鋼結(jié)構(gòu)防腐涂料人工加速老化與自然老化相關(guān)性的研究
鋼結(jié)構(gòu)防腐涂料作為一種常用的涂料，在使用時(shí)其涂層容易受到太陽(yáng)輻照而老化失效。研究涂料老化所用到的試驗(yàn)方法有兩種，即人工加速老化試驗(yàn)和自然氣候老化試驗(yàn)。人工加速老化試驗(yàn)雖然試驗(yàn)周期短，但不能完全準(zhǔn)確的模擬自然氣候環(huán)境所有因素，數(shù)據(jù)結(jié)果跟實(shí)際自然氣候暴曬試驗(yàn)的結(jié)果會(huì)出現(xiàn)數(shù)據(jù)失真。而自然氣候暴曬試驗(yàn)的試驗(yàn)周期過長(zhǎng)，不具備老化評(píng)價(jià)的時(shí)效性。因此，將自然暴曬試驗(yàn)和人工老化試驗(yàn)相結(jié)合的方法來研究涂料的老化性能是目前材料老化研究研究的發(fā)展方向。本文對(duì)于鋼結(jié)構(gòu)防腐涂料在氙燈老化光源下進(jìn)行的人工加速老化試驗(yàn)以及在廣東省汕尾陸河自然暴曬場(chǎng)進(jìn)行的自然老化試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，探討建筑涂料在自然暴曬試驗(yàn)和人工加速老化試驗(yàn)的相關(guān)性，再預(yù)算涂料使用壽命，已得到涂料質(zhì)量控制的目的。
1 實(shí)驗(yàn)部分
1.1涂層試板的制備
鋼結(jié)構(gòu)防腐涂料選自廣東省廣州市某涂料有限公司的市面銷售產(chǎn)品，產(chǎn)品名稱為易涂超耐候環(huán)氧樹脂面漆，顏色為灰色，涂料涂覆在尺寸為150 mm×70 mm（用于人工加速老化試驗(yàn)）和140mm×250mm（用于自然氣候暴曬試驗(yàn)）的鍍鋅鋼板上。
1.2試驗(yàn)設(shè)備
氙燈人工加速老化試驗(yàn)箱（型號(hào)：Ci5000）：美國(guó)ATLAS公司；BYK 4520多角度光澤度計(jì)：德國(guó)BYK-Gardner公司；CR10色差計(jì)：日本KONICA MOINLTA公司。
1.3 試驗(yàn)方法
1.3.1自然氣候暴曬試驗(yàn)
本項(xiàng)目所有自然氣候老化試驗(yàn)均是在廣州合成材料研究院有限公司自然曝曬試驗(yàn)場(chǎng)完成，曝曬場(chǎng)地處廣東省汕尾市陸河縣新田鎮(zhèn)聯(lián)安村，北緯 23度16分，東經(jīng)115度38分，位于北回歸線以南，屬于亞熱帶鄉(xiāng)村濕熱氣候類型，是典型的廣東地區(qū)自然氣候環(huán)境。曝曬場(chǎng)地條件符合 GB/T 9276和 SAE J1976的有關(guān)規(guī)定。所用曝曬裝置為無背板固定45°角曝曬架，試樣面朝正南方向，并與地平線成45°角。涂料樣板曝曬期限為兩年，并以三個(gè)月為周期進(jìn)行檢測(cè)。
1.3.2人工加速老化試驗(yàn)
在人工加速老化箱中按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 1865-2009進(jìn)行人工加速老化試驗(yàn)，試驗(yàn)條件為：輻照度(340 nm)：0.51w/m2；相對(duì)濕度:(40～60)％；黑標(biāo)溫度:(65±2)℃；降雨周期:18 min/102 min(噴水時(shí)間/不噴水時(shí)間)。每五百小時(shí)對(duì)涂膜的各項(xiàng)耐老化性能進(jìn)行測(cè)試。
1.4性能測(cè)試
按照GB/T 9754-2007測(cè)量涂層85°鏡面光澤，按照 GB/T 1766-2008評(píng)價(jià)涂層失光等級(jí)；依據(jù)ISO 7724.3-1984測(cè)量涂層色差變化，按照 GB/T 1766-2008評(píng)價(jià)涂層變色等級(jí)進(jìn)；采用傅里葉變換衰減全反射紅外光譜測(cè)定涂層紅外光譜，考察表層分子結(jié)構(gòu)的變化。掃描次數(shù)為32，分辨率為4 cm-1，掃描范圍600～4 000 cm-1。
2 結(jié)果與討論
2.1老化前后涂層光澤的變化
對(duì)人工加速老化6000h后鋼結(jié)構(gòu)防腐涂料的涂層光澤進(jìn)行考察，每500小時(shí)測(cè)量一次，結(jié)果如圖1所示。
圖1 涂膜失光率隨人工老化時(shí)間的變化
從圖1中可以看出，鋼結(jié)構(gòu)防腐涂料老化3000h后失光率為8%，失光等級(jí)為1級(jí)。隨著老化時(shí)間的繼續(xù)延長(zhǎng)，鋼結(jié)構(gòu)防腐涂料在老化6000 h時(shí)，失光率達(dá)到52%，出現(xiàn)嚴(yán)重失光，失光等級(jí)達(dá)到4級(jí)。
圖2 涂膜失光率隨自然老化時(shí)間的變化
圖2為自然老化過程中涂層失光率的變化情況，從圖2中可以直觀的看出，鋼結(jié)構(gòu)防腐涂料在陸河自然暴曬場(chǎng)自然老化一年后出現(xiàn)了1級(jí)很輕微的失光。當(dāng)自然老化兩年后，鋼結(jié)構(gòu)防腐涂料出現(xiàn)輕微失光，失光率達(dá)到11%，失光等級(jí)為1級(jí)。鋼結(jié)構(gòu)防腐涂料的自然老化規(guī)律均表現(xiàn)出和人工加速老化相似的老化規(guī)律。
2.2老化前后涂層色差的變化
對(duì)人工加速老化9000h后建筑外涂涂料涂層的色差進(jìn)行考察，每500小時(shí)測(cè)量一次，結(jié)果如圖3所示。
圖3 涂層色差隨人工老化時(shí)間的變化曲線
從圖3中可以看出，氙燈老化1000 h的鋼結(jié)構(gòu)防腐涂膜試板的色差△E*為0.7，失光等級(jí)無變化，都為0級(jí)，說明鋼結(jié)構(gòu)防腐涂膜具有耐老化性能。當(dāng)氙燈老化時(shí)間達(dá)到8500 h時(shí)，鋼結(jié)構(gòu)防腐涂料的色差△E*為9.7，變色等級(jí)已達(dá)到4級(jí)，涂層表面出現(xiàn)較大失光，涂層失效。
圖4 涂膜色差隨自然老化時(shí)間的變化曲線
圖4為涂膜色差隨自然老化時(shí)間的變化曲線，從圖4中可以看出，鋼結(jié)構(gòu)防腐涂料老化自然氣候老化兩年后色差△E*為5.2，變色等級(jí)為2級(jí)輕微變色。鋼結(jié)構(gòu)防腐涂料的耐老化性相對(duì)較弱。在自然氣候老化出現(xiàn)中出現(xiàn)和氙燈人工加速老化相似的規(guī)律。
2.3自然暴曬和人工老化相關(guān)系數(shù)的計(jì)算
根據(jù)樣品在自然氣候暴露試驗(yàn)中的太陽(yáng)輻照總量（表1中的總輻照量）與人工加速老化試驗(yàn)中的輻照度，計(jì)算太陽(yáng)輻照度相等的情況下，自然暴曬兩年相當(dāng)于實(shí)驗(yàn)室中人工加速老化試驗(yàn)的時(shí)間，計(jì)算公式如公式1所示：
公式1中，Ti為人工加速老化試驗(yàn)的時(shí)間，單位為小時(shí)（h）；Hg為自然氣候暴露試驗(yàn)中的太陽(yáng)輻照總量，單位為焦每平方米(MJ/m2 )；R為溫度修正系數(shù)；60%為300～800 nm的波長(zhǎng)范圍內(nèi)太陽(yáng)輻照量所占總輻照量的百分?jǐn)?shù)；Ei為氙燈老化試驗(yàn)箱使用Boro/Boro濾鏡組合時(shí)，其發(fā)射的光譜波長(zhǎng)范圍在300～800nm的輻照度，單位為瓦每平方米(W/m2)；3600秒=1小時(shí)。
監(jiān)測(cè)兩年的太陽(yáng)輻照總量Hg＝（4926+4883）×106 J/m2；溫度修正系數(shù)R=67%；氙燈光照輻射強(qiáng)度Ei＝550 W/m2；計(jì)算得到Ti=1991.7 h；即得到實(shí)驗(yàn)室人工加速老化1992小時(shí)相當(dāng)于濕熱氣候環(huán)境中的自然暴露兩年，實(shí)驗(yàn)室人工老化996小時(shí)相當(dāng)于廣東地區(qū)氣候環(huán)境中暴曬老化一年。不同涂料類型是否能夠應(yīng)用這一計(jì)算公式推斷其實(shí)驗(yàn)室人工老化996小時(shí)相當(dāng)于戶外自然暴曬一年，還需計(jì)算不同涂料類型這兩個(gè)老化試驗(yàn)方法之間的相關(guān)系數(shù)。
根據(jù)所得評(píng)估結(jié)果的數(shù)據(jù)，計(jì)算鋼結(jié)構(gòu)防腐涂料自然戶外曝曬與氙燈試驗(yàn)室加速測(cè)試方法之間的相關(guān)系數(shù)(spearman)。該相關(guān)系數(shù)是通過兩中不同的老化方法對(duì)同一種試驗(yàn)進(jìn)行測(cè)試所得試驗(yàn)結(jié)果之間的相關(guān)性，并計(jì)算自然氣候暴露和人工加速老化試驗(yàn)的相關(guān)系數(shù)，計(jì)算公式如公式2所示：
公式2中，rs為相關(guān)系數(shù)；n為人工加速老化試驗(yàn)（X）和自然氣候暴露試驗(yàn)（Y）這兩個(gè)因素各自的元素個(gè)數(shù)，即試驗(yàn)的樣品重復(fù)數(shù)；di為兩個(gè)因素（X、Y）中每一個(gè)樣品按升冪排序后 Xi、Yi的排位數(shù)之間的差值；rs的絕對(duì)值越接近1，兩種老化試驗(yàn)方法的相關(guān)性越強(qiáng)。按照上述公式1中計(jì)算得出的實(shí)驗(yàn)室老化大約2000小時(shí)相當(dāng)于自然氣候暴曬兩年，再根據(jù)上節(jié)中結(jié)果，鋼結(jié)構(gòu)防腐涂料人工老化2000 h后的色差變化△E*為2.5，自然暴曬老化兩年后的色差變化△E*為2.6。每種老化試驗(yàn)方法各投七個(gè)平行樣，每個(gè)樣品的色差變化△E*的數(shù)據(jù)結(jié)果和排序如表1所示。
表1 鋼結(jié)構(gòu)防腐涂料人工加速和自然暴露后的色差變化△E*排序表
結(jié)合表中數(shù)據(jù)依據(jù)公式2所述的spearman相關(guān)系數(shù)的計(jì)算公式 rs=1-6×[(6-5)2+(2-1)2+(1-2)2+(4-3)2+(7-7)2+(5-6)2+(3-4)2]/7×(72-1) =0.89，得出自然氣候暴露和人工加速老化試驗(yàn)的相關(guān)系數(shù)rs為0.89，同理得到，996×0.89=886小時(shí)，對(duì)于鋼結(jié)構(gòu)防腐涂料，實(shí)驗(yàn)室內(nèi)人工加速老化886小時(shí)相當(dāng)于廣東地區(qū)自然氣候中暴曬老化一年。
3 結(jié)論
鋼結(jié)構(gòu)防腐涂料同時(shí)進(jìn)行自然氣候老化試驗(yàn)和人工加速老化試驗(yàn)，實(shí)時(shí)監(jiān)控老化過程，每個(gè)檢查周期內(nèi)對(duì)涂層宏觀性能的數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行測(cè)定，根據(jù)兩種老化試驗(yàn)的數(shù)據(jù)結(jié)果，計(jì)算得出涂料自然戶外曝曬與實(shí)驗(yàn)室人工加速測(cè)試方法之間的相關(guān)系數(shù)為0.89，表明人工老化與自然暴露的結(jié)果相關(guān)性比較好，即鋼結(jié)構(gòu)防腐涂料的實(shí)驗(yàn)室內(nèi)人工加速老化大約886小時(shí)相當(dāng)于自然氣候暴露一年。這種研究方法為耐候性涂膜老化方法研究提供技術(shù)基礎(chǔ)，對(duì)改善涂料的生產(chǎn)技術(shù)和提高涂料的應(yīng)用價(jià)值等提供的技術(shù)指導(dǎo)，也為建立實(shí)驗(yàn)室與戶外自然暴曬試驗(yàn)的相互對(duì)比和預(yù)測(cè)涂料使用壽命提供基礎(chǔ)依據(jù)。
