彩涂板戶外曝曬老化與實(shí)驗(yàn)室Q-SUN氙燈老化試驗(yàn)的研究

摘要：分析了目前國內(nèi)外普遍使用的不同樹脂體系彩涂板，在幾個(gè)不同地區(qū)的3年戶外曝曬結(jié)果和Q-SUN氙燈老化試驗(yàn)箱的加速試驗(yàn)結(jié)果。研究了不同試驗(yàn)條件下樣品的顏色變化、失光等性能的相關(guān)性。研究表明，對于樣品的某些性能，實(shí)驗(yàn)室加速試驗(yàn)在一定程度上可以再現(xiàn)戶外真實(shí)曝曬情況，為彩涂板質(zhì)量研究提供加速試驗(yàn)依據(jù)。但因?yàn)樗嵊?、鹽霧、霉菌、工業(yè)沉降物等戶外因素的影響，實(shí)驗(yàn)室加速試驗(yàn)無法完全模擬戶外試驗(yàn)中所出現(xiàn)的所有老化現(xiàn)象。

1 彩涂板老化測試的現(xiàn)狀

彩涂板因其具有優(yōu)良的成型性能，耐久性能和裝飾性能，廣泛應(yīng)用于建筑、家電和家具等行業(yè)。國外生產(chǎn)和研究彩涂板已超過50年的歷史，而國內(nèi)生產(chǎn)彩涂板的歷史不到20年，對彩涂板的性能研究更是十分有限。本文主要研究彩涂板的戶外曝曬和實(shí)驗(yàn)室加速耐候試驗(yàn)及它們之間的相關(guān)性。

2 戶外曝曬和實(shí)驗(yàn)室加速耐候試驗(yàn)方法

為了研究不同地區(qū)的戶外曝曬情況，我們分別在寶鋼廠內(nèi)、北京、廣州、海南、重慶5個(gè)地區(qū)對12種目前國內(nèi)外普遍使用的不同樹脂體系彩涂板進(jìn)行戶外曝曬試驗(yàn)。戶外曝曬時(shí)間一共是3年，每隔1年測試樣品的顏色變化、失光、粉化等性能。

在進(jìn)行戶外曝曬的同時(shí)，我們也進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)室加速耐候試驗(yàn)。在Q-SUN氙燈試驗(yàn)箱中曝曬1000小時(shí)，實(shí)驗(yàn)室加速耐候試驗(yàn)根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 13448-2006中的方法設(shè)定測試條件，具體參數(shù)如表1所示。

3 戶外曝曬和實(shí)驗(yàn)室加速耐候試驗(yàn)的結(jié)果分析

3.1 試驗(yàn)結(jié)果的初步分析

戶外曝曬和實(shí)驗(yàn)室加速耐候試驗(yàn)結(jié)束后，我們選取測量了6個(gè)樣品的顏色變化、失光、粉化等數(shù)值。在測量這些參數(shù)的過程中，我們發(fā)現(xiàn)了以下一些問題。

戶外曝曬受環(huán)境的影響很大，除了光照、溫度、濕度的主要作用，酸雨、鹽霧、霉菌、工業(yè)沉降物等戶外因素也同時(shí)對材料造成破壞。由于海南、廣州是沿海氣候條件，所以樣品的戶外曝曬會受到鹽霧、霉菌等條件的影響：重慶地區(qū)受酸雨的影響較大：而寶鋼試驗(yàn)點(diǎn)位于工業(yè)環(huán)境中，各種工業(yè)污染物的沉降量很大，對樣品的影響也很大。所以只有北京地區(qū)的樣品受污染的程度較小，實(shí)驗(yàn)室加速耐候試驗(yàn)結(jié)果與北京戶外曝曬結(jié)果之間的相關(guān)性較好。

由于在測試樣品的顏色變化、失光、粉化等性能之前，我們對樣品進(jìn)行了清洗，所以有些測試結(jié)果并不能反映樣品的真實(shí)老化結(jié)果。如，在北京地區(qū)第三年的顏色變化還不如第二年的顏色變化厲害，主要是因?yàn)楫?dāng)我們對樣品進(jìn)行清洗后，樣品露出了沒有發(fā)生老化的新的表層，所以才出現(xiàn)以上描述的測試結(jié)果。因此，我們只考慮戶外曝曬第一年和第二年的測試結(jié)果。

由于酸雨、鹽霧、霉菌、工業(yè)沉降物等戶外因素的影響，即使戶外曝曬之間的相關(guān)性也不是很好。相比之下，實(shí)驗(yàn)室加速測試與戶外曝曬之間的相關(guān)性反而更好一些。我們將在下面的章節(jié)中重點(diǎn)研究Q-SUN氙燈光老化試驗(yàn)箱與戶外曝曬之間的關(guān)系。

3.2 戶外曝曬之間及與Q-SUN氙燈老化試驗(yàn)箱試驗(yàn)中樣品顏色變化之間的相關(guān)性

3.2.1 各地區(qū)戶外曝曬試驗(yàn)中樣品顏色變化之間的相關(guān)性

對于樣品的顏色變化，我們首先研究戶外曝曬試驗(yàn)結(jié)果各地區(qū)之間的相關(guān)性如何。下面的表2是幾個(gè)不同地區(qū)戶外曝曬試驗(yàn)中樣品顏色變化之間的相關(guān)系數(shù)，rs(spearman相關(guān)系數(shù))。該相關(guān)系數(shù)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)rs的計(jì)算公式為：rs=1-6Σdi2/[n(n2-1)]，其中n指的是樣品的個(gè)數(shù)，d指的是兩列排序中每一組排位數(shù)之間的差值。rs越接近于1，相關(guān)性越好。

通過觀察表2中的數(shù)據(jù)，我們發(fā)現(xiàn)，戶外曝曬之間的Spearman相關(guān)系數(shù)不是很好。即使是同一地區(qū)，曝曬1年和曝曬2年的試驗(yàn)結(jié)果之間的相關(guān)性也不全是好的，其中只有寶鋼1年與寶鋼2年之間的相關(guān)系數(shù)為1，其它的相關(guān)系數(shù)都小于1，如海南1年與海南2年之間的相關(guān)系數(shù)只有0.66。不同地區(qū)之間的相關(guān)系數(shù)更是不理想，有的甚至是負(fù)數(shù)，如廣州1年、廣州2年、重慶1年、重慶2年與海南2年之間的相關(guān)系數(shù)都是負(fù)數(shù)。

以上已經(jīng)提到，戶外曝曬之間的相關(guān)系數(shù)不是很好，主要是因?yàn)閼敉馄貢袷艿剿嵊辍Ⅺ}霧、霉菌、工業(yè)沉降物等戶外因素的影響較大，我們甚至發(fā)現(xiàn)在寶鋼試驗(yàn)點(diǎn)的樣品表面出現(xiàn)黃斑或黑斑。

3.2.2 Q-SUN氙燈加速耐候老化試驗(yàn)箱與戶外曝曬試驗(yàn)中樣品顏色變化之間的相關(guān)性

在研究戶外曝曬不同地區(qū)之間的相關(guān)性的同時(shí)，我們也研究了Q-SUN氙燈加速耐候老化試驗(yàn)箱與戶外曝曬試驗(yàn)中樣品顏色變化之間的相關(guān)性，具體相關(guān)系數(shù)如表3所示。

與表2相比較，表3中Q-SUN與戶外曝曬試驗(yàn)中樣品顏色變化之間的相關(guān)系數(shù)反而不是很差，一般都大于0.60。Q-SUN耐候試驗(yàn)箱與北京試驗(yàn)點(diǎn)的相關(guān)系數(shù)都大于0.80，與北京2年的相關(guān)系數(shù)高達(dá)0.94。

在戶外復(fù)雜曝曬因素的影響下，我們能得到表3所示的Q-SUN氙燈耐候試驗(yàn)設(shè)備與戶外曝曬試驗(yàn)中樣品顏色變化之間的相關(guān)系數(shù)，已經(jīng)說明它們之間的相關(guān)性較好了。下面我們接著分析在Q-SUN中測試多長時(shí)間相當(dāng)于戶外曝曬多久的效果。

3.2.3 Q-SUN與戶外曝曬試驗(yàn)時(shí)間之間的對比

為了得到實(shí)驗(yàn)室加速耐候測試與戶外曝曬試驗(yàn)結(jié)果之間的關(guān)系，也就是通常大家比較關(guān)心的一個(gè)問題一對于材料的某種變化，如果加速測試與戶外結(jié)果的相關(guān)性足夠好，那么在Q-SUN測試多長時(shí)間相當(dāng)于戶外曝曬多久的效果。

本文研究了在Q-SUN中測試1000小時(shí)分別相當(dāng)于在北京、寶鋼、廣州、海南、重慶曝曬多少時(shí)間。

下面舉例說明我們的分析方法，如當(dāng)我們研究在Q-SUN氙燈老化實(shí)驗(yàn)設(shè)備中測試1000小時(shí)相當(dāng)于在北京曝曬多少時(shí)間時(shí)，我們首先分別測量了樣品在Q-SUN氙燈老化試驗(yàn)箱中測試1000小時(shí)、在北京曝曬1年和在北京曝曬2年后樣品的顏色變化，用△E來表示，如表4所示。

本次試驗(yàn)由于我們的測量數(shù)值較少，只能大體知道在Q-SUN氙燈老化實(shí)驗(yàn)箱中測試1000小時(shí)，樣品的顏色變化沒有在北京曝曬1年的厲害，不過無法準(zhǔn)確計(jì)算出到底相當(dāng)于在北京曝曬幾個(gè)月的結(jié)果。

所以我們建議，以后進(jìn)行耐候試驗(yàn)時(shí)，應(yīng)該多取幾個(gè)時(shí)間段對樣品進(jìn)行測量。在一個(gè)試驗(yàn)中，包括初始值在內(nèi)至少要測量5次。例如以上這個(gè)試驗(yàn)，對于Q-SUN測試，我們至少要測量初始值即0小時(shí)、200小時(shí)、400小時(shí)、600小時(shí)、800小時(shí)及1000小時(shí)的結(jié)果，而在北京曝曬2年的試驗(yàn)，至少要測量初始值即0個(gè)月、6個(gè)月、1年、18個(gè)月及2年的結(jié)果。

通過觀察表4，我們同時(shí)發(fā)現(xiàn)，Q-SUN日曬老化試驗(yàn)箱測試時(shí)間不夠長，應(yīng)該再多測試一些時(shí)間，如2000h或3000h。

3.3戶外曝曬之間及與Q-Sun試驗(yàn)中樣品失光率之間的相關(guān)性

3.3.1各地區(qū)戶外曝曬試驗(yàn)中樣品失光率之間的相關(guān)性

對于樣品的失光率，我們同樣首先研究戶外曝曬試驗(yàn)結(jié)果各地區(qū)之間的相關(guān)性如何。下面的表5是幾個(gè)不同地區(qū)戶外曝曬試驗(yàn)中樣品失光率之間的相關(guān)系數(shù)。

通過觀察表5中的數(shù)據(jù)，我們發(fā)現(xiàn)，戶外曝曬之間的相關(guān)系數(shù)不是很好。即使是同一地區(qū)，曝曬1年和曝曬2年的試驗(yàn)結(jié)果之間的相關(guān)性也不全是好的，其中廣州1年與廣州2年之間的相關(guān)系數(shù)只有0.17。不同地區(qū)之間的相關(guān)系數(shù)更是不理想，尤其是海南1年、海南2年與其它地區(qū)之間的相關(guān)系數(shù)。

3.3.2 Q-SUN氙燈耐候老化試驗(yàn)機(jī)與戶外曝曬試驗(yàn)中樣品失光率之間的相關(guān)性

在研究戶外曝曬不同地區(qū)之間的相關(guān)性的同時(shí)，我們也研究了Q-SUN與戶外曝曬試驗(yàn)中樣品失光率之間的相關(guān)性，具體相關(guān)系數(shù)如表6所示。

與表5相比較，表6中Q-SUN氙燈耐候老化試驗(yàn)機(jī)與戶外曝曬試驗(yàn)中樣品失光率之間的相關(guān)系數(shù)反而不是很差，一般都大于0.60。Q-SUN氙燈耐候加速老化試驗(yàn)箱與寶鋼1年的相關(guān)系數(shù)高達(dá)0.94。

在戶外復(fù)雜曝曬因素的影響下，我們能得到表6所示的Q-SUN人工加速氙燈老化試驗(yàn)箱與戶外曝曬試驗(yàn)中樣品失光率之間的相關(guān)系數(shù)，已經(jīng)說明它們之間的相關(guān)性較好了。不過同樣因?yàn)楸敬卧囼?yàn)我們的測量數(shù)值較少，只能大體知道在Q-SUN氙燈老化試驗(yàn)箱中測試1000小時(shí)，樣品的失光率相當(dāng)于寶鋼2年的結(jié)果，而無法計(jì)算出一個(gè)準(zhǔn)確的數(shù)值。

4 結(jié)論和建議

本文研究了幾種不同樹脂體系彩涂板的戶外曝曬和實(shí)驗(yàn)室加速耐候試驗(yàn)。通過本次試驗(yàn)，我們認(rèn)識到戶外曝曬是實(shí)驗(yàn)室加速耐候試驗(yàn)的基礎(chǔ)，積極開展戶外老化測試是非常重要的，要利用戶外曝曬試驗(yàn)指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)室加速測試。由于戶外曝曬因素的復(fù)雜性，如曝曬樣品受到酸雨、鹽霧、霉菌、工業(yè)沉降物的影響，實(shí)驗(yàn)室加速試驗(yàn)無法完全模擬戶外試驗(yàn)中出現(xiàn)的所有老化現(xiàn)象。

通過合理評估和統(tǒng)計(jì)分析，對于樣品的顏色變化和失光率，我們得到了較好的Q-SUN人工加速氙燈老化試驗(yàn)箱與戶外曝曬之間的相關(guān)系數(shù)。通過本次試驗(yàn)，我們還注意到試驗(yàn)過程中一些需要改進(jìn)的地方：對戶外曝曬樣品進(jìn)行評估前，應(yīng)清洗一半樣品而不是全部清洗，以免以后再次評估時(shí)無據(jù)可查。

在試驗(yàn)過程中，包括初始值在內(nèi)至少對樣品評估5次，以免數(shù)據(jù)過少不便于統(tǒng)計(jì)分析試驗(yàn)結(jié)果。試驗(yàn)終點(diǎn)的確定也很重要，比如本次試驗(yàn)中，樣品的某些性能在實(shí)驗(yàn)室加速試驗(yàn)中沒有達(dá)到戶外曝曬的老化程度。

還有很重要的一點(diǎn)，就是現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)室加速試驗(yàn)方法的局限性。如，我們可以加入酸雨模擬試驗(yàn)（可在Q-SUN Xe-3HD型號中實(shí)現(xiàn)）來模擬重慶地區(qū)的曝曬環(huán)境，加入紫外鹽霧復(fù)合試驗(yàn)同（可在QUV+Q-FOG中實(shí)現(xiàn)）來模擬海南、廣州沿海地區(qū)的曝曬環(huán)境。