低氣壓環(huán)境綜合加速試驗(yàn)技術(shù)在聚氨酯 涂層快速評價(jià)中的應(yīng)用

向江濤，楊小奎，楊曉然，李迪凡，張世艷，吳帥,2

（1.西南技術(shù)工程研究所，重慶 400039； 2.西藏拉薩大氣環(huán)境材料腐蝕國家野外科學(xué)觀測研究站，拉薩 850100）

低氣壓環(huán)境綜合加速試驗(yàn)是一種新的環(huán)境模擬試驗(yàn)技術(shù)，是模擬低氣壓自然環(huán)境中的太陽輻射、氣壓、溫度、濕度和風(fēng)速等條件[1-3]的試驗(yàn)箱及其相應(yīng)的低氣壓自然環(huán)境模擬加速試驗(yàn)方法。模擬低氣壓環(huán)境的試驗(yàn)方法是采用低溫—低壓—高濕度的方法[4]，但這種方法沒有綜合太陽輻射和風(fēng)速等重要環(huán)境因素，導(dǎo)致試驗(yàn)數(shù)據(jù)與低氣壓自然環(huán)境試驗(yàn)數(shù)據(jù)的相關(guān)性較差。

隨著科技的不斷進(jìn)步，新材料、新工藝不斷應(yīng)用于各種產(chǎn)品中。這些新材料、新工藝在應(yīng)用到低氣壓環(huán)境地區(qū)之前，必須對其低氣壓環(huán)境適應(yīng)性進(jìn)行系統(tǒng)的考核和篩選，從而使產(chǎn)品在低氣壓環(huán)境中的故障和損傷降到最低[5-9]。新材料、新工藝的篩選可以采用低氣壓自然環(huán)境方法和實(shí)驗(yàn)室環(huán)境試驗(yàn)方法，為了加快速度和效率，一般采用實(shí)驗(yàn)室環(huán)境試驗(yàn)方法[10-13]。充分考慮和再現(xiàn)低氣壓環(huán)境下的多因素綜合氣候環(huán)境試驗(yàn)技術(shù)，可以進(jìn)一步提高篩選的正確率和速率[14-15]。因此，在產(chǎn)品環(huán)境適應(yīng)性試驗(yàn)中推廣低氣壓環(huán)境綜合加速試驗(yàn)技術(shù)，能更好地滿足材料和防護(hù)工藝篩選的需求。文中選擇汽車、飛機(jī)常用的聚氨酯類涂層為試驗(yàn)對象，檢測其顏色、光澤度在試驗(yàn)前后的變化，驗(yàn)證低氣壓環(huán)境綜合加速試驗(yàn)技術(shù)的模擬性和加速性[16-17]。

1 試驗(yàn)

1.1 材料與試樣

樣品基材為150 mm×75 mm×1 mm的陽極氧化鋁合金板。鋁合金板表面噴涂淡駝灰色的改性聚氨酯涂層，噴涂厚度為120 μm。設(shè)置3件平行樣品。試驗(yàn)前檢測樣品的顏色值、60°鏡面光澤度值、傅里葉紅外光譜，以便對比試驗(yàn)后涂層的變化情況。

1.2 試驗(yàn)條件

在拉薩開展戶外暴露試驗(yàn)，按照GB/T 9276? 1996《涂層自然氣候曝露試驗(yàn)方法》[18]、WJ 2155? 1993《兵器產(chǎn)品自然環(huán)境方法大氣暴露試驗(yàn)》[19]的要求進(jìn)行試驗(yàn)。戶外朝南45°，無背板暴露，試驗(yàn)時(shí)間為12個(gè)月。

低氣壓環(huán)境綜合加速試驗(yàn)采用“多因素綜合高原高寒氣候環(huán)境模擬加速試驗(yàn)箱”，設(shè)備利用試驗(yàn)箱內(nèi)的溫度、濕度、氣壓和輻照度傳感器等將箱體內(nèi)環(huán)境參數(shù)值傳輸給PLC，并與程序設(shè)定值進(jìn)行比較，進(jìn)一步控制各電氣系統(tǒng)的工作，最終實(shí)現(xiàn)光照、氣壓、溫度、濕度和風(fēng)等因素同時(shí)作用。試驗(yàn)條件綜合考慮了模擬性和加速性，主要試驗(yàn)條件是根據(jù)我國高原高寒地區(qū)實(shí)測試驗(yàn)樣品的表面極值設(shè)定，如設(shè)計(jì)最高溫、最低溫和最大溫差等。另外，由于高原地區(qū)的紫外輻射比例高于其它地區(qū)，且紫外輻射一般在聚氨酯涂層的光化學(xué)老化中起主要作用，因此，在光輻射條件中增加了紫外輻射。試驗(yàn)譜如圖1所示。試驗(yàn)進(jìn)行360周期，每周期4 h，總共60 d。

圖1 低氣壓環(huán)境綜合加速試驗(yàn)譜 Fig.1 Comprehensive accelerated test spectrum in low pressure environment

試驗(yàn)過程中，在每個(gè)檢測周期檢測改性聚氨酯涂層的顏色值和60°鏡面光澤度值；試驗(yàn)結(jié)束后，測試改性聚氨酯涂層的傅里葉紅外光譜。

2 結(jié)果與討論

2.1 傅里葉紅外檢測

試驗(yàn)結(jié)束后，改性聚氨酯的傅里葉紅外光譜變化如圖2所示。由原始紅外光譜可以看出，1728 cm?1、1519 cm?1、1455 cm?1附近峰為特征吸收峰；低氣壓環(huán)境綜合加速試驗(yàn)后，涂層特征峰1728 cm?1和1519 cm?1的強(qiáng)度下降甚至消失，這與低氣壓自然環(huán)境后特征峰的變化規(guī)律基本一致。

圖2 改性聚氨酯涂層兩種環(huán)境試驗(yàn)后的紅外光譜 Fig.2 Infrared spectra of modified polyurethane coating after two environmental tests

2.2 涂層顏色檢測

按GB/T 11186.2—1989《涂膜顏色的測量方法 第二部分 顏色測量》[20]測量改性聚氨酯涂層的顏色，按GB/T 11186.3—1989《涂膜顏色的測量方法 第三部分 色差計(jì)算》[21]計(jì)算改性聚氨酯涂層的色差，色差計(jì)算公式見式（1）。

式中：ΔL*為試驗(yàn)后L值與原始L值的差值；Δa*為試驗(yàn)后a值與原始a值的差值；Δb*為試驗(yàn)后b值與原始b值的差值。

色差數(shù)據(jù)見表1，色差變化規(guī)律如圖3所示。可以看出兩種試驗(yàn)環(huán)境中，改性聚氨酯涂層的顏色變化規(guī)律基本相同。

表1 改性聚氨酯涂層兩種環(huán)境試驗(yàn)后色差 Tab.1 Color difference of modified polyurethane coating after two kinds of environmental test

圖3 改性聚氨酯涂層兩種環(huán)境試驗(yàn)后色差變化規(guī)律 Fig.3 Changing rule of Color difference of modified polyurethane coating after two kinds of environmental test: a) low pressure natural environment test; b) comprehensive acceleration test in low pressure environment

2.3 鏡面光澤檢測

按GB/T 9754—2007《色漆和清漆 不含金屬顏料的色漆漆膜的20°、60°和85°鏡面光澤的測定》[22]測定60°鏡面光澤。按GB/T 9754—2007《色漆和清漆 涂層老化的評級方法》[23]計(jì)算改性聚氨酯涂層的失光率，數(shù)據(jù)見表2，失光率變化規(guī)律如圖4所示。可以看出低氣壓自然環(huán)境中，改性聚氨酯涂層在試驗(yàn)前期，光澤度下降較大，隨后光澤度增加，這是該涂層后固化造成的。在低氣壓綜合環(huán)境試驗(yàn)中，該涂層在試驗(yàn)前期，光澤度下降較大，隨后光澤度下降變緩，這也是該涂層后固化造成的。

表2 改性聚氨酯涂層兩種環(huán)境試驗(yàn)后失光率 Tab.2 gloss Los rate of modified polyurethane coat after two kinds of test

圖4 改性聚氨酯涂層經(jīng)兩種試驗(yàn)后失光率變化規(guī)律 Fig.4 Changing rule of gloss loss rate of modified polyurethane coat after two kinds of test: a) low pressure natural environment test; b) comprehensive acceleration test in low pressure environment

2.4 低氣壓環(huán)境綜合加速試驗(yàn)加速性

低氣壓環(huán)境綜合加速試驗(yàn)采用加速轉(zhuǎn)換因子（ASF）法[24]評估加速性。文中以改性聚氨酯涂層的色差變化為例計(jì)算加速倍率。分別對改性聚氨酯涂層低氣壓自然環(huán)境試驗(yàn)和低氣壓環(huán)境綜合加速試驗(yàn)后的色差數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，以試驗(yàn)時(shí)間為橫坐標(biāo)，色差為縱坐標(biāo)，結(jié)果見式（2）、式（3）。

式中：y戶外為低氣壓自然環(huán)境試驗(yàn)的色差；y加速為低氣壓環(huán)境綜合加速試驗(yàn)的色差；t1為低氣壓自然環(huán)境試驗(yàn)時(shí)間，d；t為低氣壓環(huán)境綜合加速試驗(yàn)時(shí)間，d。

根據(jù)式（2）、式（3），計(jì)算兩種試驗(yàn)達(dá)到相同色差的時(shí)間。為便于比較，將兩種試驗(yàn)時(shí)間均換算成天數(shù)，試驗(yàn)時(shí)間見表3。

表3 兩試驗(yàn)方法中改性聚氨酯涂層達(dá)到相同色差的時(shí)間 Tab.3 Time for modified polyurethane coating to achieve the same color difference in two test method

以低氣壓環(huán)境綜合加速試驗(yàn)時(shí)間t為橫坐標(biāo)，以達(dá)到相同色差時(shí)低氣壓自然環(huán)境試驗(yàn)和低氣壓環(huán)境綜合加速試驗(yàn)時(shí)間的比值t1/t為縱坐標(biāo)，作ASF隨時(shí)間變化的曲線圖，并進(jìn)行回歸分析，如圖5所示。

圖5 改性聚氨酯涂層色差A(yù)SF隨時(shí)間變化曲線 Fig.5 Change curve of color difference ASF of modified polyurethane coating with times

圖5的回歸方程為：

式中：ASF戶外-加速為色差加速倍率；t為低氣壓環(huán)境綜合加速試驗(yàn)時(shí)間，d；R2為相關(guān)系數(shù)。

由計(jì)算結(jié)果可知，改性聚氨酯涂層的色差加速倍率不是固定的，加速倍率隨時(shí)間的延長逐漸減小。改性聚氨酯涂層樣品按加速轉(zhuǎn)換因子（ASF）法計(jì)算的低氣壓環(huán)境綜合加速試驗(yàn)相對于低氣壓自然環(huán)境試驗(yàn)的加速性計(jì)算結(jié)果見表4。

表4 改性聚氨酯涂層低氣壓環(huán)境綜合加速試驗(yàn)的加速性結(jié)果 Tab.4 Acceleration property of modified polyurethane coating in low pressure environment

3 結(jié)論

1）改性聚氨酯涂層在低氣壓環(huán)境綜合加速試驗(yàn)中的老化機(jī)理與低氣壓自然環(huán)境中的老化機(jī)理基本相同。

2）改性聚氨酯涂層在低氣壓環(huán)境綜合加速試驗(yàn)中的涂層色差、光澤度變化規(guī)律與低氣壓自然環(huán)境中的變化規(guī)律基本相同。

3）在數(shù)據(jù)變化規(guī)律相同的基礎(chǔ)上，改性聚氨酯涂層在低氣壓環(huán)境綜合加速試驗(yàn)中的老化加速倍率隨時(shí)間變化，最高為24倍，最低為10倍。

4）低氣壓環(huán)境綜合加速試驗(yàn)技術(shù)具有很好的模擬性和加速性，適用于快速評價(jià)聚氨酯涂層在低氣壓環(huán)境下的適應(yīng)性。