聚酯粉末涂料在濕熱環(huán)境的自然老化與 氙燈老化的相關(guān)性研究

時宇，揭敢新，祁黎，王俊，高澤海，張捷，陶友季

（1.中國電器科學研究院有限公司 工業(yè)產(chǎn)品環(huán)境適應性國家重點試驗室，廣州 510663； 2.擎天材料科技有限公司，廣州 510300）

粉末涂料自誕生起便展現(xiàn)出了優(yōu)越的性能，在傳統(tǒng)家電、建材、家具、汽車等領域廣泛應用[1-5]。由于國際和國內(nèi)政策對VOC 的排放限制[6-7]，溶劑型涂料已逐漸被限制使用，而粉末涂料的VOC 排放幾乎為零，對環(huán)境的污染大大降低，在涂料工業(yè)中所占的比例逐年上升。涂層在戶外環(huán)境中受到紫外輻射及水、酸雨、氧氣等作用，會不斷老化降解，降低其使用壽命。因此，延長粉末涂層的耐候性對于節(jié)能減排、提高材料使用壽命都有十分重要的意義。聚酯樹脂作為粉末涂料的重要組成部分，是優(yōu)化粉末涂料耐候性的關(guān)鍵[8-10]。

文中通過對耐候型聚酯粉末涂料 NH3307、NH5307、NH9307 共3 種產(chǎn)品[11-13]，分別開展瓊海濕熱環(huán)境的自然老化試驗和氙燈加速老化試驗，考察兩 者的相關(guān)性，篩選出最適合模擬濕熱環(huán)境的氙燈試驗方法。同時，計算氙燈試驗與自然老化試驗的加速系數(shù)，為通過氙燈加速老化考察粉末涂料耐候性提供依據(jù)。

1 試驗

1.1 原料及樣板制備

建材用聚酯粉末涂料NH3307、NH5307、NH9307（廣州擎天材料科技有限公司）系列。三種涂料的性能參數(shù)見表1。將涂料噴涂于Q235 鋼板兩面，鋼板尺寸為70 mm×150 mm×0.5 mm，涂層厚度為150～ 200 μm。

表1 聚酯粉末涂料的性能參數(shù)

1.2 主要設備及儀器

試驗所用設備為氙燈老化箱（Ci4000，美國ATLAS 公司）。測試儀器為三角度光澤計（Sheen 160，德國畢克公司）。

1.3 自然暴曬試驗

按GB/T 3681—2000《塑料大氣暴露試驗方法》在瓊海開展自然大氣無背板暴曬試驗，暴曬角為南向45°。涂料樣板在第1 年的試驗期內(nèi)，每3 個月取樣1次，第2 年每6 個月取樣1 次，每次均取3 塊小方片進行性能測試。

1.4 氙燈老化測試

采用Atlas Ci4000 型氙燈試驗箱對上述高分子材料進行人工加速老化試驗，具體試驗參數(shù)見表2。氙燈老化試驗共采用4 種方法：方法1 是通常的國際標。準測試，方法2 是參數(shù)模擬濕熱環(huán)境；方法3 是參數(shù)模擬干熱環(huán)境；方法4 是加入了光照黑暗循環(huán)。

1.5 光學性能測試

按照GB/T 9754—2007，用BYK 4430 微型多角度光澤儀對涂料樣板曝曬面在60°入射角下進行光澤度測量，結(jié)果取3 次測量的算術(shù)平均值。

2 結(jié)果與討論

2.1 光學性能變化

保光率是材料在老化后的60 率鏡面光澤與初始值的比值，反應了涂料在老化過程中表面光澤的保持率，是行業(yè)常用的涂料耐候性考察指標。三種粉末涂料在瓊海進行自然老化試驗期間的保光率變化如圖1所示?？梢钥闯觯诃偤＝?jīng)過24 個月的自然老化后，保光率隨著時間的延長呈下降趨勢。在自然老化的前12 個月，三種粉末涂料的保光率變化相對較小，12個月后保光率迅速下降。在自然老化24 個月后，NH3307 和NH5307 涂料的保光率下降到初始性能的50%左右，NH9307 涂料下降到 70%左右。說明NH9307 涂料在瓊海進行自然老化過程中的耐候性好于NH3307 和NH5307 材料。

三種涂料在瓊海濕熱環(huán)境條件下進行自然老化試驗，將保光率與老化時間進行擬合，結(jié)果見表3。其中ΔG 為保光率，tn為自然老化時間。可以看出，保光率和時間呈指數(shù)下降的關(guān)系。

表2 氙燈老化試驗參數(shù)

圖1 不同粉末涂料在自然老化期間的保光率變化

2.2 光學性能變化

分別采用四種方法對三種粉末涂料進行氙燈加 速老化試驗，期間的保光率變化如圖2 所示。從圖2a 中可以看出，NH3307 涂料在采用方法2 進行的氙燈老化試驗中，老化約800 h 后，保光率下降到初始值的50%左右；老化1000 h 后，保光率下降到初始值的約40%。采用方法1、3、4 進行氙燈老化試驗中，老化1600～2000 h 后保光率依然保持在80%左右。圖2b 中NH5307 涂料的氙燈老化試驗的結(jié)果與NH3307涂料相似，采用方法2 進行的氙燈老化試驗，老化1300 h 后，保光率下降到約50%；老化1600 h 后，保光率下降到約20%。采用方法1、3、4 進行氙燈老化試驗中，老化1600～2000 h 后，保光率依然保持在約80%～95%。圖2c 中，NH9307 涂料在采用方法2進行的氙燈老化試驗中，老化1600 h 后，保光率下降至約70%；采用方法1、3、4 的氙燈老化在1600～ 2000 h 后，保光率保持在85%以上。

表3 不同粉末涂料的保光率-時間擬合方程及其相關(guān)性

可以看出，三種涂料在采用方法1、3、4 的氙燈老化試驗中，保光率始終保持在較高的水平上?？梢哉J為，涂料表面沒有發(fā)生明顯的老化現(xiàn)象。采用方法2 的氙燈試驗中，三種涂料保光率的下降幅度明顯高于其他三種氙燈試驗方法。

采用皮爾遜相關(guān)系數(shù)考察涂料的自然老化和氙燈老化之間的關(guān)系。皮爾遜相關(guān)系數(shù)法是度量兩個變量之間關(guān)聯(lián)程度的最常用方法，其數(shù)學表達式為：

采用四種氙燈老化方法對三種涂料的老化和自然老化之間的相關(guān)系數(shù)見表4?？梢钥闯觯捎迷囼灧椒? 的氙燈加速老化和自然老化的相關(guān)系數(shù)最高，其次是方法4。

圖2 不同粉末涂料在氙燈老化期間的保光率變化

對比4 種氙燈老化方法的試驗結(jié)果，可以看出，只有采用方法2 試驗的涂料保光率大幅下降，與三種涂料在瓊海自然老化中保光率下降的結(jié)果相近。產(chǎn)生這種結(jié)果在于氙燈試驗條件的差異，方法1 和方法3的條件分別模擬了普通環(huán)境和干熱環(huán)境，與瓊海的濕熱環(huán)境條件有較大差異，其試驗結(jié)果與自然老化試驗的相關(guān)系數(shù)也低。方法2 和方法4 的試驗條件更接近于瓊海的自然環(huán)境參數(shù)，由于存在光照黑暗循環(huán)，方法4 的參數(shù)嚴酷性不如方法2，其試驗結(jié)果相對自然老化試驗的加速性和相關(guān)系數(shù)也低于方法2。綜合氙燈試驗的試驗條件，以及與自然老化的試驗結(jié)果的比較，可以認為氙燈老化方法2 與瓊海自然老化的相關(guān)性更好，更適合模擬涂料在濕熱環(huán)境的老化過程。

采用氙燈加速老化試驗方法2 對三種涂料進行加速老化試驗，將保光率與老化時間進行擬合，結(jié)果見表5（ta為加速老化時間）?？梢钥闯龊妥匀焕匣嗨?，保光率和時間呈指數(shù)下降的關(guān)系。

表5 不同粉末涂料的保光率-時間擬合方程及其相關(guān)性

2.3 加速性分析

圖3 涂料在兩種濕熱環(huán)境（氙燈加速與瓊海） 下的相關(guān)性

三種涂料采用氙燈加速老化試驗方法2 相對瓊海自然老化的加速性如圖3 所示。橫坐標為加速老化 時間ta，縱坐標為自然老化時間tn。比較達到相同保光率的加速老化時間和自然老化時間的對應關(guān)系，考察氙燈老化的加速性。可以看出，在模擬濕熱環(huán)境和自然濕熱環(huán)境中，三種涂料達到相同保光率的老化時間呈線性關(guān)系，經(jīng)線性擬合，其擬合方程與相關(guān)系數(shù)見表6。

表6 不同粉末涂料的加速-自然老化時間 擬合方程及其相關(guān)性

表6 中，直線斜率表明氙燈加速老化試驗方法2與瓊海濕熱環(huán)境自然老化對比的加速因子。其中NH3307 涂料為17.62，NH5307 涂料為12.44，NH9307涂料為10.36。說明模擬濕熱環(huán)境的氙燈加速老化試驗方法2 對NH3307 涂料的老化加速性最大，其次為NH5307 涂料，最后是NH9307 涂料。

3 結(jié)論

通過對NH3307、NH5307、NH9307 這三種粉末涂料開展瓊海濕熱環(huán)境自然老化試驗，和4 種方法氙燈加速老化試驗，可以得到以下結(jié)論。

1）基于保光率測試的結(jié)果，NH9307 涂料的耐候性好于NH3307 和NH5307 涂料。

2）氙燈加速老化試驗方法2 能夠較好地模擬涂料在濕熱環(huán)境中的老化過程。