(huán)  

 或許有人認(rèn)為連續(xù)的光照可以加快老化速度，縮短老化時間。但實(shí)際上，很多材料在發(fā)生化學(xué)反應(yīng)之前，它們需要一定的“間歇期”。儀器都有循環(huán)程序來控制試驗(yàn)遵循如幾小時光照，幾小時無光照的周期循環(huán)來進(jìn)行。程序還有噴水或浸漬的步驟設(shè)計。這樣的老化既接近真實(shí)情況又速度較快。  

 3．2．6．氙燈型老化機(jī)燈管的使用壽命  

 氙燈也會老化，老化造成波譜的偏移。由于太陽光譜中紫外線區(qū)的光譜分布雖然很窄，并且輻射能量也僅占太陽總能量的5~7％左右，但經(jīng)試驗(yàn)表明該區(qū)域的破壞力較大，是造成聚合物老化的主要原因。所以現(xiàn)行更加新的國際標(biāo)準(zhǔn)對氙燈型人工老化機(jī)輻照光譜中290nm~400nm的光譜能量分布特意做了更加細(xì)的規(guī)定。并均把光輻照度的控制點(diǎn)放在太陽光的紫外光340nm附近。這樣就提高了與戶外環(huán)境匹配的精度，提高了與戶外暴曬的相關(guān)性，試驗(yàn)的可重復(fù)性和可再現(xiàn)性。但是，由于氙燈光譜中UV段發(fā)射效率衰減得更快。當(dāng)340nm點(diǎn)控制穩(wěn)定后，由于杠杠原理，可見光至紅外部分的輻照度在氙燈管工作1000小時后都會有較大的提升(約20%以上)。很快超過了太陽光的典型輻照度，這樣又會降低與戶外暴曬的相關(guān)性，所以，生產(chǎn)廠商都規(guī)定了氙燈管的工作壽命，一般在標(biāo)準(zhǔn)功率下工作1300~1500小時后需要更換燈管。這也是氙燈型人工老化機(jī)運(yùn)行費(fèi)用很高的原因之一。紫外熒光燈的壽命：有輻照控制的約6000小時。無輻照控制的約1600小時。  

 3．3紫外熒光燈型人工氣候老化試驗(yàn)設(shè)備  

 紫外熒光燈型人工氣候老化也由耐腐蝕材料制成，其內(nèi)裝置包括有UV光管組成的輻射源、溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)、模擬濕氣的加熱蓄水盤，樣板架、黑標(biāo)準(zhǔn)溫度計、輻照度測定儀等。  

 盡管紫外光(UV)只占陽光的6%，但是它卻是造成戶外產(chǎn)品耐用性下降的主要光照因素。這是因?yàn)殛柟獾墓饣瘜W(xué)反應(yīng)影響隨著波長的減少而增加。因此在模擬陽光對材料物理性質(zhì)的破壞影響時，不需要再現(xiàn)整個陽光光譜。在大多數(shù)情況下，只需要模擬短波的UV光即可。以上研究結(jié)果導(dǎo)致了UV熒光燈耐候老化機(jī)的發(fā)展。UV熒光燈耐候老化機(jī)的優(yōu)點(diǎn)：

 l快速獲得實(shí)驗(yàn)結(jié)果

 l簡化的光照度控制

 l穩(wěn)定的光譜

 l只需很少的維護(hù)

 l價格便宜、運(yùn)行費(fèi)用低廉。  

 所以得到了廣泛的應(yīng)用。至少在配方篩選階段人們多都想到首先使用紫外熒光燈型人工氣候老化機(jī)。  

 3．3．1UV能量的波長范圍  

 耐候老化機(jī)的代表機(jī)型Q8/UV采用熒光UV燈。其原因在于它們比其他的燈管更為穩(wěn)定，并且有更好的試驗(yàn)結(jié)果再現(xiàn)性。采用熒光UV燈模擬陽光對材料物理性質(zhì)的影響，例如亮度下降、龜裂、剝落等方面應(yīng)是較好的方法。現(xiàn)有幾種不同的UV燈可供選擇。這些UV燈主要產(chǎn)生紫外光，而不是可見光或紅外光。燈的主要差別體現(xiàn)在它們各自產(chǎn)生的UV總能量集中在不同的光譜波長范圍上。不同的燈會產(chǎn)生不同的測試結(jié)果。實(shí)際的曝曬應(yīng)用環(huán)境可以提示應(yīng)選用那種類型的UV燈。  

 UVA-340可極好的模擬陽光光譜的臨界短波波長范圍，UVA-340的名稱表示發(fā)射峰的波長特性(以nm表示)即發(fā)射峰的波長為340nm。波長范圍為A波段，即295至360nm的光譜。UVA-340只產(chǎn)生在陽光中能找到的UV波長的光譜。  

 UVB-313，用于較大程度的加速試驗(yàn)。UVB-313可以很快地提供實(shí)驗(yàn)結(jié)果。它們所采用的短波長UV比目前地球表面上通常找到的UV光波更為強(qiáng)烈。盡管這些比自然波長短許多的UV光能夠較大程度地加速試驗(yàn)，但它同時也會對某些材料造成不符和實(shí)際的退化破壞。UVB-313的曝曬程式在QC和R&D的應(yīng)用和對耐用性材料進(jìn)行試驗(yàn)時，是極其有用的。

 3．3．2控制輻照強(qiáng)度  

 與氙弧燈裝置一樣，紫外熒光燈型人工氣候老化試驗(yàn)設(shè)備一般都有輻照強(qiáng)度的反饋控制系統(tǒng)，以期達(dá)到加速實(shí)驗(yàn)和重現(xiàn)試驗(yàn)結(jié)果的目的。光輻照度的變化會影響材料質(zhì)量惡化的速度。通常，使用峰值波長為340nm的UVA-340燈管?？刂戚椪諒?qiáng)度為0.68w/m2/nm，就可與夏季正午直射的陽光強(qiáng)度相匹配。它可以快速提供結(jié)果，而絲毫不影響其相關(guān)性。如需加速獲取數(shù)據(jù)，可以使之光照強(qiáng)度比夏季正午的陽光強(qiáng)度高75%。  

 3．3．3模擬露水的影響

 在戶外的材料與濕氣接觸的時間，每天可以長達(dá)12小時。研究結(jié)果表明造成這種戶外潮濕的主要原因是露水，而不是雨水。模擬露水是通過冷凝原理來實(shí)現(xiàn)。在試驗(yàn)機(jī)箱的底部有一蓄水箱，在Q8/UV的冷凝循環(huán)階段，對其進(jìn)行加熱來產(chǎn)生水汽。熱蒸汽使試驗(yàn)箱內(nèi)的相對濕度維持在l00%，并且保持一個相對高溫。設(shè)計確保測試試件實(shí)際上構(gòu)成試驗(yàn)箱的側(cè)壁，從而使試件的背面則曝露在室內(nèi)環(huán)境空氣中。室內(nèi)空氣的冷卻效用導(dǎo)致試件表面溫度下降到低于蒸汽溫度幾度的水平。這一溫差導(dǎo)致試件在整個冷凝循環(huán)過程中，其表面始終有冷凝生成的液態(tài)水。這種冷凝產(chǎn)物是很穩(wěn)定的純凈蒸餾水。這種純凈水提高了試驗(yàn)的再現(xiàn)率，而同時避免了水漬問題：由于戶外曝曬接觸潮濕的時間每天可以長達(dá)12小時，因此Q8/UV的潮濕周期一般持續(xù)幾小時。標(biāo)準(zhǔn)推薦的冷凝周期一般至少持續(xù)4小時。注意到Q8/UV中的UV曝曬和冷凝曝曬是分別進(jìn)行的，這與實(shí)際氣候條件一致。冷凝的優(yōu)點(diǎn)：

 l與自然潮濕一致。

 l通過升溫加速實(shí)驗(yàn)過程。

 l采用普通自來水。

 l冷凝產(chǎn)物是純凈水--在樣品上無水漬或雜質(zhì)產(chǎn)生。

 l維護(hù)簡單  

 3．3．4模擬雨水影響  

 對于某些應(yīng)用過程而言，增加水噴淋能更好的模擬較終使用的環(huán)境條件。屋面、汽車材料和在金屬建筑或結(jié)構(gòu)上使用的防腐涂料經(jīng)常會遭遇到突然的溫度劇變。例如在炎熱的夏季中，當(dāng)熱量堆積表面溫度很高后突然由于暴雨而消散。由于經(jīng)常遭到來自雨水的沖刷，鋼結(jié)構(gòu)的涂料層，包括油漆和著色劑，會出現(xiàn)相應(yīng)的侵蝕現(xiàn)象。近期研究結(jié)果表明，這種雨水沖刷動作可以將材料表面有防降解作用的涂料粉化層沖刷掉，從而將涂料本身直接曝曬在UV和水份的破壞性影響之下。這一過程可以重復(fù)多次，從而導(dǎo)致一種材料退化現(xiàn)象加劇。而單靠冷凝方式是無法再現(xiàn)的。增加水噴淋以再現(xiàn)此類環(huán)境條件，可以增強(qiáng)某些涂料氣候老化試驗(yàn)的相關(guān)性。

 3．3．5溫度控制  

 上等的光化學(xué)反應(yīng)對溫度變化并不敏感。然而，隨之而來的二級反應(yīng)的速度則和溫度變化緊密相關(guān)。一般來說，隨著溫度升高，反應(yīng)速度會加快。因此，在UV曝曬實(shí)驗(yàn)過程中，溫度控制就顯得很重要。而且要控制加速試驗(yàn)所采用的試驗(yàn)溫度與材料在實(shí)際應(yīng)用中遭遇的較高溫度相當(dāng)。同樣，紫外光老化試驗(yàn)機(jī)也使用標(biāo)準(zhǔn)黑體溫度統(tǒng)一受照射物表面溫度，由于儀器僅有紫外部分光譜，試板的溫度一般要靠箱體溫度提供。UV階段的溫度設(shè)置可以從50C到80℃，具體取決于光照度水平和室內(nèi)環(huán)境氣溫。  

 濕氣循環(huán)階段，潮濕對材料的破壞力會隨著溫度的提高而急劇增加。因此在潮濕循環(huán)階段的過程中，溫度控制要求保持高溫環(huán)境，設(shè)置可以是從40*C到60*C。  

 Q8/UV具有輻照強(qiáng)度控制、溫度控制，采用兩種方式來模擬濕氣的影響。Q/UV3噴淋型采用冷凝和水噴淋兩種方式，Q8／UV2型和Q8/UV1普通型則只配備冷凝方式。Q8/UV1普通型輻照強(qiáng)度控制采用燈管新舊搭配，定期淘汰舊燈管的方式。機(jī)器投資少，但燈管整體的替換周期要短一倍。  

 4操作要點(diǎn)  

 除另有規(guī)定，可按GB/T1765-79(89)《測定耐濕熱、耐鹽霧、耐候性(人工加速)的防腐涂層制備法》制備并養(yǎng)護(hù)樣板。樣板養(yǎng)護(hù)期結(jié)束后，留出一塊作為標(biāo)準(zhǔn)板，其余2-3塊投入人工氣候老化試驗(yàn)機(jī)內(nèi)進(jìn)行試驗(yàn)。樣板需放在試板架上，周圍空氣要流通，樣板在試板架上的排列應(yīng)以有規(guī)律的間隔時間改變，例如上排樣板與中排樣板及下排樣板進(jìn)行交換。  

 試驗(yàn)時間可參照相關(guān)產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)來確定，也可將其老化狀態(tài)已知的曝露涂層(參照樣板)與被測樣板同時投入試驗(yàn)，以確定試驗(yàn)終點(diǎn)及評定被測樣板，參照樣板的化學(xué)結(jié)構(gòu)和老化狀況應(yīng)盡可能與試驗(yàn)樣板相類似。

 樣板的檢查按GB/T1766-1995《色漆和清漆涂層耐老化的評級方法》規(guī)定進(jìn)行，檢查項(xiàng)日包括：變色、失光、粉化、裂紋、起泡、生銹、脫落、斑點(diǎn)、泛金、沾污、長霉等。樣板的評定可采用單項(xiàng)評級和綜合評級法，綜合評級法分裝飾性漆和保護(hù)性漆兩種，根據(jù)樣板破壞程度可評山優(yōu)、良、中、可、差、劣六個級別。  

 5影響人工氣候老化試驗(yàn)結(jié)果的其他因素  

 5．1試驗(yàn)儀器校準(zhǔn)

 除儀器產(chǎn)地、型號及性能的差異可能造成試驗(yàn)結(jié)果的不同外，儀器本身的定期校準(zhǔn)是十分重要的。如不能按期對儀器控制器如：輻照度計、光傳感器、黑標(biāo)準(zhǔn)溫度、溫度、濕度傳感器、水質(zhì)純度計等進(jìn)行必要的校準(zhǔn)，將影響試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性。其中以光傳感器的校準(zhǔn)較為重要和困難。一般由大的人工老化機(jī)生產(chǎn)廠家提供服務(wù)，并可追溯到相關(guān)國家的標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)管理機(jī)構(gòu)如美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究所。值得一提的是一種**的產(chǎn)品稱為Q8-800的照度自動校準(zhǔn)系統(tǒng)提供了用戶可自己完成校準(zhǔn)的技術(shù)，校準(zhǔn)只需幾秒鐘的時間，避免了繁雜又易出錯的校準(zhǔn)程序。校準(zhǔn)的結(jié)果也可以追溯到美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究所頒布的方法。  

 5．2試驗(yàn)用水  

 用于儀器內(nèi)濕潤及模擬戶外降雨、凝露作用的蒸餾水應(yīng)符合GB/T6682實(shí)驗(yàn)室用水二級水的要求(電導(dǎo)率低于21S／cm，蒸發(fā)殘余物少于lppm)，否則將在試板表面產(chǎn)生沉積物而造成不可靠的試驗(yàn)結(jié)果。通過冷凝原理來實(shí)現(xiàn)凝露作用的紫外熒光燈型人工氣候老化機(jī)可使用自來水。但模擬降雨的供水因直接接觸樣板，所以需要蒸餾水，并應(yīng)符合GB/T6682實(shí)驗(yàn)室用水二級水的要求。

 5．3其他因素  

 不同的涂層(防腐涂層)對不同的光波長有著不同的選擇性，如：不同顏色的防腐涂層對熱量的吸收不同，會有一定的測試誤差。另外對顏色、光澤等檢驗(yàn)項(xiàng)目應(yīng)盡量采用儀器法而不用目測法，以減少人為誤差