汽車油漆涂層耐候性分析及紫外加速老化試驗方法[1].doc

汽車油漆涂層耐候性分析及紫外加速老化試驗方法光照、高溫和潮濕是造成汽車油漆涂層失光、褪色、黃變、粉化的主要原因,紫外加速老化試驗可模擬太陽光中的紫外部分對油漆涂層的破壞作用,用數(shù)天或數(shù)周的時間重現(xiàn)戶外數(shù)月乃至數(shù)年出現(xiàn)的危害。本文主要介紹了引起汽車油漆涂層老化的原因以及利用QUV紫外加速老化試驗驗證汽車油漆涂層的耐候性。紫外光，耐候性，涂層老化，汽車油漆涂層 光照、高溫和潮濕是造成車油漆涂層失光、褪色、黃變、粉化的主要原因，油漆涂層的耐候性優(yōu)劣與涂料組分的光譜敏感性有關。汽車涂料主樹脂主要由環(huán)氧樹脂、氨基樹脂、聚酯樹脂等組成，含有碳氧雙鍵，碳碳單鍵等官能團。不同官能團因為鍵能不同，因而對光的敏感性不同，產生耐候性差異。對于汽車涂料，紫外線是造成涂料老化的主要原因。紫外加速老化試驗可模擬太陽光中的紫外部分對油漆涂層的破壞作用，用數(shù)天或數(shù)周的時間重現(xiàn)戶外數(shù)月乃至數(shù)年出現(xiàn)的危害?？蓭椭x擇新材料以及評價材料配方對耐久性的影響，達到驗證涂料性能的目的。2 油漆涂層老化因素分析光照、高溫和潮濕，這三個因素中的任何一個都會引起汽車油漆涂層的老化損害，但它們往往同時發(fā)生作用，所造成的危害將大于其中任一因素的單獨作用。2.1 光照油漆涂層發(fā)生降解的程度和類型，取決于樹脂的光譜敏感性。不同波長的光的破壞作用不同。每種樹脂的光譜敏感性都不同，光譜敏感性決定一種樹脂是對短波長敏感還是對長波長敏感或者對兩者都敏感。每種化學鍵，都對應一個閾值波長，這種波長有足夠的能量使化學鍵發(fā)生反應。比閾值波長短的波長可以破壞化學鍵，而比之長的波長無論光強多大都不能破壞化學鍵1。汽車涂料用樹脂主要由聚酯樹脂、氨基樹脂、醇酸樹脂以及丙烯酸樹脂中一種或幾種組成（含C-C 、C-H 、O-H、 C-O等官能團），所含官能團對應閾值波長范圍231376nm（常見涂料用樹脂的敏感波長見表1）。此波長對應太陽光中的短波紫外線波段。表1 常見涂料樹脂的敏感波長化學鍵鍵能/4148Jmol-1波長/nm化學鍵鍵能/4148Jmol-1波長/nmC-C（芳香族）124231C-O（乙醇）92311C-H（乙炔）121236C-O（甲醇）89321C-H（乙烯）10627C-C（乙烷）84340C-H（芳香族）103278C-Cl（氯甲烷）84340C-H（甲烷）102280C-C（丙烷）83345O-H（甲醇）100286C-Cl（氯乙烷）81353O-H（乙醇）100286C-O（甲醚）76376C-H（乙烷）992892.2 高溫高溫也是造成汽車油漆涂層破壞的重要因素。當溫度升高時，光的破壞作用也將隨之增大。盡管溫度不影響主要的光致反應，但卻影響次要的化學反應。實驗室老化測試必須提供精確的溫度控制，通?？赏ㄟ^升溫的方法來加速老化過程1。2.3 潮濕露水、雨水及高濕度是引起汽車油漆涂層潮濕危害的主要原因。統(tǒng)計顯示，放在室外的汽車每天都將長時間處于潮濕狀態(tài)。由潮氣形成的露水是室外潮濕的主要因素，露水對汽車油漆涂層造成的危害比雨水更大，因為它附著在油漆涂層上的時間更長，引起更為嚴重的潮濕吸收1。3 紫外加速老化試驗3.1 試驗條件 本試驗采用美國Q-Lab公司生產的QUV老化試驗機。QUV老化試驗機可實現(xiàn)以下模擬功能。陽光模擬QUV可實現(xiàn)用熒光紫外線燈模擬太陽光來對油漆涂層造成損害。UVA-340燈管對太陽光的紫外短波段模擬效果好，其光譜能量分布在太陽光的截止點到大約360nm范圍內與太陽光譜吻合得非常好（如圖1所示）。輻照度控制QUV老化機備有日光眼光強控制器，利用日光眼的反饋循環(huán)系統(tǒng)，可以連續(xù)、自動地控制且精確地保持輻照度，日光眼靠調整燈的功率來自動補償因燈管老化和其他因素造成的光強變化。在僅僅幾天或幾周內，能模擬在室外幾個月甚至幾年所造成的損害。UV紫外燈測試樣品測試室翻蓋門氧氣排氣口室內空氣冷卻測試樣品蒸汽熱水圖1 UNA-340光譜與太陽光譜比較 圖2 QUV冷凝循環(huán)示意圖潮濕模擬潮濕模擬測試室底部的水被用來加熱產生蒸汽，熱蒸汽使測試室內保持100的相對濕度。在QUV中，測試樣品實際上形成測試室的側壁，樣品的另一面暴露在室內周圍的空氣中。室內相對較冷的空氣使得測試樣品的表面比測試室內熱蒸汽的溫度低好幾度，溫度差產生冷凝循環(huán)現(xiàn)象，在樣品表面液態(tài)形式的水慢慢地凝結（如圖2所示）。另外，冷凝過程是在一較高溫度（一般為50）下進行的，這大大加速了潮濕侵蝕。用QUV的長時間的熱凝結循環(huán)過程來模擬戶外的潮濕侵蝕比其他一些方法，如濺水、浸水或高濕度都更有效。3.2 試驗涂料用于耐候性驗證的涂料信息見表2。表2 涂料信息編號顏色名稱供應商編號顏色名稱供應商1公爵黑A涂料公司8公爵黑B涂料公司2單色黑A涂料公司9單色黑B涂料公司3珠海藍A涂料公司10珠海藍B涂料公司4印紅A涂料公司11印紅B涂料公司5星辰白A涂料公司12星辰白B涂料公司6婚紗白A涂料公司13婚紗白B涂料公司7單色白A涂料公司14單色白B涂料公司3.3 試驗過程QUV老化試驗參數(shù)2控制見表3，試驗參照標準ASTM G154-06 非金屬材料紫外熒光曝露試驗方法。表3 參數(shù)控制序號項目條件1燈管類型UVA-3402輻照度0.89W/m2/nm3波長340nm4曝露周期8h輻照，黑板溫度60；4h冷凝，黑板溫度503.4 試驗結果 光澤變化 試驗前后的光澤變化見圖3，A公司的光澤變化率見圖4，B公司的光澤變化率見圖5。圖3 試驗前后光澤變化 圖4 A公司失光率從圖3中光澤曲線變化可以看出，一般情況下，金屬漆光澤比單色漆光澤稍高，淺色漆比深色漆光澤稍高。同時可以看出試驗前后A公司漆膜初始光澤及試驗后光澤比B公司稍高。另外B公司單色白面漆光澤下降比較顯著。 從圖4可以看出A公司試驗前后光澤變化在2.4-9.9之間，其中單色黑失光率為9.9，失光比較嚴重。單色黑與單色白相比失光較大，主要是由于黑色漆對光的反射能力較差，易吸光，而白色對光的反射較好，可以反射一部分光，減少光澤損失。對于黑色系公爵黑相比較于單色黑失光率較小，主要由于金屬漆中含有金屬鋁粉，金屬鋁粉可反射部分光，減少光譜能量對漆膜的破壞作用。圖5 B公司失光率 圖6 a值變化從圖5可以看出B公司試驗前后光澤變化在1.8-26.3之間，光澤變化比較大。另外單色白面漆光澤變化率為26.3，明顯失光。從B公司光澤變化率曲線可以看出B公司的涂料產品體系不是很穩(wěn)定。 顏色變化樹脂和顏料的變化均可以影響到汽車油漆涂層顏色的變化，如褪色、變黃、色相變化等。試驗前后a值變化見圖6、b值變化見圖7、L值變化見圖6、E值變化見圖9。 圖7 b值變化 圖8 L值變化圖9 E值變化 圖10 附著力變化從圖6可以看出，A、B兩公司a值變化趨勢基本相同，顏色變化往綠相發(fā)展。圖7為b值變化，顏色變化趨勢為藍相發(fā)展，同時可以看出B公司單色白面漆綠相變化比較大。圖8是L值變化，可以看出A公司L值變化比較平穩(wěn)，而B公司L值變化不是很穩(wěn)定，可以初步判斷B公司涂料體系不是很穩(wěn)定，各顏色之間波動比較大。圖9是E值變化，E可以綜合反應試驗前后的顏色變化，從圖9可以看出E值變化趨勢基本一致，E值變化區(qū)間從0.9到2.7，B公司星辰白顏色變化最大，A公司單色白顏色變化最小。3 附著力變化 附著力變化如圖10所示，除婚紗白面漆附著力變化較大以外，其它顏色的附著力變化基本一致。4 結論綜合比較試驗前后A、B兩公司油漆涂層光澤變化、顏色變化以及附著力變化，可知，A公司油漆涂層耐候性優(yōu)于B公司，B公司涂料體系不是很穩(wěn)定，各顏色之間指標波動比較大。紫外加速老化試驗，條件可控，可以縮短新顏色涂料的開發(fā)和選擇周期，預知有問題的涂料，減少汽車制造商的損失。然而紫外加速老化試驗取得的試驗數(shù)據(jù)是相對的，只能判定同類