近年來(lái)，隨著我國(guó)建設(shè)步伐的加快，鋁合金建筑型材市場(chǎng)有了長(zhǎng)足的發(fā)展。目前，我國(guó)已成為世界上鋁合金建筑型材生產(chǎn)大國(guó)。與其他材料一樣，當(dāng)鋁合金建筑型材受到大氣條件下光照、溫度、潮濕等因素的影響，會(huì)產(chǎn)生褪色、粉化、開裂、起泡、表面剝落等老化現(xiàn)象，從而影響到產(chǎn)品的性能和美觀。因此鋁合金建筑型材的耐候性是產(chǎn)品開發(fā)和質(zhì)量控制的一個(gè)重要指標(biāo)。
粉末噴涂鋁型材的老化測(cè)試包括戶外大氣測(cè)試和實(shí)驗(yàn)室加速測(cè)試兩種方法。國(guó)內(nèi)有專門的鋁型材行業(yè)的大氣老化標(biāo)準(zhǔn)GB5237.4-2004，上常用的戶外曝曬標(biāo)準(zhǔn)有歐洲Qualicoat第10版、美國(guó)建筑制造業(yè)協(xié)會(huì)AAMA2603-02、AAMA2604-02、AAMA2605-02、英國(guó)BS6496等。
國(guó)內(nèi)外都長(zhǎng)期開展了戶外大氣老化測(cè)試。國(guó)內(nèi)在海南、廣州、敦煌等地都有規(guī)模不等的戶外曝曬場(chǎng)，上通常作為基準(zhǔn)曝曬地點(diǎn)的有美國(guó)的佛羅里達(dá)和亞利桑那，Q-Lab公司在上述地方都建有標(biāo)準(zhǔn)曝曬場(chǎng)。戶外曝曬測(cè)試有很多優(yōu)點(diǎn)：真實(shí)，便宜，易于操作等。
戶外曝曬的測(cè)試時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)，大部分制造商不愿意等上幾年的時(shí)間來(lái)觀察一種新的改良的產(chǎn)品設(shè)計(jì)是否確實(shí)得到改進(jìn)，所以有必要進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室加速老化測(cè)試。在加速老化測(cè)試方面，除少數(shù)的日本企業(yè)仍沿用碳弧燈外，主流的測(cè)試方法有紫外(QUV)和氙燈(Q-Sun)兩種，其中紫外測(cè)試主要使用UVA燈管和UVB燈管。
本文實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖潜容^QUV(UVA燈管)、QUV(UVB燈管)、Q-Sun三種實(shí)驗(yàn)室加速老化測(cè)試方法與佛羅里達(dá)戶外曝曬之間的關(guān)系，分析哪種加速試驗(yàn)方法更適合用于材料何種性能的測(cè)試，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及數(shù)學(xué)計(jì)算，找出三種加速老化試驗(yàn)時(shí)間與佛羅里達(dá)戶外曝曬時(shí)間的對(duì)比關(guān)系，幫助業(yè)內(nèi)人士了解如何通過(guò)試驗(yàn)找出自己產(chǎn)品的加速因子。
實(shí)驗(yàn)室加速老化測(cè)試主要使用氙燈和紫外兩種測(cè)試設(shè)備，但它們的測(cè)試原理*不同。下面通過(guò)介紹Q-Lab公司的Q-Sun氙燈試驗(yàn)箱和QUV紫外試驗(yàn)機(jī)的特點(diǎn)來(lái)分析氙燈和紫外設(shè)備的測(cè)試原理。
2.1氙燈試驗(yàn)箱的老化原理
氙燈試驗(yàn)箱可以模擬全光譜太陽(yáng)光，包括紫外線，可見(jiàn)光和紅外線。氙燈光譜有兩個(gè)影響因素：濾光系統(tǒng)和光源穩(wěn)定性。氙燈產(chǎn)生的光譜必須經(jīng)過(guò)過(guò)濾來(lái)減少不需要的光譜成分。使用不同類型的玻璃過(guò)濾器可得到不同的光譜。過(guò)濾器的使用取決于被測(cè)材料和材料的終使用條件。經(jīng)不同過(guò)濾器過(guò)濾后得到的光譜中紫外線的短波段的量不同，這將在很大程度上影響老化的速度和類型。有三種類型的經(jīng)常使用的過(guò)濾器：日光、窗玻璃和紫外延伸過(guò)濾器。本次實(shí)驗(yàn)中，我們采用日光過(guò)濾器，圖1顯示了這種過(guò)濾器產(chǎn)生的光譜，同時(shí)也顯示了從295~400nm之間的紫外線短波段的光譜圖。
大多數(shù)氙燈檢測(cè)設(shè)備通過(guò)水噴淋或濕度控制系統(tǒng)來(lái)模擬潮濕的影響。水噴淋可很好地模擬熱沖擊和機(jī)械侵蝕。在測(cè)試系統(tǒng)中，為了防止水對(duì)樣品的污染使用高純度的去離子水是非常必要的。
2.2紫外試驗(yàn)機(jī)的老化原理
QUV利用熒光紫外線燈來(lái)模擬太陽(yáng)光對(duì)耐久性材料造成的損害。紫外燈在電學(xué)原理上與普通照明用的燈管很相似，但它主要發(fā)射紫外光而非可見(jiàn)光。
對(duì)于不同的應(yīng)用條件，需要不同類型的燈管產(chǎn)生不同的光譜。UVA-340燈管對(duì)太陽(yáng)光的紫外短波段光線模擬效果好。UVA-340的光譜能量分布(SPD)在太陽(yáng)光的截止點(diǎn)到大約360nm范圍內(nèi)與太陽(yáng)光譜能夠很好地吻合(如圖2所示)。
UVB-313燈管(如圖3所示)在QUV中也被廣泛應(yīng)用。它們對(duì)材料產(chǎn)生的老化影響比UVA-340燈管更快，但它比太陽(yáng)光截止點(diǎn)更短的波長(zhǎng)可能會(huì)對(duì)許多材料產(chǎn)生不切實(shí)際的結(jié)果。
UVA-340燈管對(duì)太陽(yáng)光紫外短波段的模擬效果是更佳的。UVB-313燈管利用紫外線的短波段達(dá)到快加速老化的目的，對(duì)特別經(jīng)久耐用的材料的檢定或質(zhì)量控制非常有用。
加熱QUV測(cè)試室底部的水盤來(lái)產(chǎn)生蒸汽。在較高的溫度下，熱蒸汽在測(cè)試室內(nèi)保持100%的相對(duì)濕度。QUV中，測(cè)試樣品實(shí)際上形成測(cè)試室的側(cè)壁。樣品的另一面暴露在室內(nèi)周圍的空氣中。室內(nèi)相對(duì)較冷的空氣就使得測(cè)試樣品的表面比測(cè)試室內(nèi)的熱蒸汽的溫度低好幾度。這一溫度差產(chǎn)生冷凝，在樣品表面液態(tài)形式的水慢慢地凝結(jié)。除了標(biāo)準(zhǔn)的冷凝功能，QUV還可用水噴淋來(lái)模擬雨水影響，產(chǎn)生熱沖擊或機(jī)械侵蝕。
利用QUV紫外和Q-Sun氙燈兩種測(cè)試設(shè)備對(duì)一系列粉末噴涂鋁板進(jìn)行了測(cè)試。具體地，我們進(jìn)行了三種實(shí)驗(yàn)室加速老化測(cè)試，分別是QUV(UVA燈管)、QUV(UVB燈管)和Q-Sun，三種測(cè)試的具體標(biāo)準(zhǔn)和程序如表1、2、3所示。
表1 QUV (UVA燈管)測(cè)試程序
| 標(biāo)準(zhǔn) | 循環(huán)周期 | 燈管型號(hào) | 光強(qiáng) | 黑板溫度 |
| ASTM G154 -2006測(cè)試程序6 | 8小時(shí)紫外光照4小時(shí)冷凝 | UVA340 | 1.55W/m2/nm @340nm | 60°C50°C |
表2 QUV (UVB燈管)測(cè)試程序
| 標(biāo)準(zhǔn) | 循環(huán)周期 | 燈管型號(hào) | 光強(qiáng) | 黑板溫度 |
| ASTM G154-2006測(cè)試程序2 | 4小時(shí)紫外光照4小時(shí)冷凝 | UVB313 | 0.71W/m2/nm @340nm | 60°C50°C |
表3 Q-Sun測(cè)試程序
| 標(biāo)準(zhǔn) | 循環(huán)周期 | 過(guò)濾器 | 光強(qiáng) | 黑板溫度 |
| ISO 11341測(cè)試程序A，方法1 | 102分鐘光照18分鐘光照加水噴淋 | 日光過(guò)濾器 | 0.51W/m2/nm @340nm | 63°C |
利用QUV(UVA燈管)、QUV(UVB燈管)、Q-Sun并在佛羅里達(dá)測(cè)試了一系列粉末噴涂鋁板樣品的光澤、顏色變化及起泡、粉化、開裂、裂紋等指標(biāo)，本文主要討論樣品的光澤變化。根據(jù)所得測(cè)試結(jié)果的數(shù)據(jù)，我們分別計(jì)算了加速測(cè)試方法與佛羅里達(dá)測(cè)試方法之間的相關(guān)系數(shù)rs(spearman相關(guān)系數(shù))，該相關(guān)系數(shù)指的是利用兩種不同的測(cè)試方法對(duì)一組樣品進(jìn)行測(cè)試，所得實(shí)驗(yàn)結(jié)果之間的相關(guān)性。相關(guān)系數(shù)rs的計(jì)算公式為：rs=1-6∑di2/【n(n2-1)】，其中n指的是樣品的個(gè)數(shù)，di指的是兩列排序中每一組排位數(shù)之間的差值。
為了得到加速老化測(cè)試與佛羅里達(dá)戶外曝曬實(shí)驗(yàn)結(jié)果之間的關(guān)系，也就是通常大家比較關(guān)心的一個(gè)問(wèn)題———對(duì)于材料的某種變化，如果加速測(cè)試與戶外結(jié)果的相關(guān)性足夠好，那么在QUV或Q-Sun中測(cè)試多長(zhǎng)時(shí)間相當(dāng)于在佛羅里達(dá)戶外曝曬1年的效果，我們還做了相關(guān)數(shù)學(xué)計(jì)算。我們假設(shè)在三種加速測(cè)試方法中測(cè)試t小時(shí)接近在佛羅里達(dá)戶外曝曬1年的效果，通過(guò)求二次函數(shù)小值的方法得到t值，也就是我們所要求的對(duì)應(yīng)加速測(cè)試時(shí)間。
需要特別指出的是，文中利用求二次函數(shù)的小值來(lái)求更佳時(shí)間的方法只是尋求在加速試驗(yàn)中測(cè)試多長(zhǎng)時(shí)間接近在佛羅里達(dá)戶外曝曬的效果，而并不能保證所有樣品都達(dá)到在佛羅里達(dá)曝曬的程度。為了確保所有樣品都達(dá)到或超過(guò)在佛羅里達(dá)測(cè)試的結(jié)果，建議對(duì)時(shí)間作一修正，即在所得時(shí)間的基礎(chǔ)上再乘以一個(gè)系數(shù)，這個(gè)系數(shù)可以是1.1，可以是1.5，也可以是其它的數(shù)值，視具體情況具體分析。
4.1QUV(UVA燈管)與佛羅里達(dá)測(cè)試結(jié)果之間的比較
對(duì)每個(gè)樣品，QUV(UVA燈管)按表1實(shí)驗(yàn)條件運(yùn)行1000小時(shí)，在不同時(shí)間段對(duì)光澤進(jìn)行一次測(cè)量，而在佛羅里達(dá)是對(duì)樣品曝曬了1年，也是在不同時(shí)間段對(duì)光澤進(jìn)行一次測(cè)量。無(wú)論是在佛羅里達(dá)戶外曝曬，還是利用QUV(UVA燈管)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室加速老化測(cè)試，樣品的光澤均發(fā)生退化。通過(guò)數(shù)據(jù)分析及數(shù)學(xué)計(jì)算，得出QUV(UVA燈管)與佛羅里達(dá)測(cè)試結(jié)果之間的相關(guān)系數(shù)。同時(shí)，求出二次函數(shù)取得小值時(shí)所對(duì)應(yīng)的t值。當(dāng)t為400小時(shí)時(shí)二次函數(shù)取得小值，而且此時(shí)的相關(guān)系數(shù)為0.9。這就說(shuō)明在QUV(UVA燈管)中測(cè)試400小時(shí)樣品的光澤變化接近在佛羅里達(dá)戶外曝曬1年的效果(為了直觀比較樣品在兩種測(cè)試條件下性能的變化，圖4中顯示的是其中3個(gè)樣品在QUV(UVA燈管)和佛羅里達(dá)試驗(yàn)中的光澤變化)。
圖4 QUV (UVA燈管)400小時(shí)與佛羅里達(dá)1年樣品保光率之間的比較
系數(shù)為0.9。這就說(shuō)明在QUV(UVA燈管)中測(cè)試400小時(shí)樣品的光澤變化接近在佛羅里達(dá)戶外曝曬1年的效果(為了直觀比較樣品在兩種測(cè)試條件下性能的變化，圖4中顯示的是其中3個(gè)樣品在QUV(UVA燈管)和佛羅里達(dá)試驗(yàn)中的光澤變化)。從圖4可以看出，無(wú)論是使用QUV(UVA燈管)對(duì)樣板進(jìn)行測(cè)試還是佛羅里達(dá)戶外曝曬，樣板的光澤均發(fā)生退化。其中A樣板光澤保持的較好，B樣板的光澤下降低。而且還可以看出，QUV(UVA燈管)測(cè)試與佛羅里達(dá)戶外曝曬之間的相關(guān)性較好。
4.2QUV(UVB燈管)與佛羅里達(dá)測(cè)試結(jié)果之間的比較
對(duì)每個(gè)樣品QUV(UVB燈管)按表2實(shí)驗(yàn)條件運(yùn)行400小時(shí)，在不同時(shí)間段對(duì)光澤進(jìn)行一次測(cè)量。
通過(guò)數(shù)據(jù)分析及數(shù)學(xué)計(jì)算，得出QUV(UVB燈管)與佛羅里達(dá)測(cè)試結(jié)果之間的相關(guān)系數(shù)。同時(shí)，求出二次函數(shù)取得小值時(shí)所對(duì)應(yīng)的t值。當(dāng)t為350小時(shí)時(shí)二次函數(shù)取得小值，而且此時(shí)的相關(guān)系數(shù)為0.9。這就說(shuō)明在QUV(UVB燈管)中測(cè)試350小時(shí)樣品的光澤變化接近在佛羅里達(dá)戶外曝曬1年的效果(如圖5所示)。
圖5 QUV(UVB燈管)350小時(shí)與佛羅里達(dá)1年樣品保光率之間的比較
與圖4類似，從圖5也可以看出，無(wú)論是使用QUV(UVB燈管)對(duì)樣板進(jìn)行測(cè)試還是佛羅里達(dá)戶外曝曬，樣板的光澤均發(fā)生退化。與圖4中得出的結(jié)論相同，A樣板光澤保持的較好，B樣板的光澤下降低。而且QUV(UVB燈管)測(cè)試與佛羅里達(dá)戶外曝曬之間的相關(guān)性也很好。
4.3Q-Sun與佛羅里達(dá)測(cè)試結(jié)果之間的比較
對(duì)每個(gè)樣品Q-Sun按表3實(shí)驗(yàn)條件運(yùn)行800小時(shí)，在不同時(shí)間段對(duì)光澤進(jìn)行一次測(cè)量。
通過(guò)數(shù)據(jù)分析及數(shù)學(xué)計(jì)算，得出Q-Sun與佛羅里達(dá)之間的相關(guān)系數(shù)。同時(shí)，求出二次函數(shù)取得小值時(shí)所對(duì)應(yīng)的t值。當(dāng)t為600小時(shí)時(shí)二次函數(shù)取得小值，而且此時(shí)的相關(guān)系數(shù)為0.9。這就說(shuō)明在Q-Sun中測(cè)試600小時(shí)樣品的光澤變化接近在佛羅里達(dá)戶外曝曬1年的效果(如圖6所示)。
圖6 Q-Sun 600小時(shí)與佛羅里達(dá)1年 樣 品保光率之間的比較
與圖4，圖5類似，從圖6也可以看出，無(wú)論是使用Q-Sun對(duì)樣板進(jìn)行測(cè)試還是佛羅里達(dá)戶外曝曬，樣板的光澤均發(fā)生退化。與圖4，圖5中的相同，A樣板光澤保持的較好，B樣板的光澤下降低。而且Q-Sun測(cè)試與佛羅里達(dá)戶外曝曬之間的相關(guān)性也很好。
本文研究了粉末噴涂鋁型材的耐候老化測(cè)試方法，試驗(yàn)證明無(wú)論是QUV紫外光老化試驗(yàn)機(jī)還是Q-Sun氙燈試驗(yàn)箱對(duì)材料造成的光澤下降與戶外曝曬之間的相關(guān)性都很好，而且QUV紫外光老化試驗(yàn)機(jī)(無(wú)論是UVA燈管還是UVB燈管)比Q-Sun氙燈試驗(yàn)箱能更快地模擬佛羅里達(dá)戶外曝曬1年的效果。
戶外測(cè)試是實(shí)驗(yàn)室加速老化測(cè)試的基礎(chǔ)。通過(guò)本文研究，我們進(jìn)一步認(rèn)識(shí)到積極開展戶外老化測(cè)試的重要性，并用以指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)室加速測(cè)試。雖然某些例子已經(jīng)證明了實(shí)驗(yàn)室加速測(cè)試能夠很好地預(yù)測(cè)某些材料的戶外耐久性，但有些情況下，實(shí)驗(yàn)室加速測(cè)試卻無(wú)法準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)出材料的戶外耐久性。而且，在實(shí)驗(yàn)室加速測(cè)試中表現(xiàn)良好的產(chǎn)品，在實(shí)際的戶外測(cè)試中可能表現(xiàn)差。在各種實(shí)驗(yàn)室加速試驗(yàn)面前，人們有很多種選擇，但其中有些可能很好，有些可能很差。但戶外測(cè)試不同，您不必?fù)?dān)心作出錯(cuò)誤的選擇，因?yàn)樵趹敉鉁y(cè)試跟實(shí)際情況從來(lái)不會(huì)有出入。
本文所得的戶外與實(shí)驗(yàn)室加速測(cè)試之間的對(duì)比關(guān)系，僅就文中所曝曬的粉末噴涂鋁板而言，不見(jiàn)得對(duì)所有產(chǎn)品都適用，在此只是作為一種分析方法的參考。要想找出其它產(chǎn)品或材料的戶外與實(shí)驗(yàn)室加速測(cè)試之間的相關(guān)性，那么還要進(jìn)行相關(guān)的戶外測(cè)試。
