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曹晓东:关于人工加速老化试验与自然暴露试验
2019年08月02日    阅读量:51305    新闻来源:论坛平台 /《涂层与防护》杂志  |  投稿


曹晓东:关于人工加速老化试验与自然暴露试验 中国资讯网,ChinaNews360.com

曹晓东


国家涂料质量监督检验中心环境实验室主任,研究员级高级工程师。作为第一起草人牵头起草了多项国家标准,并主持或参与完成了多项行业标准。

《涂层与防护》: 耐候性是涂料性能之一,而哪些涂料品种更看重这一性能?


曹晓东:涂膜涂覆在物体表面,起到保护和装饰的作用,涂膜抵抗阳光、空气、水(酸雨)、微生物等环境破坏作用而保持原性能的能力,称为涂膜的耐候性涂料在线coatingol.com。由于涂膜在使用过程中随着时间的推移,不可避免地会受到内在因素及外部环境因素的相互作用而出现变色、失光、粉化、开裂、生锈、剥落、斑点,沾污等一些不可逆的破坏现象。故对涂料的质量而言,除了应考察其外观、物理、化学、机械性能外,更为重要的应考察它的使用寿命,即涂膜本身的耐久性。而对涂膜进行耐候性试验及试验后的综合评定,既可以客观地考察涂膜的各种综合技术性能优劣,又可以评估它的真正使用价值,显然是十分重要和必要的。


实际使用中暴露在户外的涂膜理论上均需要考察耐候性,例如:汽车涂料、外墙建筑涂料、交通桥梁涂料、工程机械涂料、卷材涂料等。


《涂层与防护》: 耐候性主要考察哪些性能?评价方法由哪些?


曹晓东:耐候性主要检查项目有:变色、失光、粉化、起泡、生锈、开裂、剥落、斑点、泛金、沾污、长霉等。评定可参照相关产品标准的要求进行,也可以按GB/T1766-2008《色漆和清漆 涂层耐老化的评级方法》中的规定进行。样板的评级分单项评级和综合评定两种,综合评定又分装饰性漆和保护性漆两种方法,根据样板破坏的程度可评出:优、良、中、可、差、劣6个级别。


试验后评定方法比较多,包括国家标准、国际标准、美国标准等,目前常用到的有:


(1)国家标准:《色漆和清漆 涂层老化的评级方法》(GB/T 1766-2008);ISO 4628系列《色漆和清漆 漆膜老化的评定 缺陷程度, 量值和大小及外观均匀变化程度的规定》;(2)美国标准:《评定涂漆钢表面锈蚀程度的试验方法》(ASTM D 610-2008);《涂料起泡程度评价的标准试验方法》(ASTM D 714-2002(2009);《涂装了色漆或涂料的试样经受腐蚀环境后的评定》(ASTM D1654-2008)。


以上评级方法是用在环境试验中及试验结束后需要对涂层表观性能进行评价。另外如前所述,在环境试验前及结束后对涂层的力学性能进行试验,如冲击、硬度、附着力等,然后将前后的数据进行比较,考察涂层对于特定环境的耐受能力,按需要进行的试验参照标准规定进行。

《涂层与防护》: 从技术和经济角度看,为什么需要人工加速老化试验?需求情况如何?


曹晓东:自然暴露试验有一定的局限性,自然暴露试验中的环境因素是自然的,它们一般是不受人工控制的。如果环境试验的目的是要找到影响产品性能的确切环境因素,若想通过操纵试验条件的方法达到此目的,如人为地提高环境温度、湿度,则基本不能实现。相对于人工模拟环境试验,自然气候曝露试验虽然可以真实反映某地区、某时间段环境对产品的破坏程度,但它会受到试验条件中诸多不确定因素的变化而影响试验结果。


一般来讲,自然气候曝露的影响总是随曝露地点的自然环境(地域、国度、气象、季节)的差异而变化。另外,涂料产品的自然气候曝露试验的周期都较长(以年的倍数计)。出于经济、竞争及缩短天然老化试验周期的需求,许多产品标准中均选用了人工气候老化试验来考查产品的耐候性能。


《涂层与防护》: 加速老化试验结果与自然暴露的关联性如何?


曹晓东:加速性与相关性是一对矛盾,加速性好,则相关性差。没有任何一种实验室曝露试验能完全模拟户外实际条件下的曝露。


虽然人们对加速老化试验与自然暴晒试验的相关性很感兴趣,并希望得到以下简单的对应关系:X小时(或兆焦)加速老化试验=Y月(或年)的自然暴晒试验,从而获得一个加速因子。但这是不现实的,通常也是无效的。


加速因子局限性很大,没有普遍意义,原因如下:


(1)基于人造灯光源和太阳光的辐照量相等得到的加速因子,未考虑温度、湿度等其他因素对材料的影响,也未考虑材料的性能变化;

(2)加速因子依赖于材料,不同的材料或不同的配方的同种材料获得的加速因子会有很大的差异;

(3)加速因子与考察的性能有关;

(4)影响自然暴晒及加速老化速率的可变因素也会很大程度地影响计算出的加速因子。


《涂层与防护》: 老化试验方法及测试手段上是否有标准可循?还有哪些缺陷?


曹晓东:漆膜老化试验的方法应用最多的有自然曝露试验和人工气候老化试验。


自然曝露试验常用标准如下:


GB/T 9276-1996涂层自然气候曝露试验方法;

ISO  2810:2004 色漆和清漆 涂层自然老化  曝露及评定。


人工老化试验常用标准如下:


GB/T 1865-2009 色漆和清漆 人工气候老化和人工辐射曝露(滤过的氙弧辐射);

GB/T 23987-2009 色漆和清漆 涂层的人工气候老化曝露 曝露于荧光紫外线和水;

GB/T 14522-2008 机械工业产品用塑料、涂料、橡胶材料 人工气候老化试验方法 荧光紫外灯;

GB/T 16422.2-2014 塑料 实验室光源暴露方法  第2部分:氙弧灯;

ISO 4892-3:2006《塑料 实验室光源暴露方法 ——第三部:荧光UV灯》;

ISO 16474.2:2013 色漆和清漆 人工气候老化和人工辐射曝露 滤过的氙弧辐射;

ISO 16474-3:2013 色漆和清漆 实验室光源暴露方法 第3部分:荧光紫外灯;

ASTM G154-2006 非金属材料暴露用紫外荧光设备的操作;

ASTM G155 非金属材料在氙灯试验箱中的试验方法;

ASTM G 152.153  非金属材料的开放式和封闭式碳弧灯老化试验方法;

SAE J1960  汽车用外部材料氙灯暴露试验;

SAE J1885  汽车用内部材料氙灯暴露试验;

DIN 75220 太阳模拟设备中汽车组件的老化(金属卤素灯)。


《涂层与防护》: 随着技术创新速度加快,研发进程也在提速,加速老化试验将来会取代自然暴露老化试验吗?目前在技术上有哪些进展?


曹晓东:自然暴露试验相对于人工模拟环境试验是更好的环境试验。自然暴露试验是在选定的自然环境条件下开展的,环境因素客观、真实,只要所选定的试验条件与产品预期使用环境条件相同或相近,试验结果就有很高的可信度。而人工模拟环境试验只是对自然环境的模拟,且往往是对个别或几个环境因素的模拟。自然暴露试验是人工模拟环境试验的基础。人工模拟环境试验中的环境因素模拟多数是在对自然暴露试验研究的基础上进行的。


如果没有对自然暴露试验中影响试验条件的因素进行深入的分析研究,就不会有现代的人工模拟环境试验(至少对大部分人工模拟环境试验而言)。如在人工光老化试验中,太阳是人工光模拟的对象,如果没有人们对自然暴露过程中太阳光谱及光强的全面了解和认识,就不会有今天光老化机上用人造灯作为试验光源以及人造灯产生的光能量实施有效控制。


自然暴露试验还是评价人工模拟环境试验优劣的重要方法。产品在人工模拟环境试验中所产生的性能变化与在自然暴露试验中产生的性能变化一致或相似,这说明人工模拟环境试验结果的可信度高。由于自然暴露试验的真实性,不少产品的标准都明文规定:当人工模拟环境试验的结果与自然暴露试验的结果有较大出入时,应以自然暴露试验 的结果为准。


尽管现代人工模拟环境试验技术已经达到了很高的水平,但受限于现代科学技术所能达到的高度及昂贵的试验费用,人工模拟环境试验目前在应用上不能完替代自然暴露试验。


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