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建筑涂层加速腐蚀老化试验方法探究
发布时间:2018-06-12 13:14 点击次数:
随着我国建筑行业的迅速发展,建筑涂料与涂层大量应用于大型公共及民用建筑工程,一般建筑设计寿命为50 a,大型重要建筑的设计耐久年限通常在100 a以上,这对建筑材料的耐候性提出了很高的要求。涂层兼具装饰性与保护性,主要通过屏障作用,将建筑材料与外部介质隔离,从而对建筑进行保护[1]。建筑涂层在大气(特别是污染大气)环境中逐渐老化,经日晒、雨淋、凝露、大气污染物等因素的反复作用,产生失光、变色、粉化、开裂、脱落等现象,除自身的性能逐渐丧失外,同时也丧失对基体的保护作用[2-4]。因此,有必要对建筑涂层体系及其耐久性进行研究,尽可能使建筑涂层与建筑主体结构功能寿命匹配,减少维护费用。
建筑涂层主要有建筑外墙涂层、金属或金属复合装饰板涂层等。按成分可分为有机类和无机类,有机涂层又可分为水溶性、溶剂型和水性乳液3种,无机涂层主要为碱性硅酸盐类。不同种类建筑涂层的使用环境不同,如室内涂层与室外涂层使用环境不同,环境光辐照量与水分等条件差别巨大,因而人工老化试验条件也应该有所区别,而现有的建筑涂层标准为单一的产品标准,每种涂层都有其对应标准,而标准中规定的涂层耐老化试验仅规定了涂层耐受人工老化试验的时间,并没有针对不同种类涂层的人工老化试验条件作具体的规定与区别。
自然曝露环境试验能够反映涂层的实际使用情况,所得数据直观可靠,但试验周期长,不能满足工艺生产的迫切需要,且具有复杂多样性,难以评估每个具体环境因素所起的作用。因此,需要寻找合适的人工加速老化试验方法来模拟实际使用条件,为材料的研发与应用提供快速的质量检测与评价依据[5]。
现有的人工加速腐蚀老化试验主要有2类:一类为加速光老化试验方法,包括:氙灯、紫外荧光灯、碳弧灯等;另一类为加速腐蚀试验方法,主要有盐雾、湿热、周浸等。本文对国内外适用于建筑涂层的加速腐蚀老化试验方法标准进行评述总结,供从事建筑涂层研发、检测的人员参考,以推进国内外建筑涂层耐久性评价试验方法标准化工作。
 
人工加速光老化试验方法
人工加速光老化是模拟自然光照条件的加速老化方法。本文主要针对建筑涂层的老化试验方法,因历史上专门针对建筑涂层、甚至是涂层的老化标准较少,早期标准制定时将涂层包括在橡胶、塑料等非金属范畴内,因而下文会有少量的塑料或非金属标准出现。
 
一、碳弧灯光老化试验方法
碳弧灯是一种较古老的技术,分为封闭式碳弧灯和开放式碳弧灯。开放式碳弧灯在300~340 nm波段上更接近于太阳光谱,能更好地模拟太阳光。常见的碳弧灯试验方法标准主要有GB/T 16422.4—2014《塑料 实验室光源曝露试验方法 第4部分:开放式碳弧灯》(等同采用ISO 4892∶2006)和ASTM G153—2013《非金属材料曝晒用封闭式碳弧灯设备操作规程》。
无论哪种碳弧灯,其光谱都与太阳光谱有较大差距。现在除纺织行业个别沿用旧标准的试验,碳弧灯已很少用于加速光老化试验。建筑涂料行业已不将碳弧灯列入人工老化试验标准中。
 
二、紫外荧光灯光老化试验方法
紫外荧光灯主要用于模拟太阳光的紫外辐照部分,目前有2种类型,即荧光灯UVA(UVA-351和UVA-340)与荧光灯UVB(FS40和UVB-313)。UVA波长范围为315~400 nm,UVB的为280~315 nm。
UVA-340主要用于模拟日光中的短和中长范围的紫外光波长,因此推荐用于直接曝露于太阳光下的建筑涂层,比如,可以用它来比较不同种类建筑外墙涂层(如,丙烯酸、氟碳涂层等)的耐侯性[6]。而UVA-351用于模拟已经被窗玻璃过滤的短和中长范围的紫外光波长,可用于室内建筑涂层的紫外光老化试验。
UVB-313会发射许多短波光,与太阳光中紫外部分差别较大,容易引起在实际使用环境中不存在的老化现象,不适合模拟太阳光,主要用于快速筛选和评价建筑涂层的耐紫外线性能。FS40是最初的QUV灯管,现已很少使用,适用范围也仅限于一些传统的汽车老化试验,不用于建筑涂层的老化试验。
紫外荧光灯老化试验可模拟建筑涂层实际使用环境中紫外辐照、温度、雨水、凝露、黑暗和干湿交替等诸多户外环境条件。国内外有许多涂层紫外老化试验方法的标准,如:GB/T 23987—2009《色漆与清漆 涂层的人工气候老化曝露 曝露于荧光紫外线和水》(等同采用ISO 11507∶2007)、ASTM G154—2006《非金属材料曝晒仪(荧光紫外—冷凝型标准操作规程》、GB/T 14522—2008《机械工业产品用塑料、涂料、橡胶材料人工气候老化试验方法 荧光紫外灯》、ASTM D4587—2005《涂层紫外老化试验标准操作规程》等。
以上标准的推荐循环条件见表1。ASTM D4587—2005[7]中仅指定UVA-340荧光灯,进一步表明了UVA-340更适合作为建筑外墙涂层紫外老化试验的辐照光源。ASTM D4587—2005与ASTM G154—2006[8]中都列举了循环1,试验条件相同。
 
三、氙灯光老化试验方法
氙灯老化是近代发展最快的人工加速光老化试验,研究普遍认为,氙灯是目前模拟太阳光谱最接近的一种光源。
现有的氙灯老化试验方法标准有:涂层类专用标准ASTM D6695—2003b《油漆及有关涂层氙弧光曝晒操作规程》和GB/T 1865—2009《色漆和清漆 人工气候老化和人工辐射曝露滤过的氙弧辐射》(等同采用ISO 11341∶2004),相关的可参考的氙灯曝晒操作规程有ASTM G151—2010《使用实验室光源的加速试验装置中非金属材料曝露规程》、ASTM G155—2013《非金属材料曝晒用氙弧灯设备操作规程》、GB/T 16259—2008《建筑材料人工气候加速老化试验方法》等。
以上标准对一般涂层、木制品涂层、船舶漆及汽车内外用涂层、室内外纺织材料等给出了多种推荐使用循环试验方法。除常用的一般涂层循环条件外,其他循环多用于与建筑涂层无关的领域。通用的一般涂层的循环条件沿袭了传统的“102 min光照+18 min水喷淋”,但辐照量较低[340 nm处(0.35±0.02)W·m-2·nm-1;300~400 nm间(41.5±2.5)W·m-2,没有充分模拟户外曝露对涂层的环境影响因素。
目前国内外都没有专门针对建筑涂层的老化试验方法标准,一般的涂层老化标准多为各类涂层的概括性方法标准,而国内各类建筑涂层的产品标准一般选择紫外或人工气候老化(氙灯)进行老化试验,以耐受一定时间的老化试验后涂层的色差或光泽等指标作判定依据,并没有对不同种类建筑涂层做老化试验条件进行梳理规范,在实验手段与条件的选择上还有很大的欠缺。
 
四、加速腐蚀试验方法
盐雾试验主要模拟海洋大气中的盐雾、高湿度、温度及其他因素对涂层的腐蚀。盐雾老化试验方法的标准有:GB/T 10125—2012《人造气氛腐蚀试验 盐雾试验》(等同于ISO 9227∶2006)、ASTM B117—2003《盐雾试验标准操作规程》等。GB/T 10125—2012中详述了3种最常用的盐雾试验,分别为:中性盐雾(NSS)试验、乙酸盐雾(AASS)试验及铜加速乙酸盐雾(CASS)试验。ASTM G85—2011《改性盐雾试验标准操作规程》[9]中详述了改性盐雾老化试验的发展历程。
循环盐雾试验的电解液比传统盐雾试验的稀释了很多,喷雾在室温下进行,而干燥时的温度应在从喷雾循环转向干燥循环的45 min内达到并保持在(35±1.5)℃。
循环盐雾试验实际上是将干湿交替过程引入到盐雾试验中的改进方法,较前4种改性盐雾试验更好地模拟了自然环境条件下的涂层表面由雨水、凝露等形成的液膜薄厚及干湿转化情况。循环盐雾试验可以重现类似自然环境中所看到的丝状腐蚀现象,多检验工业涂层、海洋涂层及各种防护涂层的性能。
循环盐雾试验除用于工业防护涂层外,也广泛应用于各类建筑涂层的加速腐蚀试验中,如醇酸树脂、环氧树脂、乳胶等。Stratmann等[10]对乳胶漆涂层进行了连续盐雾试验、循环盐雾试验与户外海洋环境自然曝露试验,试验结果显示,试样经过循环盐雾试验与户外海洋环境试验后的腐蚀形貌很相似,但连续盐雾试验导致样品的腐蚀形貌差别较大。Shieh[11]研究发现,尽管循环盐雾试验中样品在盐雾环境中的浸润时间只有连续盐雾的一半,且循环盐雾溶液浓度较低,但在干湿交替循环中,始终存在高浓度的盐溶液膜附着在涂层表面。实验表明,循环盐雾试验中盐雾直接作用于涂层上时间短、盐雾溶液浓度低等因素不会减缓实验环境对涂层的腐蚀,而干湿交替的环境会加速涂层的老化,对比连续盐雾试验,循环盐雾试验的加速性和模拟性都更好。但盐雾试验不适用于水性涂层,还需要引入更多的人工加速腐蚀试验方法,以构建更完善的建筑涂层人工加速腐蚀标准体系。
 
五、综合腐蚀老化试验方法
以上老化试验均为单一人工加速老化试验方法,不能够很好地模拟复杂多变的自然气候,因此综合老化试验应运而生。综合老化试验在20世纪80年代为检验工业防护涂层实用性而发明,它综合了循环盐雾试验(ASTM G85—2011)和QUV紫外光曝晒(ASTM G154—2006)2种试验方法,试验条件为:1周循环盐雾试验[25 ℃下喷雾1 h;35 ℃下干燥1 h,电解质溶液为0.05% NaCl溶液+0.35%(NH4)2SO4溶液,反复循环]+1周QUV试验(60 ℃下,UVA-340灯管,辐照度0.89 W·m-2·nm-1,紫外光曝晒4 h;50 ℃下冷凝4 h,反复循环),1个周期14 d,按周期循环。该方法于20世纪90年代中期被ASTM标准采用,现修订版为ASTM D5894—2005《镀膜金属 曝露于循环盐雾/紫外线的标准实施规程(交替暴露在雾/干室和紫外线/冷凝室中)》,ISO 11997—2∶2013等同采用了ASTM D5894—2005。ASTM D5894—2005中只推荐了这种循环方法,而ISO 11997—2∶2013鼓励用户进行更多的创新性选择,如氙灯辐照+循环盐雾等。用户可参考以上标准,将单一的光老化试验标准与循环盐雾试验结合起来,形成更符合自身需要的综合老化试验,如ISO 20340∶2009《色漆和清漆—海上平台和相关结构用防护涂料体系的性能要求》即是一个创新性选用综合老化试验曝露循环的典范。
综合老化腐蚀试验方法是测试涂层耐腐蚀性很有效的方法。该方法已经过一系列相关加速和户外试验结果的验证[12]。研究人员可通过改进ASTM和ISO中的方法,加入不同盐雾溶液、进行冻/融循环和其他调整,开发出与各类建筑涂层的实际使用环境更接近的综合老化试验条件。
有效的人工加速老化试验可以充分模拟实际使用过程中紫外辐照、温度变化、雨水、凝露、明暗及干湿交替等环境条件,在保证加速性的基础上,提高加速试验结果与自然曝露试验的相关性。人工加速老化试验的加速性和相关性的好坏取决于试验条件是否合理。因此研究各种人工加速老化试验条件及相关标准具有重大的现实意义。