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彩涂板户外曝晒与加速耐候试验的研究

摘要

分析了目前国内外普遍使用的不同树脂体系彩涂板,在几个不同地区的3年户外曝晒结果和Q-SUN氙灯试验箱的加速试验结果。研究了不同试验条件下样品的颜色变化、失光等性能的相关性。研究表明,对于样品的某些性能,实验室加速试验在一定程度上可以再现户外真实曝晒情况,为彩涂板质量研究提供加速试验依据。但因为酸雨、盐雾、霉菌、工业沉降物等户外因素的影响,实验室加速试验无法完全模拟户外试验中所出现的所有老化现象。

关键词:彩涂板;耐候;氙灯;户外;相关性

1. 彩涂板老化测试的现状

彩涂板因其具有优良的成型性能,耐久性能和装饰性能,广泛应用于建筑、家电和家具等行业。国外生产和研究彩涂板已超过50年的历史,而国内生产彩涂板的历史不到20年

1. 彩涂板老化测试的现状

〕,对彩涂板的性能研究更是十分有限。本文主要研究彩涂板的户外曝晒和实验室加速耐候试验及它们之间的相关性。

2. 户外曝晒和实验室加速耐候试验方法

为了研究不同地区的户外曝晒情况,我们分别在宝钢厂内、北京、广州、海南、重庆5个地区对12种目前国内外普遍使用的不同树脂体系彩涂板进行户外曝晒试验。户外曝晒时间一共是3年,每隔1年测试样品的颜色变化、失光、粉化等性能。

在进行户外曝晒的同时,我们也进行了实验室加速耐候试验。在Q-SUN氙灯试验箱中曝晒1000小时

2. 户外曝晒和实验室加速耐候试验方法

,实验室加速耐候试验根据国家标准GB/T 13448-2006

3. 户外曝晒和实验室加速耐候试验的结果分析

中的方法设定测试条件,具体参数如表1所示。

过滤器

光强

测试循环

日光过滤器

0.55W/m2/nm  @340nm

(1) 70℃黑板温度,35%相对湿度下光照40分钟;

(2) 光照和正面水喷淋20分钟;

(3) 70℃黑板温度,50%相对湿度下光照60分钟;

(4) 38℃黑板温度,95%相对湿度下黑暗和正面水喷淋60分钟

表1 Q-SUN测试程序

3. 户外曝晒和实验室加速耐候试验的结果分析

3.1 试验结果的初步分析

户外曝晒和实验室加速耐候试验结束后,我们选取测量了6个样品的颜色变化、失光、粉化等数值。在测量这些参数的过程中,我们发现了以下一些问题。

户外曝晒受环境的影响很大,除了光照、温度、湿度的主要作用,酸雨、盐雾、霉菌、工业沉降物等户外因素也同时对材料造成破坏。由于海南、广州是沿海气候条件,所以样品的户外曝晒会受到盐雾、霉菌等条件的影响;重庆地区受酸雨的影响较大;而宝钢试验点位于工业环境中,各种工业污染物的沉降量很大,对样品的影响也很大。所以只有北京地区的样品受污染的程度较小,实验室加速耐候试验结果与北京户外曝晒结果之间的相关性较好。

由于在测试样品的颜色变化、失光、粉化等性能之前,我们对样品进行了清洗,所以有些测试结果并不能反映样品的真实老化结果。如,在北京地区第三年的颜色变化还不如第二年的颜色变化厉害,主要是因为当我们对样品进行清洗后,样品露出了没有发生老化的新的表层,所以才出现以上描述的测试结果。因此,我们只考虑户外曝晒第一年和第二年的测试结果。

由于酸雨、盐雾、霉菌、工业沉降物等户外因素的影响,即使户外曝晒之间的相关性也不是很好。相比之下,实验室加速测试与户外曝晒之间的相关性反而更好一些。我们将在下面的章节中重点研究Q-SUN氙灯试验箱与户外曝晒之间的关系。

3.2 户外曝晒之间及与Q-SUN氙灯试验箱试验中样品颜色变化之间的相关性

3.2.1各地区户外曝晒试验中样品颜色变化之间的相关性

对于样品的颜色变化,我们首先研究户外曝晒试验结果各地区之间的相关性如何。下面的表2是几个不同地区户外曝晒试验中样品颜色变化之间的相关系数,rs

4. 结论和建议

(spearman相关系数)。该相关系数指的是利用两种不同的测试方法对一组样品进行测试,所得实验结果之间的相关性。相关系数rs的计算公式为:rs=1-6∑di2/[n(n2-1)],其中n指的是样品的个数,di指的是两列排序中每一组排位数之间的差值。rs越接近于1,相关性越好。

rs

北京

1年

北京

2年

宝钢

1年

宝钢

2年

广州

1年

广州

2年

海南

1年

海南

2年

重庆

1年

重庆

2年

北京

1年

――

0.94

0.54

0.54

0.77

0.66

0.77

0.26

0.89

0.71

北京

2年

――

――

0.60

0.60

0.66

0.60

0.89

0.54

0.77

0.60

宝钢

1年

――

――

――

1.00

0.77

0.89

0.77

0.26

0.66

0.83

宝钢

2年

――

――

――

――

0.77

0.89

0.77

0.26

0.66

0.83

广州

1年

――

――

――

――

――

0.94

0.54

-0.14

0.94

0.94

广州

2年

――

――

――

――

――

――

0.60

-0.09

0.89

0.89

海南

1年

――

――

――

――

――

――

――

0.66

0.60

0.60

海南

2年

――

――

――

――

――

――

――

――

-0.09

-0.09

重庆

1年

――

――

――

――

――

――

――

――

――

0.83

重庆

2年

――

――

――

――

――

――

――

――

――

――

表2 几个不同地区户外曝晒试验中样品颜色变化之间的Spearman相关系数


通过观察表2中的数据,我们发现,户外曝晒之间的Spearman相关系数不是很好。即使是同一地区,曝晒1年和曝晒2年的试验结果之间的相关性也不全是好的,其中只有宝钢1年与宝钢2年之间的相关系数为1,其它的相关系数都小于1,如海南1年与海南2年之间的相关系数只有0.66。不同地区之间的相关系数更是不理想,有的甚至是负数,如广州1年、广州2年、重庆1年、重庆2年与海南2年之间的相关系数都是负数。

以上已经提到,户外曝晒之间的相关系数不是很好,主要是因为户外曝晒受到酸雨、盐雾、霉菌、工业沉降物等户外因素的影响较大,我们甚至发现在宝钢试验点的样品表面出现黄斑或黑斑。

3.2.2Q-SUN氙灯试验箱与户外曝晒试验中样品颜色变化之间的相关性

    在研究户外曝晒不同地区之间的相关性的同时,我们也研究了Q-SUN氙灯试验箱与户外曝晒试验中样品颜色变化之间的相关性,具体相关系数如表3所示。

曝晒地区及时间

Q-SUN 1000小时之间的相关系数

北京1年

0.83

北京2年

0.94

宝钢1年

0.71

宝钢2年

0.71

广州1年

0.60

广州2年

0.66

海南1年

0.94

海南2年

0.60

重庆1年

0.71

重庆2年

0.54

表3 Q-SUN氙灯试验箱与户外曝晒试验中样品颜色变化之间的相关系数

与表2相比较,表3中Q-SUN氙灯试验箱与户外曝晒试验中样品颜色变化之间的相关系数反而不是很差,一般都大于0.60。Q-SUN氙灯试验箱与北京试验点的相关系数都大于0.80,与北京2年的相关系数高达0.94。

在户外复杂曝晒因素的影响下,我们能得到表3所示的Q-SUN氙灯试验箱与户外曝晒试验中样品颜色变化之间的相关系数,已经说明它们之间的相关性较好了。下面我们接着分析在Q-SUN氙灯试验箱中测试多长时间相当于户外曝晒多久的效果。

3.2.3 Q-SUN氙灯试验箱与户外曝晒试验时间之间的对比

    为了得到实验室加速耐候测试与户外曝晒试验结果之间的关系,也就是通常大家比较关心的一个问题——对于材料的某种变化,如果加速测试与户外结果的相关性足够好,那么在Q-SUN氙灯试验箱中测试多长时间相当于户外曝晒多久的效果。本文研究了在Q-SUN氙灯试验箱中测试1000小时分别相当于在北京、宝钢、广州、海南、重庆曝晒多少时间。

下面举例说明我们的分析方法,如当我们研究在Q-SUN氙灯试验箱中测试1000小时相当于在北京曝晒多少时间时,我们首先分别测量了样品在Q-SUN氙灯试验箱中测试1000小时、在北京曝晒1年和在北京曝晒2年后样品的颜色变化,用△E来表示,如表4所示。

样品编号

△E (Q-SUN1000h)

△E (北京1年)

△E (北京2年)

1

1.31

1.86

4.61

2

6.87

1.82

5.00

3

1.50

2.21

5.11

4

0.33

1.15

3.39

5

0.21

0.86

3.37

6

1.28

1.20

4.56

表4 样品在Q-SUN氙灯试验箱及北京曝晒后的颜色变化

本次试验由于我们的测量数值较少,只能大体知道在Q-SUN氙灯试验箱中测试1000小时,样品的颜色变化没有在北京曝晒1年的厉害,不过无法准确计算出到底相当于在北京曝晒几个月的结果。

所以我们建议,以后进行耐候试验时,应该多取几个时间段对样品进行测量。在一个试验中,包括初始值在内至少要测量5次。例如以上这个试验,对于Q-SUN氙灯试验箱测试,我们至少要测量初始值即0小时、200小时、400小时、600小时、800小时及1000小时的结果,而在北京曝晒2年的试验,至少要测量初始值即0个月、6个月、1年、18个月及2年的结果。

通过观察表4,我们同时发现,Q-SUN氙灯试验箱测试时间不够长,应该再多测试一些时间,如2000h或3000h。

3.3户外曝晒之间及与Q-SUN氙灯试验箱试验中样品失光率之间的相关性

3.3.1各地区户外曝晒试验中样品失光率之间的相关性

对于样品的失光率,我们同样首先研究户外曝晒试验结果各地区之间的相关性如何。下面的表5是几个不同地区户外曝晒试验中样品失光率之间的相关系数。

rs

北京

1年

北京

2年

宝钢

1年

宝钢

2年

广州

1年

广州

2年

海南

1年

海南

2年

重庆

1年

重庆

2年

北京

1年

――

0.69

0.84

0.50

0.99

0.16

0.17

0.26

0.79

0.73

北京

2年

――

――

0.84

0.84

0.73

0.36

0.41

0.50

0.73

0.36

宝钢

1年

――

――

――

0.83

0.86

0.49

0.53

0.59

0.71

0.71

宝钢

2年

――

――

――

――

0.51

0.77

0.81

0.84

0.54

0.37

广州

1年

――

――

――

――

――

0.17

0.19

0.29

0.86

0.77

广州

2年

――

――

――

――

――

――

0.99

0.99

0.37

0.37

海南

1年

――

――

――

――

――

――

――

0.97

0.39

0.39

海南

2年

――

――

――

――

――

――

――

――

0.47

0.41

重庆

1年

――

――

――

――

――

――

――

――

――

0.77

重庆

2年

――

――

――

――

――

――

――

――

――

――

表5 几个不同地区户外曝晒试验中样品失光率之间的相关系数

通过观察表5中的数据,我们发现,户外曝晒之间的相关系数不是很好。即使是同一地区,曝晒1年和曝晒2年的试验结果之间的相关性也不全是好的,其中广州1年与广州2年之间的相关系数只有0.17。不同地区之间的相关系数更是不理想,尤其是海南1年、海南2年与其它地区之间的相关系数。

3.3.2 Q-SUN氙灯试验箱与户外曝晒试验中样品失光率之间的相关性

在研究户外曝晒不同地区之间的相关性的同时,我们也研究了Q-SUN氙灯试验箱与户外曝晒试验中样品失光率之间的相关性,具体相关系数如表6所示。

曝晒地区及时间

Q-SUN  1000小时之间的相关系数

北京1年

0.84

北京2年

0.76

宝钢1年

0.94

宝钢2年

0.77

广州1年

0.86

广州2年

0.54

海南1年

0.53

海南2年

0.64

重庆1年

0.71

重庆2年

0.71

表6 Q-SUN氙灯试验箱与户外曝晒试验中样品失光率之间的Spearman相关系数

与表5相比较,表6中Q-SUN氙灯试验箱与户外曝晒试验中样品失光率之间的相关系数反而不是很差,一般都大于0.60。Q-SUN氙灯试验箱与宝钢1年的相关系数高达0.94。

在户外复杂曝晒因素的影响下,我们能得到表6所示的Q-SUN氙灯试验箱与户外曝晒试验中样品失光率之间的相关系数,已经说明它们之间的相关性较好了。不过同样因为本次试验我们的测量数值较少,只能大体知道在Q-SUN氙灯试验箱中测试1000小时,样品的失光率相当于宝钢2年的结果,而无法计算出一个准确的数值。

4. 结论和建议

本文研究了几种不同树脂体系彩涂板的户外曝晒和实验室加速耐候试验。通过本次试验,我们认识到户外曝晒是实验室加速耐候试验的基础,积极开展户外老化测试是非常重要的,要利用户外曝晒试验指导实验室加速测试。由于户外曝晒因素的复杂性,如曝晒样品受到酸雨、盐雾、霉菌、工业沉降物的影响,实验室加速试验无法完全模拟户外试验中出现的所有老化现象。

通过合理评估和统计分析,对于样品的颜色变化和失光率,我们得到了较好的Q-SUN氙灯试验箱与户外曝晒之间的相关系数。

通过本次试验,我们还注意到试验过程中一些需要改进的地方:

对户外曝晒样品进行评估前,应清洗一半样品而不是全部清洗,以免以后再次评估时无据可查。

在试验过程中,包括初始值在内至少对样品评估5次,以免数据过少不便于统计分析试验结果。

试验终点的确定也很重要,比如本次试验中,样品的某些性能在实验室加速试验中没有达到户外曝晒的老化程度。

还有很重要的一点,就是现有实验室加速试验方法的局限性。如,我们可以加入酸雨模拟试验(可在Q-SUN Xe-3HD型号中实现)来模拟重庆地区的曝晒环境,加入紫外盐雾复合试验(可在QUV+Q-Fog中实现)来模拟海南、广州沿海地区的曝晒环境。