前言

客戶對(duì)涂層耐候性和外觀質(zhì)量的要求不斷提高，這促使汽車制造商和油漆供應(yīng)商開發(fā)新的涂層體系以迎合客戶的需求。然而，由于引進(jìn)新涂層體系存在潛在的風(fēng)險(xiǎn)，因此在新涂層體系投產(chǎn)前需要做大量的試驗(yàn)，這需要耗費(fèi)大量的時(shí)間和資源，以減少因涂層失效而帶來的風(fēng)險(xiǎn)。通常在將一個(gè)新的涂層體系投入實(shí)際應(yīng)用之前，汽車制造商需要對(duì)其進(jìn)行5年的佛羅里達(dá)戶外曝曬試驗(yàn)。如果汽車行業(yè)有一項(xiàng)可靠的加速測(cè)試方法，能夠快速且準(zhǔn)確地評(píng)定汽車涂層體系的長(zhǎng)期抗老化性，那么可以明顯縮短新涂層體系的投產(chǎn)時(shí)間。

目前最佳的涂層加速老化方法是SAE J2527(替代已廢止的J1960)。該方法規(guī)定在氙燈箱內(nèi)進(jìn)行老化試驗(yàn)，經(jīng)濾光片過濾后，氙燈光源產(chǎn)生與太陽(yáng)光相似的光譜功率分布(SPD);而且氙燈試驗(yàn)箱內(nèi)的溫度、濕度和在油漆樣品上噴淋的液態(tài)水都能得到控制，希望能在短時(shí)間內(nèi)模擬與佛羅里達(dá)戶外曝曬相當(dāng)?shù)耐繉邮顩r。與佛羅里達(dá)戶外曝曬試驗(yàn)相比，氙燈試驗(yàn)箱的輻照度、溫度、潮濕時(shí)間或液態(tài)水侵蝕強(qiáng)度都有所增加，這被認(rèn)為是進(jìn)行加速測(cè)試。如果試圖改進(jìn)加速測(cè)試方案，則這些變量都可以進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，以提高氙燈老化試驗(yàn)與實(shí)際條件的相關(guān)性。

也有人認(rèn)為，在加速老化設(shè)備中試圖再現(xiàn)實(shí)際條件下的潛在失效是沒有意義的，因?yàn)槿魏问袌?chǎng)區(qū)域(例如北美)的氣候變化范圍是非常大的。由于氣候的差異性，在一個(gè)地區(qū)觀測(cè)到的潛在失效在其他地區(qū)或許無(wú)法觀測(cè)到。另外，任何地區(qū)的氣候每年都會(huì)發(fā)生變化(比如在佛羅里達(dá)南部，每年的氣候變化是很明顯的)，所以在加速設(shè)備里再現(xiàn)所有相關(guān)環(huán)境的變化因素是不可能和徒勞的。近年來的氣候數(shù)據(jù)為用實(shí)驗(yàn)室加速老化設(shè)備再現(xiàn)實(shí)際條件下的曝曬提供了支持，在很好地控制實(shí)驗(yàn)室曝曬條件的前提下，考察涂層體系基本性能變化的研究取得了重大進(jìn)展。可以將從這些曝曬試驗(yàn)中獲得的結(jié)果應(yīng)用到這些涂層體系在不同曝曬條件下的性能統(tǒng)計(jì)預(yù)測(cè)中，實(shí)驗(yàn)室加速老化方法顯示出預(yù)測(cè)涂層體系在自然曝曬條件下的使用壽命的前景，但前提是要求有龐大的數(shù)據(jù)做支撐，而現(xiàn)代添加了穩(wěn)定劑的高耐候涂層體系在不同系列環(huán)境中的曝曬情況仍需驗(yàn)證。

對(duì)于具有實(shí)際測(cè)試經(jīng)驗(yàn)的涂料技術(shù)人員來說，短期內(nèi)最大的愿望是，通過仔細(xì)檢查和改善影響測(cè)試精確性和加速因素的測(cè)試條件，來改進(jìn)現(xiàn)有的加速測(cè)試方法。以前的工作結(jié)果顯示，加速測(cè)試設(shè)備中光源的光譜功率分布對(duì)加速測(cè)試結(jié)果的精確性有極大的影響。Gerlock et al已經(jīng)指出，只有那些使用了能精確再現(xiàn)地面太陽(yáng)光紫外波段光譜光源的試驗(yàn)，才能使涂層發(fā)生的化學(xué)成分變化與戶外曝曬的相同。最近，一種新的氙燈老化設(shè)備光學(xué)過濾器投入市場(chǎng)，該光學(xué)過濾器能精確模擬太陽(yáng)光的光譜功率分布，使用這種光學(xué)過濾器后涂層發(fā)生的化學(xué)變化精確地再現(xiàn)了涂層經(jīng)戶外曝曬后發(fā)生的變化。

先不考慮曝曬因素的可變性，精確的加速測(cè)試必須能再現(xiàn)涂層在戶外曝曬過程中能觀測(cè)到的化學(xué)變化，大量的分析和研究已開發(fā)出多種方法來檢測(cè)這些化學(xué)成分的變化。這些方法比涂料行業(yè)常用的標(biāo)準(zhǔn)光澤測(cè)量有了很大進(jìn)步，光澤測(cè)量被證實(shí)不能充分描述底漆和面漆體系的長(zhǎng)期老化性能。我們希望加速測(cè)試應(yīng)該不僅能夠再現(xiàn)涂層發(fā)生的化學(xué)變化，而且還可以再現(xiàn)涂層在戶外曝曬過程中能觀測(cè)到的物理失效(開裂、起泡、分層、失去光澤和顏色變化等)。

除光源之外，其他必須被精確再現(xiàn)的主要環(huán)境變化參數(shù)是溫度和濕度。溫度的作用被認(rèn)為是主要產(chǎn)生熱應(yīng)力以及影響老化過程中發(fā)生的化學(xué)變化的速度。

以前的工作結(jié)果已經(jīng)證明了在涂層老化過程中水的作用的多樣性。首先，水可以塑化涂層，并因此改變涂層的力學(xué)性能。第二，這種塑化作用可以增加存在于涂層結(jié)合鏈中的小分子的活性，而這些小分子對(duì)涂層體系是有害的。第三，由于多層油漆體系中的基底和每層涂層具有不同的收縮率，從而影響曝曬結(jié)果。第四，涂層失去光澤是因?yàn)橥繉颖砻娼?jīng)過戶外(雨水)或加速測(cè)試中(水噴淋)的液態(tài)水沖洗后，已降解的材料脫落所導(dǎo)致的。最后，水的存在導(dǎo)致涂層的水解，油漆是容易產(chǎn)生此類老化的涂層體系。

為了探究水在加速老化測(cè)試中的作用，保證水的類型(濕度或液態(tài)水)和水侵蝕時(shí)間必須與戶外規(guī)定地點(diǎn)的水的類型和水侵蝕時(shí)間相一致，本文報(bào)道了油漆樣品在佛羅里達(dá)及其他地區(qū)的戶外曝曬條件中的水的量和類型的細(xì)節(jié)分析，還介紹了油漆樣品在執(zhí)行SAE J2527測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)的老化設(shè)備中曝曬時(shí)的水噴淋量，并將這些結(jié)果進(jìn)行相互比較，得出不同油漆體系的最大理論用水量，從數(shù)據(jù)中可以分析出使用不同老化設(shè)備對(duì)油漆樣品進(jìn)行測(cè)試時(shí)的用水量是不同的。我們得出的帶有建議性的結(jié)論是，通過改進(jìn)加速老化的測(cè)試條件，可以在較短時(shí)間內(nèi)提供更精確的結(jié)果。

2 試驗(yàn)

2.1 材料

這項(xiàng)研究使用的油漆體系是標(biāo)準(zhǔn)的汽車油漆體系;基底是冷軋鋼，所有的試板都經(jīng)過磷酸鋅預(yù)處理，并被涂上陰極電泳漆;然后試板被噴上水性聚酯纖維底漆，面漆體系是水性底漆和高純水性清漆。所有試板制備過程中的每一涂層都遵守標(biāo)準(zhǔn)工藝流程。

2.2 測(cè)試方法

2.2.1 戶外老化

所有試板都在佛羅里達(dá)南部進(jìn)行戶外自然老化曝曬。依據(jù)SAE J1976要求，試板都朝南、與水平面成 5°放置。

2.2.2 加速老化

把試板曝曬在兩種設(shè)備里進(jìn)行加速老化對(duì)比測(cè)試，一種是轉(zhuǎn)鼓式加速試驗(yàn)箱(Ci5000，Atlas公司制造)，另一種是平板式試驗(yàn)箱(Q-Sun Xe-3- HS，Q-Lab公司制造)，兩種試驗(yàn)箱都按照SAE J2527標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行加速老化測(cè)試。

2.2.3 水的收集

噴淋到試板上的水量是通過一系列方法來測(cè)量的。其中一種方法是通過噴嘴附近的杯子來測(cè)量從設(shè)備噴嘴里噴淋出的水量——在規(guī)定時(shí)間內(nèi)收集水，然后測(cè)量其數(shù)量。在試驗(yàn)開始前，噴嘴要經(jīng)過檢查和清理。

通過在轉(zhuǎn)鼓設(shè)備中的樣品架底部安裝1個(gè)杯子來測(cè)量噴淋到單塊試板上的水量，噴淋到試板上的水沿著試板滴落到杯子里，一定時(shí)間后，測(cè)量杯子中的水量。平板式試驗(yàn)箱里安裝了經(jīng)過改良的、可以安裝35個(gè)杯子的樣品架(見圖1)，該樣品架能夠在噴淋循環(huán)中收集水，然后測(cè)量每個(gè)杯子里的水量。這個(gè)方法不僅可以測(cè)量任何一次噴淋循環(huán)的水量，而且可以測(cè)試噴淋水量的均勻性。

圖1 平板式加速老化試驗(yàn)箱中的水收集裝置

另外一種測(cè)量噴淋到試板上的水量的方法是使用海綿來吸附試板區(qū)域的水。在這個(gè)試驗(yàn)里，1塊合成纖維的海綿(脯氨酸，專業(yè)纖維清潔海綿，型號(hào) K-10P)被切割成與試板同樣的尺寸(75 mm×150 mm)，然后將海綿浸濕，擠掉多余的水分;將海綿稱重，放置在試板支架上;一定時(shí)間后，拿開海綿，重新稱重來估算噴淋到試板區(qū)域的水量。

2.2.4 戶外水侵蝕

曝露在戶外的試板受到水侵蝕，可以通過定制的裝置來測(cè)量試板上凝結(jié)的水量，這種裝置為水平曝露在佛羅里達(dá)的杰克遜威爾的油漆試板提供實(shí)時(shí)的質(zhì)量數(shù)據(jù)，這一方法的詳細(xì)描述已在其他雜志上發(fā)表  。簡(jiǎn)而言之，采用1塊附帶電子稱重元件的油漆試板可以測(cè)量試板的質(zhì)量及任何由水引起的額外質(zhì)量，水有可能停留在試板表面，也可能被油漆系統(tǒng)吸收。每5 min測(cè)量1次樣品的質(zhì)量并記錄在電腦中。這種裝置必須進(jìn)行周期性校準(zhǔn)，測(cè)量時(shí)要避免因鳥停留在試板上而對(duì)數(shù)據(jù)產(chǎn)生干擾。使用這一裝置，油漆試板的質(zhì)量可以在某段時(shí)間內(nèi)被連續(xù)記錄，而且雨水和露水很容易被區(qū)別開來。另外，同一位置的溫度、濕度、太陽(yáng)輻照量和風(fēng)力也同時(shí)被記錄下來。

2.2.5 試板評(píng)估

使用光澤計(jì)(BYK 公司的micro TRI-gloss)測(cè)量選定試板的光澤度。

2.2.6 吸水性

用分析天平稱量試板在水侵蝕前、后的質(zhì)量，經(jīng)計(jì)算得到吸水的百分率。吸水率的計(jì)算公式如下。

式中， m 1 為試板經(jīng)水侵蝕前的質(zhì)量，g;。

m 2 為試板經(jīng) 水侵蝕后的質(zhì)量，g;。

ρ 1 為水的密度，g/cm 3 ;。

V 為涂層的體積，cm 3 。

圖2 佛羅里達(dá)測(cè)量水侵蝕的試驗(yàn)場(chǎng)(注意在樣品架旁邊是氣象站)。

圖3 用于水侵蝕研究的帶有稱重裝置的油漆試板(稱重裝置在水平油漆試板的下面)。

3 結(jié)果與討論。

3.1 自然曝曬條件。

為了解水對(duì)涂層的侵蝕作用需要進(jìn)行加速測(cè)試。首先必須確定油漆體系在自然老化中承受的水侵蝕的量。一般地，曝曬地區(qū)僅有每月或每年的降雨量數(shù)據(jù)，但僅有這個(gè)數(shù)據(jù)還不充分，為了準(zhǔn)確模擬自然環(huán)境中的干/濕循環(huán)，必須測(cè)量試板在自然曝曬過程中每日的潮濕狀態(tài)。最后，于2004年在佛羅里達(dá)的杰克遜維爾設(shè)立了氣象站(見圖2和圖3)。有多種刊物已經(jīng)描述、概括了氣象站的測(cè)量能力，包括稱重裝置更具體的測(cè)量水的功能和水對(duì)涂層的作用。在杰克遜維爾氣象站獲取的數(shù)據(jù)用于建立一種佛羅里達(dá)的杰克遜維爾的濕度模型，以評(píng)估從杰克遜維爾氣象站獲取的數(shù)據(jù)和從佛羅里達(dá)南部試驗(yàn)場(chǎng)獲取的傳統(tǒng)數(shù)據(jù)。可以假設(shè)：杰克遜維爾地區(qū)的水模型與佛羅里達(dá)南部的水模型相似。也就是說，杰克遜維爾的降雨量與佛羅里達(dá)南部的降雨情況相似，可以將杰克遜維爾的降雨情況用于佛羅里達(dá)南部地區(qū)。為了驗(yàn)證這個(gè)假設(shè)，將過去用于收集杰克遜維爾的數(shù)據(jù)的裝置安裝在佛羅里達(dá)的Homestead，人們能夠理解每年氣候類型的變化會(huì)使這個(gè)假設(shè)變得不可信，當(dāng)更精確、更長(zhǎng)期的氣候數(shù)據(jù)產(chǎn)生后，這個(gè)模型可被改良而用于不同場(chǎng)所。水模型能夠精確地描述水侵蝕情況，包括露水和降水的實(shí)際數(shù)量或體積。簡(jiǎn)單的潮濕時(shí)間數(shù)據(jù)不能夠區(qū)別輕的露水和大的降雨，因?yàn)橥繉芋w系達(dá)到水飽和有時(shí)間要求，所以能夠區(qū)別露水和降雨非常關(guān)鍵。

為了用公式表示曝曬在佛羅里達(dá)的試板的潮濕時(shí)間或類型的精確模型，需要4年以上的相關(guān)數(shù)據(jù)，以減弱降雨量和溫度的年度差別。模型中的可變因素包括：環(huán)境溫度、試板溫度、該地區(qū)或曝曬場(chǎng)的露點(diǎn)、風(fēng)速、降雨量和太陽(yáng)輻照量。下列參數(shù)已被確定。

a停留在測(cè)試板上的最大水量。

b露點(diǎn)和試板溫度與露水lowest形成速率和露水最高形成速率之間的關(guān)系。

c水的風(fēng)蒸發(fā)速率。

d水的太陽(yáng)輻射蒸發(fā)速率。

這個(gè)模型的復(fù)雜之處不在于它的數(shù)學(xué)部分，而在于評(píng)估水侵蝕之前對(duì)環(huán)境條件進(jìn)行合理的設(shè)置，因此應(yīng)該使用更加直接、易懂的運(yùn)算公式來表述這個(gè)模型。以下的簡(jiǎn)單邏輯表述將有助于預(yù)測(cè)停留在測(cè)試板上的水量。

a降雨時(shí)的停留水量被設(shè)置為最大。

b如果試板溫度低于最高露點(diǎn)或高于lowest露點(diǎn)時(shí)，應(yīng)使水量增加以達(dá)到最大量。

c如果風(fēng)速高于蒸發(fā)風(fēng)速極限值，累積的停留水量將作相應(yīng)減除。

d如果太陽(yáng)輻射高于太陽(yáng)輻射設(shè)定值，累積的停留水量將作相應(yīng)減除。

e如果試板溫度高于40 ℃，累積的停留水量將設(shè)置到零。

運(yùn)用上述法則，預(yù)測(cè)的累積停留水量十分接近被測(cè)試板上的實(shí)際水量。通過氣候統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)來確定上面表述中的設(shè)定值。數(shù)學(xué)方程式如下：

總水量=∑總時(shí)間(試板水量)

試板水量=降雨量+露水-風(fēng)蒸發(fā)量-太陽(yáng)蒸發(fā)量

a降雨量：如果降雨量能被雨量器觀測(cè)到，將試板水量設(shè)置為70 g。

b露水：如果試板溫度低于露點(diǎn)，依據(jù)溫度分布，露水常數(shù)被設(shè)置為0005 g的露水低點(diǎn)或02 g的露水高點(diǎn)(通過溫度分布(高、低空氣溫度差)來確定高點(diǎn)和低點(diǎn))，用于疊加到試板水量。

c風(fēng)蒸發(fā)量：如果風(fēng)速高于設(shè)定值，同時(shí)還存在試板水量，那么將從試板水量中減掉一個(gè)常數(shù)。水的風(fēng)蒸發(fā)量設(shè)定為10 g。

d太陽(yáng)蒸發(fā)量：如果太陽(yáng)輻射強(qiáng)度高于設(shè)定值，同時(shí)還存在試板水量，將從試板水量中減掉015 g。這一水侵蝕模型在加速老化測(cè)試中檢測(cè)水侵蝕的量是有效的。需要特別指出的是，必須注意模型的特殊性。首先，該模型僅詳細(xì)描述了在美國(guó)佛羅里達(dá)的某些地區(qū)所進(jìn)行的曝曬條件;第2，不同的油漆體系對(duì)水侵蝕的反應(yīng)是非常不同的，例如水性涂層顯然要比溶劑涂層吸收更多的水;第3，涂層的表面狀態(tài)或老化程度會(huì)影響涂層的吸水量。

3.2 加速老化

對(duì)自然曝曬條件下的水侵蝕進(jìn)行精確的描述后，就可以開始設(shè)計(jì)加速測(cè)試中的水侵蝕方案了。在設(shè)計(jì)一套具體的水侵蝕方案時(shí)，一定要協(xié)調(diào)好加速老化與水侵蝕之間的矛盾。佛羅里達(dá)戶外曝曬數(shù)據(jù)清楚地顯示：水飽和時(shí)間要求超過1 h。然而加速測(cè)試中長(zhǎng)時(shí)間的水循環(huán)要求關(guān)閉光源，于是以輻照量確定的老化時(shí)間將被延長(zhǎng)。因此要協(xié)調(diào)好這兩個(gè)因素，從而實(shí)現(xiàn)既精確又有效的加速測(cè)試。

任何新的加速老化測(cè)試的目標(biāo)都是符合新的 SAE J2527的測(cè)試要求。這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)是不定設(shè)備的，轉(zhuǎn)鼓式測(cè)試設(shè)備或平板式測(cè)試設(shè)備均可以使用，只要它們符合合適的控制條件而且測(cè)試的重復(fù)性好。表1的數(shù)據(jù)顯示，在相同條件(6 h、50 ℃)下正常運(yùn)行時(shí)，任何類型的老化設(shè)備都可以達(dá)到相似的噴淋量。之前的工作已經(jīng)證明了當(dāng)執(zhí)行SAEJ2527時(shí)，與轉(zhuǎn)鼓式設(shè)備相比，平板式設(shè)備可以給樣品提供更多的水。為了模擬轉(zhuǎn)鼓式噴淋體系的結(jié)果，平板式測(cè)試設(shè)備在1個(gè)噴淋循環(huán)中，水噴淋體系運(yùn)行5 s、關(guān)閉55 s，大體上提供最大供水量的1/12 。而且加速試驗(yàn)中水侵蝕試驗(yàn)的結(jié)果與水模型的預(yù)測(cè)值一致，模型的建立以實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行的試驗(yàn)和佛羅里達(dá)實(shí)際吸水量的數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)。

如之前的報(bào)告所述，典型的汽車外飾件涂層的加速測(cè)試(SAE J2527)的吸水量比佛羅里達(dá)南部夏天濕潤(rùn)天氣條件的吸水量少5倍。溶劑底漆/清漆體系(SBBC/SBCC)的吸水性（如圖4）所示，無(wú)論是在黑暗或光照條件下的噴淋都達(dá)不到與經(jīng)過額外的(16 h， 75 F(約24 ℃))水浸泡或16 h的QCT潮濕測(cè)試后相同的吸水率水平。

圖4 溶劑底漆/清漆體系(SBBC/SBCC)的吸水性

以佛羅里達(dá)夏天的水?dāng)?shù)據(jù)為基礎(chǔ)，與其他戶外曝曬地點(diǎn)一樣，可以嘗試對(duì)加速測(cè)試中的水循環(huán)進(jìn)行改進(jìn)以模擬佛羅里達(dá)的情況。在特定的測(cè)試場(chǎng)所，水侵蝕隨地點(diǎn)和小氣候條件的變化而有所變化是大家都知道的。例如，與佛羅里達(dá)南部相比，亞利桑那是明顯的干燥曝曬場(chǎng)所。有沒有可能在亞利桑那模擬與佛羅里達(dá)南部相似的水條件呢?之前的工作已經(jīng)證明，對(duì)相同的油漆體系而言，佛羅里達(dá)的老化條件將產(chǎn)生與亞利桑那*不同的化學(xué)變化和物理變化。已經(jīng)有假設(shè)是由于曝曬在兩個(gè)地點(diǎn)的油漆體系中液態(tài)水?dāng)?shù)量的不同而導(dǎo)致了一些差異，曝曬在佛羅里達(dá)的樣品趨向是更快地失去光澤，而老化的表面材料被雨水和露水沖走了;相比之下，曝曬在亞利桑那的樣品保持光澤的時(shí)間更長(zhǎng)，而老化的材料只被沖洗掉很少部分。曝曬在佛羅里達(dá)和亞利桑那的樣品的老化結(jié)果顯示：曝曬在亞利桑那的油漆體系的表面老化更多的是由于水分缺失造成的，這項(xiàng)工作還證明在水里浸潤(rùn)過夜的試板在亞利桑那可以產(chǎn)生接近于佛羅里達(dá)模型(光澤缺失和化學(xué)成分變化)的加速戶外曝曬的效果。這樣，額外的水浸潤(rùn)能夠使亞利桑那曝曬更像佛羅里達(dá)曝曬。

鑒于之前提到的水侵蝕和加速之間的平衡問題，嚴(yán)格地說，試圖在加速老化設(shè)備中完成佛羅里達(dá)模型圖7 經(jīng)不同的水侵蝕處理后，SBBC/SBCC 油漆體系的吸水量的水侵蝕更具挑戰(zhàn)性。為實(shí)施正確的水侵蝕而開始改變加速循環(huán)時(shí)會(huì)出現(xiàn)很多問題，例如如何定義目標(biāo)吸水性、如何控制和供應(yīng)設(shè)備的噴淋水、以及作為加速老化測(cè)試的一個(gè)常規(guī)項(xiàng)目如何來校準(zhǔn)噴淋水量。 SBBC/SBCC油漆體系中的底漆和清漆的吸水性（如圖5） 所示，水被吸收的體積在黑暗噴淋循環(huán)時(shí)是隨噴淋時(shí)間而不斷增加的，試驗(yàn)溫度和噴淋類型與SAE J2527 中描述的相同，只是噴淋時(shí)間增加了，被測(cè)涂層體系大約需要6 h可以達(dá)到戶外的吸水量。到目前為止，所有被檢測(cè)的涂層都要求1 h達(dá)到在佛羅里達(dá)曝曬中呈現(xiàn)的飽和狀態(tài)。采用6 h黑暗噴淋循環(huán)，另外一種油漆體系(HSBC清漆體系)在轉(zhuǎn)鼓式設(shè)備和平板式設(shè)備中測(cè)試，并與佛羅里達(dá)南部夏季期間的測(cè)試數(shù)據(jù)比較(見圖6)，無(wú)論是平板式還是轉(zhuǎn)鼓式設(shè)備都能在佛羅里達(dá)曝曬期間完成比最大值更高的吸水量。

圖5在轉(zhuǎn)鼓式加速老化設(shè)備里，SBBC/SBCC油漆體系的吸水量與水侵蝕時(shí)間之間的關(guān)系

圖6在轉(zhuǎn)鼓式和平板式加速老化設(shè)備里，HSBC清漆體系經(jīng)6 h水侵蝕后的吸水量

這個(gè)結(jié)果是異常的，可能是由于SBBC/SBCC這種特殊涂層體系對(duì)溫度或表面張力作用的敏感性造成的。在轉(zhuǎn)鼓式設(shè)備里更高的吸水性也與之前顯示的在平板式設(shè)備里更高的吸水性數(shù)據(jù)相反，這可能是由于在平板式設(shè)備里減少了設(shè)定的水噴淋量(以達(dá)到轉(zhuǎn)鼓式里的水噴淋量，轉(zhuǎn)鼓式設(shè)備里噴淋到轉(zhuǎn)鼓上的水量無(wú)法調(diào)節(jié))造成的。

在證明了加速老化設(shè)備能夠向油漆體系噴淋足夠的水后，試驗(yàn)的重復(fù)性和受控的問題被提出來了，因此產(chǎn)生了許多關(guān)于在加速老化設(shè)備里測(cè)量和定量水量的最新想法。使用圖1的轉(zhuǎn)鼓式試驗(yàn)箱，在黑暗噴淋循環(huán)5 min后測(cè)量由噴嘴噴淋的水量，結(jié)果如表2 所示。測(cè)試結(jié)果全部來源于同一實(shí)驗(yàn)室里兩臺(tái)不同轉(zhuǎn)鼓式設(shè)備的實(shí)際測(cè)試。已經(jīng)證實(shí)，不同試驗(yàn)室會(huì)因?yàn)楣┧畻l件和加速老化設(shè)備的不同而產(chǎn)生不同的噴水量  。即使能夠確保特定機(jī)器噴嘴噴淋的水量不變，但也不能保證噴淋到涂層表面的特定水量是固定的，因?yàn)閲娮炜赡車娏懿痪鶆蚧蛳驒C(jī)器四壁噴水。

噴淋到試板的水量可以用試板底部附帶的杯子測(cè)量。經(jīng)5 min的黑暗噴淋循環(huán)后，測(cè)量和記錄在圖1的轉(zhuǎn)鼓式試驗(yàn)箱不同位置收集的水量。從這個(gè)測(cè)試得到的結(jié)果并不一致，而且不能代表實(shí)際噴淋到試板表面的水量。

平板式設(shè)備所使用的收集系統(tǒng)顯示了較強(qiáng)的一致性，對(duì)確定和調(diào)整噴嘴噴淋的均勻性也很有效，在黑暗噴淋循環(huán)的5 min期間收集水并測(cè)量(結(jié)果見表3)，而這更接近水控制所需要的。由于杯子間存在間隙使得噴淋到該處的水沒有被測(cè)量到，因此這個(gè)方法不適用于垂直曝曬設(shè)備(比如轉(zhuǎn)鼓式設(shè)備)。

海綿方法提供了最易重復(fù)和一致的測(cè)量噴淋到試板表面的水量的方法。在5 min黑暗噴淋循環(huán)期間，在轉(zhuǎn)鼓式老化設(shè)備的不同位置進(jìn)行測(cè)試，得到的測(cè)試數(shù)據(jù)(見表4)確實(shí)隨著測(cè)試位置的不同而有所差異，這證明了設(shè)備內(nèi)部水噴淋的不均勻性，用平板式設(shè)備所進(jìn)行的測(cè)試中也有類似的報(bào)告。然而，考慮到平板設(shè)備和轉(zhuǎn)鼓設(shè)備都可以做到樣品的輪換，那么水噴淋不均勻性的影響將會(huì)被減小到較低的水平。這就是說，轉(zhuǎn)鼓式設(shè)備里的樣品需要在轉(zhuǎn)鼓頂部、中部和底部之間進(jìn)行輪換，以進(jìn)行均勻的水侵蝕和光曝曬。表4顯示了使用海綿方法測(cè)量轉(zhuǎn)鼓設(shè)備的水量獲得數(shù)據(jù)的一致性，表5顯示的是使用與表4相同的測(cè)試程序的平板式設(shè)備得到的水量的一致性。一個(gè)新的測(cè)試方法的想法是，使用由定指制造商提供的特定的海綿做水噴淋量的校準(zhǔn)，海綿測(cè)試要求在平板加速老化設(shè)備和轉(zhuǎn)鼓加速老化設(shè)備的不同位置來測(cè)試最小水量和平均的水量。

這項(xiàng)工作的目的是要找到與涂層老化相一致的結(jié)論，使加速測(cè)試再現(xiàn)與戶外相同的失效。為了達(dá)到這個(gè)目標(biāo)，需要提供有證明文件的涂層體系在戶外曝曬的已知?dú)v史數(shù)據(jù)，而且這些涂層體系需要在新的加速測(cè)試中再進(jìn)行測(cè)試。這些涂層體系的失效必須包含所有已知的涂層失效模型，如失去光澤、腐蝕和不同涂層界面之間的分層、起泡、潮濕變白及多種類型的開裂老化(見圖7)，開裂和不開裂的涂層體系已經(jīng)在圖7中標(biāo)明。開裂的原因已經(jīng)確定是殘余應(yīng)力和光致氧化作用導(dǎo)致了涂層的脆性，由于濕熱壓力而引起開裂，水也會(huì)導(dǎo)致涂層起泡(見圖8)。在這種老化模式中，涂層體系吸水引起涂層起泡。因?yàn)樵黾恿怂治g的強(qiáng)度，使底漆層中的水泡變大，清漆在哪個(gè)點(diǎn)被頂開，哪里就會(huì)出現(xiàn)開裂。

圖7 在佛羅里達(dá)南部暴曬后，開裂和未開裂的涂層樣品   

圖8 曝曬在佛羅里達(dá)南部的油漆試板上的水泡

未來我們將報(bào)告一系列測(cè)試項(xiàng)目的結(jié)果，在這些測(cè)試?yán)?，使?種不同的加速老化方法對(duì)大量已知老化性能的油漆體系進(jìn)行測(cè)試。其中的3種方法已經(jīng)根據(jù)J2527標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了修改，以強(qiáng)化水侵蝕條件，本文中的結(jié)果被用于設(shè)定加速老化條件和設(shè)備控制參數(shù)。被測(cè)油漆體系代表了很多不同的涂料體系，由于對(duì)不同方式的加速老化有所反應(yīng)而被熟知。同時(shí)，這些涂層體系被曝曬在佛羅里達(dá)戶外，以確認(rèn)這些涂層體系已知的長(zhǎng)效老化表現(xiàn)，這項(xiàng)研究結(jié)果應(yīng)該已經(jīng)清楚地提供了汽車涂料體系的新的加速老化測(cè)試方法。之后的方法將提供最小要求的水侵蝕，以期在一個(gè)新的測(cè)試循環(huán)中能得到最大加速且產(chǎn)生合適的涂層失效。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過仔細(xì)觀察佛羅里達(dá)戶外曝曬過程中和標(biāo)準(zhǔn)加速老化設(shè)備測(cè)試過程中的水侵蝕情況，使得了解水及其對(duì)汽車涂層老化的影響有了重大進(jìn)展。新方法已經(jīng)被確定用來測(cè)量戶外曝曬及加速老化設(shè)備測(cè)試中的水量。這些方法顯示，在與佛羅里達(dá)戶外水侵蝕進(jìn)行比較時(shí)，不同的加速老化設(shè)備和測(cè)試方法會(huì)產(chǎn)生不同量的水侵蝕。既與佛羅里達(dá)戶外水侵蝕相符，又要保持足夠的加速是很困難的，因?yàn)榇蟛糠滞繉芋w系達(dá)到*飽和需要很長(zhǎng)的黑暗噴淋循環(huán)時(shí)間。