近年來，隨著我國建設(shè)步伐的加快，鋁合金建筑型材市場有了長足的發(fā)展。目前，我國已成為世界上鋁合金建筑型材生產(chǎn)大國。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)量控制的一個重要指標(biāo)。
粉末噴涂鋁型材的老化測試包括戶外大氣測試和實驗室加速測試兩種方法。國內(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、美國建筑制造業(yè)協(xié)會AAMA2603-02、AAMA2604-02、AAMA2605-02、英國BS6496等。
國內(nèi)外都長期開展了戶外大氣老化測試。國內(nèi)在海南、廣州、敦煌等地都有規(guī)模不等的戶外曝曬場，上通常作為基準(zhǔn)曝曬地點(diǎn)的有美國的佛羅里達(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。戶外曝曬測試有很多優(yōu)點(diǎn)：真實，便宜，易于操作等。
戶外曝曬的測試時間相對較長，大部分制造商不愿意等上幾年的時間來觀察一種新的改良的產(chǎn)品設(shè)計是否確實得到改進(jìn)，所以有必要進(jìn)行實驗室加速老化測試。在加速老化測試方面，除少數(shù)的日本企業(yè)仍沿用碳弧燈外，主流的測試方法有紫外(QUV)和氙燈(Q-Sun)兩種，其中紫外測試主要使用UVA燈管和UVB燈管。
本文實驗?zāi)康氖潜容^QUV(UVA燈管)、QUV(UVB燈管)、Q-Sun三種實驗室加速老化測試方法與佛羅里達(dá)戶外曝曬之間的關(guān)系，分析哪種加速試驗方法更適合用于材料何種性能的測試，并通過實驗數(shù)據(jù)及數(shù)學(xué)計算，找出三種加速老化試驗時間與佛羅里達(dá)戶外曝曬時間的對比關(guān)系，幫助業(yè)內(nèi)人士了解如何通過試驗找出自己產(chǎn)品的加速因子。
實驗室加速老化測試主要使用氙燈和紫外兩種測試設(shè)備，但它們的測試原理*不同。下面通過介紹Q-Lab公司的Q-Sun氙燈試驗箱和QUV紫外試驗機(jī)的特點(diǎn)來分析氙燈和紫外設(shè)備的測試原理。
2.1氙燈試驗箱的老化原理
氙燈試驗箱可以模擬全光譜太陽光，包括紫外線，可見光和紅外線。氙燈光譜有兩個影響因素：濾光系統(tǒng)和光源穩(wěn)定性。氙燈產(chǎn)生的光譜必須經(jīng)過過濾來減少不需要的光譜成分。使用不同類型的玻璃過濾器可得到不同的光譜。過濾器的使用取決于被測材料和材料的終使用條件。經(jīng)不同過濾器過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)常使用的過濾器：日光、窗玻璃和紫外延伸過濾器。本次實驗中，我們采用日光過濾器，圖1顯示了這種過濾器產(chǎn)生的光譜，同時也顯示了從295~400nm之間的紫外線短波段的光譜圖。
大多數(shù)氙燈檢測設(shè)備通過水噴淋或濕度控制系統(tǒng)來模擬潮濕的影響。水噴淋可很好地模擬熱沖擊和機(jī)械侵蝕。在測試系統(tǒng)中，為了防止水對樣品的污染使用高純度的去離子水是非常必要的。
2.2紫外試驗機(jī)的老化原理
QUV利用熒光紫外線燈來模擬太陽光對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)射紫外光而非可見光。
對于不同的應(yīng)用條件，需要不同類型的燈管產(chǎn)生不同的光譜。UVA-340燈管對太陽光的紫外短波段光線模擬效果好。UVA-340的光譜能量分布(SPD)在太陽光的截止點(diǎn)到大約360nm范圍內(nèi)與太陽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。它們對材料產(chǎn)生的老化影響比UVA-340燈管更快，但它比太陽光截止點(diǎn)更短的波長可能會對許多材料產(chǎn)生不切實際的結(jié)果。
UVA-340燈管對太陽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測試室底部的水盤來產(chǎn)生蒸汽。在較高的溫度下，熱蒸汽在測試室內(nèi)保持100%的相對濕度。QUV中，測試樣品實際上形成測試室的側(cè)壁。樣品的另一面暴露在室內(nèi)周圍的空氣中。室內(nèi)相對較冷的空氣就使得測試樣品的表面比測試室內(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氙燈兩種測試設(shè)備對一系列粉末噴涂鋁板進(jìn)行了測試。具體地，我們進(jìn)行了三種實驗室加速老化測試，分別是QUV(UVA燈管)、QUV(UVB燈管)和Q-Sun，三種測試的具體標(biāo)準(zhǔn)和程序如表1、2、3所示。
表1 QUV (UVA燈管)測試程序
| 標(biāo)準(zhǔn) | 循環(huán)周期 | 燈管型號 | 光強(qiáng) | 黑板溫度 |
| ASTM G154 -2006測試程序6 | 8小時紫外光照4小時冷凝 | UVA340 | 1.55W/m2/nm @340nm | 60°C50°C |
表2 QUV (UVB燈管)測試程序
| 標(biāo)準(zhǔn) | 循環(huán)周期 | 燈管型號 | 光強(qiáng) | 黑板溫度 |
| ASTM G154-2006測試程序2 | 4小時紫外光照4小時冷凝 | UVB313 | 0.71W/m2/nm @340nm | 60°C50°C |
表3 Q-Sun測試程序
| 標(biāo)準(zhǔn) | 循環(huán)周期 | 過濾器 | 光強(qiáng) | 黑板溫度 |
| ISO 11341測試程序A，方法1 | 102分鐘光照18分鐘光照加水噴淋 | 日光過濾器 | 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)所得測試結(jié)果的數(shù)據(jù)，我們分別計算了加速測試方法與佛羅里達(dá)測試方法之間的相關(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試方法對一組樣品進(jìn)行測試，所得實驗結(jié)果之間的相關(guān)性。相關(guān)系數(shù)rs的計算公式為：rs=1-6∑di2/【n(n2-1)】，其中n指的是樣品的個數(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試與佛羅里達(dá)戶外曝曬實驗結(jié)果之間的關(guān)系，也就是通常大家比較關(guān)心的一個問題———對于材料的某種變化，如果加速測試與戶外結(jié)果的相關(guān)性足夠好，那么在QUV或Q-Sun中測試多長時間相當(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)計算。我們假設(shè)在三種加速測試方法中測試t小時接近在佛羅里達(dá)戶外曝曬1年的效果，通過求二次函數(shù)小值的方法得到t值，也就是我們所要求的對應(yīng)加速測試時間。
需要特別指出的是，文中利用求二次函數(shù)的小值來求更佳時間的方法只是尋求在加速試驗中測試多長時間接近在佛羅里達(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)到或超過在佛羅里達(dá)測試的結(jié)果，建議對時間作一修正，即在所得時間的基礎(chǔ)上再乘以一個系數(shù)，這個系數(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)測試結(jié)果之間的比較
對每個樣品，QUV(UVA燈管)按表1實驗條件運(yùn)行1000小時，在不同時間段對光澤進(jìn)行一次測量，而在佛羅里達(dá)是對樣品曝曬了1年，也是在不同時間段對光澤進(jìn)行一次測量。無論是在佛羅里達(dá)戶外曝曬，還是利用QUV(UVA燈管)進(jìn)行實驗室加速老化測試，樣品的光澤均發(fā)生退化。通過數(shù)據(jù)分析及數(shù)學(xué)計算，得出QUV(UVA燈管)與佛羅里達(dá)測試結(jié)果之間的相關(guān)系數(shù)。同時，求出二次函數(shù)取得小值時所對應(yīng)的t值。當(dāng)t為400小時時二次函數(shù)取得小值，而且此時的相關(guān)系數(shù)為0.9。這就說明在QUV(UVA燈管)中測試400小時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試條件下性能的變化，圖4中顯示的是其中3個樣品在QUV(UVA燈管)和佛羅里達(dá)試驗中的光澤變化)。
圖4 QUV (UVA燈管)400小時與佛羅里達(dá)1年樣品保光率之間的比較
系數(shù)為0.9。這就說明在QUV(UVA燈管)中測試400小時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試條件下性能的變化，圖4中顯示的是其中3個樣品在QUV(UVA燈管)和佛羅里達(dá)試驗中的光澤變化)。從圖4可以看出，無論是使用QUV(UVA燈管)對樣板進(jìn)行測試還是佛羅里達(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)測試結(jié)果之間的比較
對每個樣品QUV(UVB燈管)按表2實驗條件運(yùn)行400小時，在不同時間段對光澤進(jìn)行一次測量。
通過數(shù)據(jù)分析及數(shù)學(xué)計算，得出QUV(UVB燈管)與佛羅里達(dá)測試結(jié)果之間的相關(guān)系數(shù)。同時，求出二次函數(shù)取得小值時所對應(yīng)的t值。當(dāng)t為350小時時二次函數(shù)取得小值，而且此時的相關(guān)系數(shù)為0.9。這就說明在QUV(UVB燈管)中測試350小時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，無論是使用QUV(UVB燈管)對樣板進(jìn)行測試還是佛羅里達(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)測試結(jié)果之間的比較
對每個樣品Q-Sun按表3實驗條件運(yùn)行800小時，在不同時間段對光澤進(jìn)行一次測量。
通過數(shù)據(jù)分析及數(shù)學(xué)計算，得出Q-Sun與佛羅里達(dá)之間的相關(guān)系數(shù)。同時，求出二次函數(shù)取得小值時所對應(yīng)的t值。當(dāng)t為600小時時二次函數(shù)取得小值，而且此時的相關(guān)系數(shù)為0.9。這就說明在Q-Sun中測試600小時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，無論是使用Q-Sun對樣板進(jìn)行測試還是佛羅里達(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試方法，試驗證明無論是QUV紫外光老化試驗機(jī)還是Q-Sun氙燈試驗箱對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紫外光老化試驗機(jī)(無論是UVA燈管還是UVB燈管)比Q-Sun氙燈試驗箱能更快地模擬佛羅里達(dá)戶外曝曬1年的效果。
戶外測試是實驗室加速老化測試的基礎(chǔ)。通過本文研究，我們進(jìn)一步認(rèn)識到積極開展戶外老化測試的重要性，并用以指導(dǎo)實驗室加速測試。雖然某些例子已經(jīng)證明了實驗室加速測試能夠很好地預(yù)測某些材料的戶外耐久性，但有些情況下，實驗室加速測試卻無法準(zhǔn)確地預(yù)測出材料的戶外耐久性。而且，在實驗室加速測試中表現(xiàn)良好的產(chǎn)品，在實際的戶外測試中可能表現(xiàn)差。在各種實驗室加速試驗面前，人們有很多種選擇，但其中有些可能很好，有些可能很差。但戶外測試不同，您不必?fù)?dān)心作出錯誤的選擇，因為在戶外測試跟實際情況從來不會有出入。
本文所得的戶外與實驗室加速測試之間的對比關(guān)系，僅就文中所曝曬的粉末噴涂鋁板而言，不見得對所有產(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驗室加速測試之間的相關(guān)性，那么還要進(jìn)行相關(guān)的戶外測試。
