通過q-lab老化試驗(yàn)箱分析木材涂層老化和預(yù)測(cè)其耐久性

摘要

木器涂料的性能分別通過EN927-6和EN927-3的人工氣候試驗(yàn)和自然氣候試驗(yàn)進(jìn)行評(píng)價(jià)。在這兩種情況下，暴露后樣品的降解主要通過視覺評(píng)估來控制，如開裂、剝落、起泡、粉化、霉菌生長。與未暴露的樣品相比，這些主觀評(píng)估按0(無變化)至5(嚴(yán)重變化)的等級(jí)進(jìn)行評(píng)級(jí)。為了避免降解過程中的主觀解釋，通過分析方法對(duì)木材涂層老化進(jìn)行了分析。本文報(bào)道了通過量熱法研究對(duì)人工和自然老化的分析。目的是研究兩種暴露類型的玻璃轉(zhuǎn)化溫度Tg的變化，并找到Tg和木材涂層系統(tǒng)耐久性之間的聯(lián)系。

在不同類型的老化過程中，醇酸染色劑的玻璃轉(zhuǎn)化溫度的變化

在以前的研究項(xiàng)目中，研究木器涂料的自然和人工老化的方法是在醇酸樹脂染色劑上開發(fā)的。它包括測(cè)量聚合物的玻璃轉(zhuǎn)化溫度(Tg)隨老化時(shí)間的變化。Tg是一個(gè)有趣的特性，因?yàn)樗鶕?jù)聚合物的結(jié)構(gòu)參數(shù)而變化，如表1所示。

不管是什么類型的老化，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，玻璃轉(zhuǎn)化溫度在老化初期會(huì)增加，然后穩(wěn)定在一個(gè)漸進(jìn)的Tg∞值，如圖1所示。這些變化是典型的朝向極限值的指數(shù)式增長。為了描述Tg隨時(shí)間的變化，提出了一個(gè)模型如下：

Tg (t) = Tg₀ + Tg₁ (1-exp(-t/τ ))

其中 Tg = Tg₀ 當(dāng) t=0 和Tg → Tg∞ = Tg₀+Tg₁ 當(dāng)t→∞

τ是一個(gè)時(shí)間常數(shù)。

由于紫外光和溫度的影響，涂層交聯(lián)繼續(xù)進(jìn)行。如表1所解釋的，新的鍵形成導(dǎo)致Tg增加。在所研究的老化期間，由于沒有觀察到Tg的降低，大分子網(wǎng)絡(luò)沒有發(fā)生化學(xué)降解。

人工和自然老化可以用三個(gè)數(shù)據(jù)來表征:Tg₀、Tg∞和τ。 在三種類型的老化之后，對(duì)醇酸污漬的這些數(shù)據(jù)進(jìn)行了比較:

巴黎附近12個(gè)月的自然老化

在輪轂上進(jìn)行1300小時(shí)的人工氣候老化(循環(huán)=在蒸餾水中12分鐘，在環(huán)境大氣中27分鐘，在6個(gè)紫外燈下24分鐘，在環(huán)境大氣中27分鐘)

在q-lab老化試驗(yàn)箱QUV中進(jìn)行500小時(shí)的人工老化(周期=用UVB-313nm照射5小時(shí)，噴水1小時(shí))

結(jié)果見表2。

自然老化后，醇酸污漬的最高玻璃轉(zhuǎn)化溫度約為27℃。用砂輪進(jìn)行人工老化后，最高玻璃轉(zhuǎn)化溫度約為25 ℃,這與自然老化后獲得的玻璃轉(zhuǎn)化溫度非常相似。這意味著輪轂再現(xiàn)了在自然老化中觀察到的Tg變化。在q-lab老化試驗(yàn)箱QUV中人工老化后，醇酸污漬的最大玻璃轉(zhuǎn)化溫度為約16 ℃,這比在自然老化和用輪轂人工老化中獲得的值低得多。

自然老化的時(shí)間常數(shù)τ約為700小時(shí)，用輪轂人工老化約為60小時(shí)，用q-lab老化試驗(yàn)箱QUV人工老化約為50小時(shí)。因此，輪轂將自然老化過程中觀察到的現(xiàn)象加速了約12倍，而QUV產(chǎn)生的加速度約為14倍。

此外，所開發(fā)的模型允許表達(dá)涂層的固化速率

紫外線吸收劑對(duì)玻璃轉(zhuǎn)化溫度變化的影響 用用3%紫外線吸收劑(羥苯基苯并三唑)改性的相同醇酸著色劑進(jìn)行了類似的實(shí)驗(yàn)。圖2顯示了使用輪轂進(jìn)行人工老化的結(jié)果示例。

所建議的模型對(duì)于含有紫外線吸收劑的醇酸污漬仍然有效:觀察到Tg增加，然后穩(wěn)定，但是數(shù)值低于沒有紫外線吸收劑的相同涂料的數(shù)值。在沒有紫外線吸收劑的涂層上可以觀察到裂紋，而具有添加劑的涂層是完整的。由于其較低的Tg值，這種材料更加靈活，可以更好地適應(yīng)木材的尺寸變化。

自然老化周期對(duì)玻璃轉(zhuǎn)化溫度變化的影響

對(duì)于自然老化，暴露時(shí)間對(duì)Tg變化有影響，最高室外溫度和Tg之間的聯(lián)系如圖3和圖4所示。

在圖3中，在老化的第一個(gè)月，室外溫度高于Tg。聚合物可以繼續(xù)交聯(lián)，導(dǎo)致Tg增加。從九月開始，室外溫度明顯下降。它導(dǎo)致Tg的穩(wěn)定。低溫阻礙了聚合物網(wǎng)絡(luò)的形成。在圖4中，在最初的幾個(gè)月中，室外溫度低于Tg，并使網(wǎng)絡(luò)保持其狀態(tài)。這就是Tg變化不大的原因。從三月開始，室外溫度的升高使得Tg升高。與之前一樣，從9月份開始，室外溫度的下降導(dǎo)致Tg趨于穩(wěn)定。

不同類型涂層在不同類型老化過程中玻璃轉(zhuǎn)化溫度的變化

上面建議的模型是在醇酸染色劑上開發(fā)的。因此，使用不同類型的涂料(溶劑型和水性)和不同類型的老化進(jìn)行了進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)，以檢查該模型是否可用于所有情況。

表3中描述的五種涂層系統(tǒng)已經(jīng)應(yīng)用于樟子松樣品。

將樣品暴露于三種不同類型的老化中，并在不同的老化時(shí)間進(jìn)行Tg測(cè)量。比較了以下結(jié)果:

巴黎附近的自然老化，歷時(shí)13個(gè)月

在1200小時(shí)內(nèi)用輪轂進(jìn)行人工老化(與上述周期相同)

用q-lab老化試驗(yàn)箱QUV進(jìn)行人工老化:在這種情況下，循環(huán)與上述不同，但如下進(jìn)行:48小時(shí)冷凍(-20℃)，然后24小時(shí)冷凝(45℃)，然后在96小時(shí)期間(3小時(shí)UV-340nm，然后1小時(shí)噴霧)。一個(gè)周期持續(xù)1周，一直重復(fù)12周(2016h)。這個(gè)循環(huán)來自于同期進(jìn)行的Arwood項(xiàng)目。

已經(jīng)使用了模型Tg (t) = Tg0 + Tg1 (1-exp(-t/τ))。由于以下計(jì)算，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和計(jì)算數(shù)據(jù)之間的距離已經(jīng)最小化:

則決定系數(shù)r計(jì)算如下:

給出了QUV(圖5)和輪轂(圖6)人工老化期間系統(tǒng)WB3的結(jié)果示例。

對(duì)于每個(gè)涂層系統(tǒng)，即使使用q-lab老化試驗(yàn)箱QUV，在自然老化中獲得的Tg∞值也接近在人工老化中獲得的值。因此，這里使用的循環(huán)(來自Arwood項(xiàng)目)比之前的循環(huán)(5h UV-313nm+1h噴霧)更有趣，可以再現(xiàn)自然老化中發(fā)生的情況。

r2的值表明，該模型很適合所有的涂層，也許除了WB2。

經(jīng)過一年的自然老化后，對(duì)樣品的檢查沒有發(fā)現(xiàn)任何缺陷。對(duì)其他涂層在自然老化2年后的類似研究表明，出現(xiàn)裂紋的涂層的Tg值高于30℃。因此，通過配制Tg值低于30℃的涂層，可以獲得更好的耐久性。

結(jié)論

通過測(cè)量玻璃轉(zhuǎn)化溫度(Tg)研究了不同涂層的自然和人工氣候老化。有人建議用一個(gè)模型來描述Tg的變化。這種型號(hào)似乎適用于大多數(shù)涂料。與自然老化相比，驗(yàn)證不同的人工老化循環(huán)是有用的。已經(jīng)顯示出Tg和耐久性之間的聯(lián)系。Tg值越低，耐久性越高。