鋼結構防腐涂料人工加速老化與自然老化相關性的研究
鋼結構防腐涂料作為一種常用的涂料，在使用時其涂層容易受到太陽輻照而老化失效。研究涂料老化所用到的試驗方法有兩種，即人工加速老化試驗和自然氣候老化試驗。人工加速老化試驗雖然試驗周期短，但不能完全準確的模擬自然氣候環(huán)境所有因素，數據結果跟實際自然氣候暴曬試驗的結果會出現(xiàn)數據失真。而自然氣候暴曬試驗的試驗周期過長，不具備老化評價的時效性。因此，將自然暴曬試驗和人工老化試驗相結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。本文對于鋼結構防腐涂料在氙燈老化光源下進行的人工加速老化試驗以及在廣東省汕尾陸河自然暴曬場進行的自然老化試驗的基礎上，探討建筑涂料在自然暴曬試驗和人工加速老化試驗的相關性，再預算涂料使用壽命，已得到涂料質量控制的目的。
1 實驗部分
1.1涂層試板的制備
鋼結構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品，產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）和140mm×250mm（用于自然氣候暴曬試驗）的鍍鋅鋼板上。
1.2試驗設備
氙燈人工加速老化試驗箱（型號：Ci5000）：美國ATLAS公司；BYK 4520多角度光澤度計：德國BYK-Gardner公司；CR10色差計：日本KONICA MOINLTA公司。
1.3 試驗方法
1.3.1自然氣候暴曬試驗
本項目所有自然氣候老化試驗均是在廣州合成材料研究院有限公司自然曝曬試驗場完成，曝曬場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。曝曬場地條件符合 GB/T 9276和 SAE J1976的有關規(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，并以三個月為周期進行檢測。
1.3.2人工加速老化試驗
在人工加速老化箱中按照國家標準GB/T 1865-2009進行人工加速老化試驗，試驗條件為：輻照度(340 nm)：0.51w/m2；相對濕度:(40～60)％；黑標溫度:(65±2)℃；降雨周期:18 min/102 min(噴水時間/不噴水時間)。每五百小時對涂膜的各項耐老化性能進行測試。
1.4性能測試
按照GB/T 9754-2007測量涂層85°鏡面光澤，按照 GB/T 1766-2008評價涂層失光等級；依據ISO 7724.3-1984測量涂層色差變化，按照 GB/T 1766-2008評價涂層變色等級進；采用傅里葉變換衰減全反射紅外光譜測定涂層紅外光譜，考察表層分子結構的變化。掃描次數為32，分辨率為4 cm-1，掃描范圍600～4 000 cm-1。
2 結果與討論
2.1老化前后涂層光澤的變化
對人工加速老化6000h后鋼結構防腐涂料的涂層光澤進行考察，每500小時測量一次，結果如圖1所示。
圖1 涂膜失光率隨人工老化時間的變化
從圖1中可以看出，鋼結構防腐涂料老化3000h后失光率為8%，失光等級為1級。隨著老化時間的繼續(xù)延長，鋼結構防腐涂料在老化6000 h時，失光率達到52%，出現(xiàn)嚴重失光，失光等級達到4級。
圖2 涂膜失光率隨自然老化時間的變化
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，鋼結構防腐涂料在陸河自然暴曬場自然老化一年后出現(xiàn)了1級很輕微的失光。當自然老化兩年后，鋼結構防腐涂料出現(xiàn)輕微失光，失光率達到11%，失光等級為1級。鋼結構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
對人工加速老化9000h后建筑外涂涂料涂層的色差進行考察，每500小時測量一次，結果如圖3所示。
圖3 涂層色差隨人工老化時間的變化曲線
從圖3中可以看出，氙燈老化1000 h的鋼結構防腐涂膜試板的色差△E*為0.7，失光等級無變化，都為0級，說明鋼結構防腐涂膜具有耐老化性能。當氙燈老化時間達到8500 h時，鋼結構防腐涂料的色差△E*為9.7，變色等級已達到4級，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間的變化曲線
圖4為涂膜色差隨自然老化時間的變化曲線，從圖4中可以看出，鋼結構防腐涂料老化自然氣候老化兩年后色差△E*為5.2，變色等級為2級輕微變色。鋼結構防腐涂料的耐老化性相對較弱。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系數的計算
根據樣品在自然氣候暴露試驗中的太陽輻照總量（表1中的總輻照量）與人工加速老化試驗中的輻照度，計算太陽輻照度相等的情況下，自然暴曬兩年相當于實驗室中人工加速老化試驗的時間，計算公式如公式1所示：
公式1中，Ti為人工加速老化試驗的時間，單位為小時（h）；Hg為自然氣候暴露試驗中的太陽輻照總量，單位為焦每平方米(MJ/m2 )；R為溫度修正系數；60%為300～800 nm的波長范圍內太陽輻照量所占總輻照量的百分數；Ei為氙燈老化試驗箱使用Boro/Boro濾鏡組合時，其發(fā)射的光譜波長范圍在300～800nm的輻照度，單位為瓦每平方米(W/m2)；3600秒=1小時。
監(jiān)測兩年的太陽輻照總量Hg＝（4926+4883）×106 J/m2；溫度修正系數R=67%；氙燈光照輻射強度Ei＝550 W/m2；計算得到Ti=1991.7 h；即得到實驗室人工加速老化1992小時相當于濕熱氣候環(huán)境中的自然暴露兩年，實驗室人工老化996小時相當于廣東地區(qū)氣候環(huán)境中暴曬老化一年。不同涂料類型是否能夠應用這一計算公式推斷其實驗室人工老化996小時相當于戶外自然暴曬一年，還需計算不同涂料類型這兩個老化試驗方法之間的相關系數。
根據所得評估結果的數據，計算鋼結構防腐涂料自然戶外曝曬與氙燈試驗室加速測試方法之間的相關系數(spearman)。該相關系數是通過兩中不同的老化方法對同一種試驗進行測試所得試驗結果之間的相關性，并計算自然氣候暴露和人工加速老化試驗的相關系數，計算公式如公式2所示：
公式2中，rs為相關系數；n為人工加速老化試驗（X）和自然氣候暴露試驗（Y）這兩個因素各自的元素個數，即試驗的樣品重復數；di為兩個因素（X、Y）中每一個樣品按升冪排序后 Xi、Yi的排位數之間的差值；rs的絕對值越接近1，兩種老化試驗方法的相關性越強。按照上述公式1中計算得出的實驗室老化大約2000小時相當于自然氣候暴曬兩年，再根據上節(jié)中結果，鋼結構防腐涂料人工老化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。每種老化試驗方法各投七個平行樣，每個樣品的色差變化△E*的數據結果和排序如表1所示。
表1 鋼結構防腐涂料人工加速和自然暴露后的色差變化△E*排序表
結合表中數據依據公式2所述的spearman相關系數的計算公式 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的相關系數rs為0.89，同理得到，996×0.89=886小時，對于鋼結構防腐涂料，實驗室內人工加速老化886小時相當于廣東地區(qū)自然氣候中暴曬老化一年。
3 結論
鋼結構防腐涂料同時進行自然氣候老化試驗和人工加速老化試驗，實時監(jiān)控老化過程，每個檢查周期內對涂層宏觀性能的數據結果進行測定，根據兩種老化試驗的數據結果，計算得出涂料自然戶外曝曬與實驗室人工加速測試方法之間的相關系數為0.89，表明人工老化與自然暴露的結果相關性比較好，即鋼結構防腐涂料的實驗室內人工加速老化大約886小時相當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基礎，對改善涂料的生產技術和提高涂料的應用價值等提供的技術指導，也為建立實驗室與戶外自然暴曬試驗的相互對比和預測涂料使用壽命提供基礎依據。
