摘要：本文介紹了粉末噴涂鋁型材老化測試的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀及測試方法，重點(diǎn)研究了三種實(shí)驗(yàn)室加速耐候老化測試UVA、UVB和Q-Sun與佛羅里達(dá)戶外測試之間的比較。試驗(yàn)樣品為6種不同的粉末噴涂鋁板，采用UVA、UVB、Q-Sun及在佛羅里達(dá)分別測試了樣品的光澤及顏色變化，并研究了在UVA、UVB或Q-Sun中測試多長時(shí)間樣品發(fā)生的光澤變化或顏色變化相當(dāng)于在佛羅里達(dá)戶外曝曬1年的效果。而且，我們還研究了三種加速老化試驗(yàn)方法與佛羅里達(dá)戶外曝曬結(jié)果之間的相關(guān)系數(shù)。

關(guān)鍵詞：老化　測試　UVA　 UVB  Q-Sun　佛羅里達(dá) 鋁型材

1．引言

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)第一大國。與其他材料一樣，當(dāng)鋁合金建筑型材處在大氣條件下，受到光照、溫度、潮濕等因素的侵蝕，會(huì)產(chǎn)生褪色、粉化、開裂、起浮泡、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(gè)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(shí)驗(yàn)室加速測試兩種方法。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，國際上通常作為基準(zhǔn)曝曬地點(diǎn)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。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^[1],國際上常用的戶外曝曬標(biāo)準(zhǔn)有歐洲Qualicoat第10版^[2]、美國建筑制造業(yè)協(xié)會(huì)AAMA2603-02^[3]、AAMA2604-02^[4]、AAMA2605-02^[5]、英國BS6496^[6]等。盡管戶外曝曬測試有很多優(yōu)點(diǎn)：實(shí)際，便宜，易于操作，然而大部分制造商不愿意等上幾年的時(shí)間來觀察一種新的改良的產(chǎn)品設(shè)計(jì)是否確實(shí)得到改進(jìn)，所以有必要進(jìn)行實(shí)驗(yàn)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(UV)和氙燈(Q-Sun)兩種，其中紫外又分為UVA和UVB。本文實(shí)驗(yàn)?zāi)康木褪潜容^UVA、UVB、Q-Sun三種實(shí)驗(yàn)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，并通過觀察實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及數(shù)學(xué)計(jì)算，找到三種加速老化試驗(yàn)方法最接近佛羅里達(dá)戶外曝曬效果的時(shí)間，也就是回答人們通常比較關(guān)心的一個(gè)問題——在UVA、UVB或Q-Sun中測試多長時(shí)間樣品發(fā)生的光澤變化或顏色變化相當(dāng)于在佛羅里達(dá)戶外曝曬1年的效果。除此之外，我們還計(jì)算三種加速老化試驗(yàn)方法與佛羅里達(dá)戶外曝曬結(jié)果之間的相關(guān)系數(shù)。

2. 實(shí)驗(yàn)室加速老化原理及我們采用的三種加速測試方法

氙燈和紫外這兩種檢測設(shè)備的測試原理完全不同，氙燈試驗(yàn)箱模擬太陽光的所有光譜，包括紫外線（UV），可見光和紅外線（IR）。氙燈光譜在295nm到800nm范圍內(nèi)基本上與太陽光光譜相吻合。而QUV不能模擬全光譜太陽光。它基于的原理是，對曝曬在戶外的經(jīng)久耐用的材料，紫外線的短波段300~400 nm是引起老化損害的最主要的原因。氙燈和紫外兩種加速耐候老化測試方法的側(cè)重點(diǎn)不同，一般選擇QUV模擬材料的物理性能老化，Q-Sun氙燈模擬顏色老化。

利用Q-Lab公司的QUV紫外和Q-Sun氙燈兩種測試設(shè)備對阿克蘇·諾貝爾粉末涂料（寧波）有限公司提供的6種粉末噴涂鋁板進(jìn)行了測試。這6種鋁板分別編號為A、B、C、D、E、F。具體地，我們進(jìn)行三種實(shí)驗(yàn)室加速老化測試，分別是UVA、UVB和Q-Sun，三種測試的具體標(biāo)準(zhǔn)如表1、2、3所示。

表1 UVA測試程序

表2 UVB測試程序

表3 Q-Sun測試程序

3. 三種加速測試方法的結(jié)果與在佛羅里達(dá)測試結(jié)果之間的比較

利用UVA、UVB、Q-Sun和在佛羅里達(dá)均測試了6種粉末噴涂鋁板樣品的光澤、顏色變化及浮泡、粉化、開裂、裂縫等情況。為了得到加速老化測試與佛羅里達(dá)戶外曝曬實(shí)驗(yàn)結(jié)果之間的關(guān)系，也就是通常人們比較關(guān)心的一個(gè)問題——在UVA、UVB或Q-Sun中測試多長時(shí)間相當(dāng)于在佛羅里達(dá)戶外曝曬1年的效果，我們不但對比觀察實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，而且做了相關(guān)的數(shù)學(xué)計(jì)算，具體過程如下：

我們假設(shè)在三種加速測試方法中測試t小時(shí)最接近在佛羅里達(dá)戶外曝曬1年的效果，時(shí)間t對應(yīng)材料的變化與佛羅里達(dá)測試結(jié)果之間的差值為δ，然后求二次函數(shù)的最小值，最小值所對應(yīng)的t值就是我們所要求的較佳測試時(shí)間。

求出較佳測試時(shí)間，還要求幾種測試方法間的相關(guān)系數(shù)r_s (spearman’s correlation)，它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(shí)驗(yàn)結(jié)果之間的相關(guān)性。相關(guān)系數(shù)r_s的計(jì)算公式為：r_s=1-6∑d_i²/[n(n²-1)]，其中n指的是樣品的個(gè)數(shù)，d_i指的是兩列排序中每一組數(shù)據(jù)之間的差值。

3.1 UVA與佛羅里達(dá)測試結(jié)果之間的比較

光澤變化

對每個(gè)樣品，UVA均作用了1000小時(shí)，每200小時(shí)取一次數(shù)據(jù)，分別在200小時(shí)、400小時(shí)、600小時(shí)、800小時(shí)和1000小時(shí)，而在佛羅里達(dá)是對樣品測試了1年，每3個(gè)月取一次數(shù)據(jù)，分別在第3個(gè)月、第6個(gè)月、第9個(gè)月和第12個(gè)月。不管是在佛羅里達(dá)戶外曝曬，還是利用UVA進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室加速老化測試，樣品的光澤均發(fā)生退化。利用前面所述方法，我們對UVA測試和佛羅里達(dá)戶外曝曬結(jié)果進(jìn)行了計(jì)算，計(jì)算結(jié)果表明，二次函數(shù)取得最小值時(shí)所對應(yīng)的t值為400小時(shí)，這就說明在UVA中測試400小時(shí)樣品的光澤變化最接近在佛羅里達(dá)戶外曝曬1年的效果（如圖1所示）。

圖1 UVA 400小時(shí)與佛羅里達(dá)1年樣品保光率之間的比較

通過數(shù)據(jù)分析及數(shù)學(xué)計(jì)算，得出UVA與佛羅里達(dá)之間的相關(guān)系數(shù)如表4所示。從表中可知，利用UVA測試400小時(shí)與在佛羅里達(dá)測試1年之間的光澤退化相關(guān)系數(shù)為0.90。

表4 光澤退化時(shí)UVA與佛羅里達(dá)之間的相關(guān)系數(shù)

顏色變化

如同樣品的光澤會(huì)發(fā)生退化，經(jīng)過UVA測試或佛羅里達(dá)曝曬，樣品的顏色也會(huì)跟著發(fā)生變化。但是通過對比觀察實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，我們發(fā)現(xiàn)在測試顏色變化時(shí)UVA的結(jié)果不是很好，△E的值出現(xiàn)了明顯的下降現(xiàn)象（如圖2所示）。

  從以上數(shù)據(jù)分析可知，利用UVA進(jìn)行測試，樣品發(fā)生的光澤退化和顏色變化是不同的，利用UVA測試400小時(shí)與在佛羅里達(dá)測試1年之間的光澤退化相關(guān)系數(shù)為0.90，而UVA測試的顏色變化的結(jié)果不是很好。

3.2 UVB與佛羅里達(dá)測試結(jié)果之間的比較

光澤變化

對每個(gè)樣品，UVB分別在200h、250h、296h、318h、342h和384h對樣品進(jìn)行了測試，通過對比觀察實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及相關(guān)數(shù)學(xué)計(jì)算，得到利用UVB測試350小時(shí)最接近在佛羅里達(dá)戶外曝曬1年的效果（如圖3所示）。

圖3 UVB 350小時(shí)與佛羅里達(dá)1年樣品保光率之間的比較

UVB與佛羅里達(dá)之間的相關(guān)系數(shù)如表5所示。從表中可知，利用UVB測試350小時(shí)與在佛羅里達(dá)測試1年之間的光澤退化相關(guān)系數(shù)為0.99。

表5 光澤退化時(shí)UVB與佛羅里達(dá)之間的相關(guān)系數(shù)

顏色變化

經(jīng)過UVB測試樣品的顏色也會(huì)發(fā)生變化，但有幾個(gè)樣品△E的值相比佛羅里達(dá)的小很多，這就說明由于UVB的波長較短而且不能模擬全光譜太陽光，所以出現(xiàn)了光澤變化能與佛羅里達(dá)效果接近但顏色變化達(dá)不到佛羅里達(dá)測試結(jié)果的現(xiàn)象。

3.3 Q-Sun與佛羅里達(dá)測試結(jié)果之間的比較

光澤變化

對每個(gè)樣品，Q-Sun分別在174h、412h、600h和792h對樣品進(jìn)行了測試，通過對比觀察實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及相關(guān)數(shù)學(xué)計(jì)算，得到利用Q-Sun測試600小時(shí)最接近在佛羅里達(dá)戶外曝曬1年的效果（如圖4所示）。

圖4Q-Sun 600小時(shí)與佛羅里達(dá)1年樣品保光率之間的比較

Q-Sun與佛羅里達(dá)之間的相關(guān)系數(shù)如表6所示。從表中可知，利用Q-Sun測試600小時(shí)與在佛羅里達(dá)測試1年之間的光澤退化相關(guān)系數(shù)為0.99。

表6 光澤退化時(shí)Q-Sun與佛羅里達(dá)之間的相關(guān)系數(shù)

顏色變化

通過對比觀察實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及相關(guān)數(shù)學(xué)計(jì)算，，得知利用Q-Sun測試500小時(shí)最接近在佛羅里達(dá)戶外曝曬1年的效果（如圖5所示）

圖5測試顏色變化時(shí)Q-Sun 500h的結(jié)果

顏色變化時(shí)Q-Sun與佛羅里達(dá)之間的相關(guān)系數(shù)如表7所示。從表中可知，利用Q-Sun測試500小時(shí)與在佛羅里達(dá)測試1年之間的顏色變化相關(guān)系數(shù)為0.79。

表7 顏色變化時(shí)Q-Sun與佛羅里達(dá)之間的相關(guān)系數(shù)

4. 總結(jié)與建議

1.      積極開展粉末噴涂鋁型材的戶外老化測試，這是一項(xiàng)長期的工作，是實(shí)驗(yàn)室加速老化測試的基礎(chǔ)。

2.      通過對比試驗(yàn)得知，在光澤退化方面，利用UVA測試400小時(shí)、利用UVB測試350小時(shí)、利用Q-Sun測試600小時(shí)均接近于在佛羅里達(dá)戶外曝曬1年的效果，而且相關(guān)系數(shù)也都較高。不過，利用不同方法所得到的函數(shù)的最小值和較佳時(shí)間對應(yīng)的保光率的標(biāo)準(zhǔn)方差不同，其中UVB的均最小。因此我們建議利用UVB來測試材料的光澤變化。

3.      在顏色變化方面，QUV不如Q-Sun的測試結(jié)果好，所以我們建議采用Q-Sun來進(jìn)行測試。

4.      需要特別指出的是，文中利用求二次函數(shù)的最小值來求較佳時(shí)間的方法只是尋求在加速試驗(yàn)中測試多長時(shí)間最接近在佛羅里達(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，建議對較佳時(shí)間作一修正，即在所得時(shí)間的基礎(chǔ)上再乘以一個(gè)系數(shù)，這個(gè)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。

5.      由于測試過程中采用的測量儀器不同就會(huì)導(dǎo)致試驗(yàn)數(shù)據(jù)之間存在偏差，所以本文數(shù)據(jù)只是針對本次試驗(yàn)而言，僅供參考。