聚酯粉末涂料在濕熱環境的自然老化與 氙燈老化的相關性研究

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 工業產品環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出了優越的性能，在傳統家電、建材、家具、汽車等領域廣泛應用[1-5]。由于國際和國內政策對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，對環境的污染大大降低，在涂料工業中所占的比例逐年上升。涂層在戶外環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，是優化粉末涂料耐候性的關鍵[8-10]。

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

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

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，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 是參數模擬濕熱環境；方法3 是參數模擬干熱環境；方法4 是加入了光照黑暗循環。

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，結果取3 次測量的算術平均值。

2 結果與討論

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。可以看出，在瓊海經過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下降的關系。

表2 氙燈老化試驗參數

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。可以認為，涂料表面沒有發生明顯的老化現象。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。

采用皮爾遜相關系數考察涂料的自然老化和氙燈老化之間的關系。皮爾遜相關系數法是度量兩個變量之間關聯程度的最常用方法，其數學表達式為：

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系數見表4。可以看出，采用試驗方法2 的氙燈加速老化和自然老化的相關系數最高，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果相近。產生這種結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境和干熱環境，與瓊海的濕熱環境條件有較大差異，其試驗結果與自然老化試驗的相關系數也低。方法2 和方法4 的試驗條件更接近于瓊海的自然環境參數，由于存在光照黑暗循環，方法4 的參數嚴酷性不如方法2，其試驗結果相對自然老化試驗的加速性和相關系數也低于方法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性更好，更適合模擬涂料在濕熱環境的老化過程。

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，結果見表5（ta為加速老化時間）。可以看出和自然老化相似，保光率和時間呈指數下降的關系。

表5 不同粉末涂料的保光率-時間擬合方程及其相關性

2.3 加速性分析

圖3 涂料在兩種濕熱環境（氙燈加速與瓊海） 下的相關性

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系，考察氙燈老化的加速性。可以看出，在模擬濕熱環境和自然濕熱環境中，三種涂料達到相同保光率的老化時間呈線性關系，經線性擬合，其擬合方程與相關系數見表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 結論

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

1）基于保光率測試的結果，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境中的老化過程。