汽車油漆涂層耐候性分析及紫外加速老化試驗方法

1、 -汽車油漆涂層耐候性分析及紫外加速老化試驗方法 【摘要】 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。 【關(guān)鍵詞】 紫外加速老化，耐候性，汽車油漆涂層，QUV，涂層老化 The analysis of the weather resistance of automobile coating and the method of UV accelerated weat

2、hering test Abstract : Sunlight, high temperature and humidification are the main causes of automobile coating dulling, fading,yellowing and chalking. UV accelerated weathering test can simulate the damaging effects of coating at the short wavelength ultraviolet light, recur outdoor damaging of few

3、months or years just in a few days or weeks. This paper mainly introduces the causes of automobile coating aging and uses UV accelerated weathering test to validate the weather resistance of automobile coating. Key Words: UV accelerated aging, weather resistance, automobile coating, QUV, aging 1 引 言

4、 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(guān)。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(chǎn)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

5、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(yīng)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(yīng)。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 1 破壞化學鍵。 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(yīng)閾值波長范圍231376nm（常見涂料用樹

6、脂的敏感波長見表1）。此波長對應(yīng)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 C-C（芳香族） C-H（乙炔） C-H（乙烯） C-H（芳香族） C-H（甲烷） O-H（甲醇） O-H（乙醇） C-H（乙烷） 鍵能/4148Jmol 124 121 106 103 102 100 100 99 -1 波長/nm 231 236 27 278 280 286 286 289 化學鍵 C-O（乙醇） C-O（甲醇） C-C（乙烷） C-Cl（氯甲烷） C-C（丙烷） C-Cl（氯乙烷） C-O（甲醚） 鍵能/4148Jmol 92 89 84 84 83 81 76 -1 波長

7、/nm 311 321 340 340 345 353 376 2.2 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(yīng)，但卻影響次要的化學反應(yīng)。實驗室老化測試必須提供 1 精確的溫度控制，通?？赏ㄟ^升溫的方法來加速老化過程。 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 2 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 1 濕吸收。 3 紫外加速老化試驗 3.1 試驗

8、條件 本試驗采用美國Q-Lab公司生產(chǎn)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(nèi)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(diào)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(nèi)，能模擬在室外幾個月甚至幾年所造成的損害。 室內(nèi)空氣冷卻 UV紫外燈 測試樣品 測試樣品 蒸汽 測

9、試室翻蓋門 氧氣排氣口 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(chǎn)生蒸汽，熱蒸汽使測試室內(nèi)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(cè)壁，樣品的另一面暴露在室內(nèi)周圍的空氣中。室內(nèi)相對較冷的空氣使得測試樣品的表面比測試室內(nèi)熱蒸汽的溫度低好幾度，溫度差產(chǎn)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(jié)（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(jié)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

10、用于耐候性驗證的涂料信息見表2。 表2 涂料信息 3 編號 1 2 3 4 5 6 7 顏色名稱 公爵黑 單色黑 珠海藍 印紅 星辰白 婚紗白 單色白 供應(yīng)商 A涂料公司 A涂料公司 A涂料公司 A涂料公司 A涂料公司 A涂料公司 A涂料公司 編號 8 9 10 11 12 13 14 顏色名稱 公爵黑 單色黑 珠海藍 印紅 星辰白 婚紗白 單色白 供應(yīng)商 B涂料公司 B涂料公司 B涂料公司 B涂料公司 B涂料公司 B涂料公司 B涂料公司 3.3 試驗過程 QUV老化試驗參數(shù)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 1 2 3 4

11、 項目 燈管類型 輻照度 波長 曝露周期 條件 UVA-340 0.89W/m/nm 340nm 8h輻照，黑板溫度60；4h冷凝，黑板溫度50 2 2 3.4 試驗結(jié)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。 4 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

12、。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(chǎn)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

13、7、L值變化見圖6、E值變化見圖9。 5 圖7 b值變化 圖8 L值變化 圖 圖10 附著力變化 9 E值變化 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(yīng)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。 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(jié)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(yù)知有問題的涂料，減少