人工氣候老化在改良涂料系統(tǒng)的開發(fā)中起著重要的作用，它能夠在比自然氣候老化更短的時間內(nèi)提供性能評估結(jié)果。

但是目前還沒有適用于木材襯底的獲認(rèn)可的人工氣候老化試驗。 在1996年底，歐洲共同體批準(zhǔn)一個大范圍的歐洲研究項目，名為“Arwood”。在1996年到2000年間，十個木材研究機(jī)構(gòu)(CTBA, BRE, WKI, VTT, TRAETEK, EMPA, CC, NIT和RUG)和四個工業(yè)合作伙伴(Tikkurila Oy, Gori-Dyrup, ICI Paints和Cecil)參與了該項目。該項目由CTBA進(jìn)行協(xié)調(diào)。

該項目的主要目的是開發(fā)一種人工氣候老化方法，以便在短時間內(nèi)評估戶外木材涂料的耐候性，從而加速新型涂料系統(tǒng)的工業(yè)開發(fā)，滿足日益苛刻的環(huán)境規(guī)章要求。

試驗本身的開發(fā)必須符合特別的經(jīng)濟(jì)標(biāo)準(zhǔn)，也就是必須使用中小型公司也能負(fù)擔(dān)得起的裝置。這也是讓這些試驗使用已經(jīng)在其他行業(yè)(鋼鐵、塑料)證明切實有效的熒光燈來進(jìn)行循環(huán)試驗的原因。

本項目的方案必須被視作為EN 927“色漆和清漆-戶外木材的涂覆材料和涂覆系統(tǒng)”框架內(nèi)一個新CEN標(biāo)準(zhǔn)的依據(jù)，EN 927系統(tǒng)描述了戶外木材涂料的人工氣候老化試驗。該標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)該是對敘述熒光紫外線人工暴露的幾個現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)的補充，但是這幾個現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)并不針對木材襯底暴露。1,2,3在該研究項目中，用不同的涂料系統(tǒng)和木材襯底進(jìn)行了幾次自然和人工循環(huán)暴露試驗。本文主要報告兩個系列試驗的結(jié)果，這兩個系列試驗特別設(shè)計用于開發(fā)和測試戶外木材涂料系統(tǒng)人工氣候老化所用熒光紫外線裝置的“優(yōu)化”暴露循環(huán)。

材料和方法

襯底

按照prEN 927-34中所述的自然暴露試驗規(guī)范對涂覆木面板進(jìn)行暴露試驗。試驗面板由刨光無缺陷的松(歐洲赤松：Pinus silvestris)邊材構(gòu)成，年輪到暴露面的方向為0到45度。面板大小應(yīng)適合放到裝置特定的樣品架上：在評估試驗系列中，樣品大小為300×75×15mm。某些實驗室使用了面板尺寸為150×75×15mm的樣品，以便在同一裝置內(nèi)相同試驗系列中容納更多的樣品;對于“優(yōu)化”的試驗系列，使用了具有統(tǒng)一尺寸150×74×18mm的稍厚樣品。

每個實驗室對每種涂料系統(tǒng)的三個相同樣品進(jìn)行了試驗，一組未暴露樣品保存起來用于參考控制。為確保樣品材料“一致”，試驗樣品由參與試驗的一家實驗室集中制備。

涂料系統(tǒng)

本研究項目的較大部分是用一個物種(歐洲赤松 Silvestris pine)和六種不同的涂料系統(tǒng)進(jìn)行的，六種不同的涂料系統(tǒng)分別是：兩種白色油漆，其中1種溶劑型的和1種水性的;兩種高成膜性木材染料，其中1種溶劑型的(EN927第3部分：自然氣候老化試驗中使用的ICP)和1種水性的;1種低成膜性溶劑型木材染料;和未涂覆木材，對木材本身的氣候老化進(jìn)行控制。

之所以需要未涂覆樣品，是為了研究裸木材上的老化效應(yīng)。為了方便敘述，未涂覆樣品在表1及下文中稱涂料系統(tǒng)F。表1給出了所選涂料系統(tǒng)的概況。對于每一個系列的試驗，通過涂刷進(jìn)行涂料施用。與prEN 927-3中自然暴露試驗不同，面板背面進(jìn)行了涂覆。

老化試驗設(shè)備 2個試驗系列中有7個熒光紫外冷凝型老化試驗設(shè)備，各用一個噴淋系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)。

大部分設(shè)備都配備了可編程微處理器，以控制暴露循環(huán)。有幾個設(shè)備配備了自動輻照度控制器，而其他的設(shè)備必須按照制造商的建議輪換并更換燈管。樣品在試驗箱內(nèi)也要定期輪換位置，以確保暴露均勻。

性能評估 按照prEN 927-3進(jìn)行性能評估，包括開裂、起泡、片狀剝落、粉化、以及光澤和顏色測量。

引入了名為“總體外觀”的進(jìn)一步評估?？傮w外觀是人眼對受測試涂料系統(tǒng)的總體情況的印象。與未暴露參考樣品對比，總體外觀在視覺標(biāo)尺上進(jìn)行分級，分為零級(無變化)到五級(嚴(yán)重變化)。在暴露過程中的評估由每個實驗室進(jìn)行(“現(xiàn)場評估”)，而最終評估也由一個參與實驗室的一名操作者集中重復(fù)進(jìn)行(“共同評估”)。

在下面的圖中，時序數(shù)據(jù)總是代表含有某些可能存在操作者偏差的現(xiàn)場評估。最終情況數(shù)據(jù)是以共同評估為基礎(chǔ)的，反映由于暴露效應(yīng)引起的差異。

評價試驗系列

試驗程序基于現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)1,2,3以及不同實驗室的經(jīng)驗。

在此評價試驗系列中，如表2所列，建立并試驗了7種暴露循環(huán)。第1到第3種循環(huán)是通過早期研發(fā)工作對暴露循環(huán)的改進(jìn)，所謂早期研發(fā)工作是某些合作伙伴使用冷凝和噴水兩種處理方法在熒光紫外裝置上進(jìn)行的。這三種循環(huán)主要關(guān)注不同的曝曬時間。第4和第5種循環(huán)則遵從只使用紫外線照射和冷凝的現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)中的建議。而它們之間的區(qū)別僅在于紫外燈管的類型是不同的(UVA-340nm和UVA-351nm)。第6和第7種循環(huán)使用不同的處理方法(浸泡、冷凍)，以增加暴露應(yīng)力。

表2評價試驗循環(huán)

圖1顯示了7種試驗循環(huán)下樣品在暴露2,000h之后的總體外觀。與預(yù)期一樣，不透明涂料系統(tǒng)A和B的外觀只顯示出小變化到中等變化，而最嚴(yán)重的變化發(fā)生于未涂覆木材(F)。丙烯酸著色料D性能明顯好于醇酸著色料C，甚至稍好于兩種不透明涂料A和B。

圖1：7種試驗循環(huán)在2,000h暴露之后的總體外觀

試驗發(fā)現(xiàn)不同暴露循環(huán)之間試驗結(jié)果有相當(dāng)大的差異，所有涂料系統(tǒng)都沒有明確的分級。7種暴露循環(huán)結(jié)束時樣品外觀的例子見照片1(涂料系統(tǒng)E)和照片2(涂料系統(tǒng)F)。 使用成膜涂料的情況下(系統(tǒng)A到D)，所有暴露循環(huán)進(jìn)行2,000h之后，只發(fā)現(xiàn)樣品有限的開裂(不高于二級)。使用丙烯酸漆A的情況下，所有樣品均無任何開裂。

照片1：在7種暴露循環(huán)結(jié)束時的涂料系統(tǒng)E

照片2：在7種暴露循環(huán)結(jié)束時的涂料系統(tǒng)F

但是使用低成膜性著色料(系統(tǒng)E)和未涂覆木材(系統(tǒng)F)的情況下，樣品外觀快速出現(xiàn)裂縫，分別如圖2和圖3所示。

照片3：在優(yōu)化循環(huán)結(jié)束時的涂料系統(tǒng)E

圖2：7種試驗循環(huán)在2,000h暴露過程中涂料系統(tǒng)E樣品的開裂密

圖3：7種試驗循環(huán)在2000h暴露過程中涂料系統(tǒng)F樣品的開裂密度

圖4各種不同試驗循環(huán)在2000h暴露過程中，涂料系統(tǒng)B的樣品的保光率

第1到第3種暴露循環(huán)明顯引起了所有試驗循環(huán)中最快速和最嚴(yán)重的開裂。而第5到第7種循環(huán)中樣品只有中等開裂。醇酸漆(即涂料系統(tǒng)B)的光澤隨不同循環(huán)而變化的例子如圖4所示。該涂料出現(xiàn)了快速的失光現(xiàn)象。至于開裂，第1到第3種暴露循環(huán)引起了所有試驗循環(huán)中最嚴(yán)重的老化效應(yīng)。根據(jù)本研究項目所獲得的不同結(jié)果，得出了以下結(jié)論：

冷凍或浸泡等特殊處理看來似乎沒有提高老化效應(yīng)的嚴(yán)重度;

熒光紫外燈管UVA-340nm可以很好地模擬日光的老化作用;以及

在人工氣候老化循環(huán)中必須包括冷凝和噴水兩個步驟，以模擬氣候老化過程中水分不同形式的效果?？捎美淠黾幽举|(zhì)襯底的含水量。噴水系統(tǒng)有助于產(chǎn)生未涂覆木材的典型的表面侵蝕效果(該侵蝕效果在木材的自然氣候老化過程中都能觀察到)，并從表面沖去退化的材料。

優(yōu)化試驗循環(huán)(再現(xiàn)性)的開發(fā)和研究

評價系列試驗所得到的結(jié)果顯示了第1到第3種循環(huán)能夠產(chǎn)生最嚴(yán)重的氣候老化效應(yīng)。令人滿意的人工氣候老化必須對自然氣候老化有良好的模擬以及足夠的加速，因此這3種循環(huán)將被用作優(yōu)化暴露循環(huán)開發(fā)的基礎(chǔ)。

優(yōu)化暴露循環(huán)試驗結(jié)果與之前評價試驗所獲得的主要結(jié)論一致，并且具有以下特點：使用輻射峰值為340nm的熒光紫外線燈;使用冷凝和噴水兩種程序;使用循環(huán)周期延長的冷凝時間，以增加木質(zhì)襯底的含水量;使用頻繁交替的紫外輻射和噴水，以實現(xiàn)主要發(fā)生在樣品表面上的大量的短時間變化(噴水主要用于去除表面上退化的材料及產(chǎn)生頻繁的冷沖擊);以及2000h的試驗總持續(xù)時間。

優(yōu)化暴露循環(huán)試驗的定義請參見表3。 它包含一個長時間的初始冷凝階段，接著是短間隔的紫外線照射和噴水。該試驗相當(dāng)簡單，并有在氣候老化裝置外不要求任何特殊處理的優(yōu)點。由一個實驗室制備的一組新樣品分配給不同的合作伙伴，以便測試優(yōu)化循環(huán)的再現(xiàn)性。

表3優(yōu)化的試驗循環(huán)

對來自不同氣候老化裝置的暴露樣品進(jìn)行第一次肉眼觀察和對比，得出的總體印象是，外觀一致性總體良好。與早先結(jié)果相比，使用用不同裝置做實驗的樣品有明顯更一致的老化結(jié)果。在2000h人工暴露之后，出現(xiàn)了不同程度和類型的缺陷，并且可以清楚看見所用涂料系統(tǒng)的性能水平預(yù)期差異。圖5中可以看見用優(yōu)化循環(huán)的7個裝置進(jìn)行2000h暴露之后樣品的總體外觀。

圖5在7個裝置中使用優(yōu)化循環(huán)暴露2000h之后樣品的總體外觀

如預(yù)期一樣，就總體外觀來講，與未暴露控制樣品相比，成膜涂料系統(tǒng)A到D在2000h暴露之后樣品外觀只顯示出小到中的變化，而系統(tǒng)E(低成膜性著色料)和F(未涂覆木材)樣品外觀顯示出明顯的變化。涂料系統(tǒng)A(丙烯酸漆)明顯顯示出較好的總體性能。丙烯酸著色料D看來似乎性能比醇酸著色料C(ICP)要好。使用涂料系統(tǒng)C(醇酸著色料，ICP)的情況下，使用不同試驗裝置得出的試驗結(jié)果的一致性看來似乎特別好，而使用系統(tǒng)A(丙烯酸漆)、B(高固含量漆)和D(丙烯酸著色料)的情況下，可以觀察到不同試驗裝置下的結(jié)果有一些的不同。

使用系統(tǒng)E(見照片3)和F的情況下，就表面侵蝕來講，不同裝置下試驗結(jié)果明顯有一些差異，沒有反映出總體外觀評級。對于某些裝置，樣品表面的已退化材料明顯沒有被清除干凈，可能是由于噴淋方式不均勻引起的(噴嘴附近發(fā)生嚴(yán)重侵蝕，樣品周邊區(qū)域的沖洗效應(yīng)不足)。此觀察證明了噴嘴定期清潔的重要性。這種噴淋模式的不均勻性在使用成膜涂料時可能不是這么明顯，但是仍然可能對涂料退化產(chǎn)生不希望有的作用。

圖6顯示了在七個裝置中使用優(yōu)化循環(huán)的情況下在暴露結(jié)束時樣品的開裂密度。開裂密度和大小顯示出的性能模式與總體外觀評級一致。與評估試驗系列中所得到的結(jié)果相反，現(xiàn)在在使用系統(tǒng)A的情況下同樣出現(xiàn)了開裂，不過該涂料系統(tǒng)目前性能仍然是較好的。使用系統(tǒng)B、C和D的情況下，開裂等級為輕微到中等。系統(tǒng)E和F一致出現(xiàn)大裂縫密布的狀況。一般情況下，開裂密度和尺寸的評級是正相關(guān)的。所有的成膜涂料系統(tǒng)在不同試驗裝置下的試驗結(jié)果都存在差異。

圖6 在7個裝置中使用優(yōu)化循環(huán)暴露2000h之后的開裂密度

常差異較大，所以有效的初步結(jié)果表明人工氣候老化試驗的再現(xiàn)性是“可以接受的”。再現(xiàn)性隨不同的評估參數(shù)和涂料系統(tǒng)而變化。而檢測到的裝置效應(yīng)可能主要是由氣候老化箱的操作特性差異而引起的。造成操作特性差異的可能原因有：熒光燈的紫外線輸出(燈管的老化);可能影響冷凝有效性和/或噴淋溫度的室內(nèi)環(huán)境的水平和/或波動;噴淋模式和壓力(噴嘴堵塞);以及樣品位置輪換的時間安排。

如果能夠制定并遵照非常嚴(yán)格的試驗程序，這種人工試驗方法的再現(xiàn)性似乎可以得到提高。這方面最重要的目標(biāo)之一就是確定并消除/限制所觀察到的裝置效應(yīng)。

改進(jìn)的試驗程序應(yīng)該主要包括以下相關(guān)的嚴(yán)格規(guī)定：木材襯底(如：年輪角度);抽樣計劃(如：樣品組的均勻性);室內(nèi)環(huán)境(溫度、相對溫度幅度的規(guī)定);噴淋(水的質(zhì)量、再循環(huán)系統(tǒng)的使用、過濾器、壓力、噴嘴清潔);暴露期間的維護(hù)(如：燈管輸出的控制、噴淋、樣品位置輪換);以及評估方法(如：顏色測量)。

與自然氣候老化的相關(guān)性

要驗證任何一種人工氣候老化試驗方法，該試驗方法與自然氣候老化的相關(guān)性仍然是一個關(guān)鍵問題，同時也是預(yù)估加速系數(shù)的基礎(chǔ)。通過將從人工與自然暴露試驗得到的所選性能參數(shù)的時間曲線疊放并進(jìn)行目視對比，可以證明人工氣候老化與自然氣候老化的性能數(shù)據(jù)相關(guān)性。在使用2號裝置/實驗室的情況下，開裂密度和光澤的相關(guān)分析分別在圖7和圖8中顯示。自然暴露的時間軸(不超過21個月)已經(jīng)根據(jù)經(jīng)驗按比例縮小，使所有涂料系統(tǒng)有較佳的總體一致性。

圖7：開裂密度-人工（優(yōu)化循環(huán)）和自然氣候老化之間的相關(guān)性（以2號裝置/實驗室為例）

圖8：失光-人工(優(yōu)化循環(huán))和自然氣候老化之間的相關(guān)性(以2號裝置/實驗室為例)

在所有不同的涂料系統(tǒng)下，樣品開裂的形成情況都保持了相當(dāng)好的一致性，而可能例外的情況則是醇酸著色料(系統(tǒng)C)，在人工暴露中樣品出現(xiàn)了更多的開裂。根據(jù)經(jīng)驗估計的總體加速系數(shù)大致是5倍，但是對于不同的涂料類型可能需要一些個別調(diào)整。而失光的時間曲線的特征過程似乎也得到了很好的再現(xiàn)，但是明顯加速系數(shù)更高，約為10倍速度。此外，醇酸著色料在人工暴露的情況下退化更大。

就與自然氣候老化的相關(guān)性來講，另一個重要因素是暴露過程中木材襯底的含水量(MC)。水分與涂料的化學(xué)變化密切相關(guān)，也與襯底大小變化而導(dǎo)致的開裂密切相關(guān)。之前的試驗已經(jīng)表明在人工暴露過程中處于熒光裝置內(nèi)的木材的含水量平均值低得多，而且比觀察到的戶外含水量范圍更小。這種狀況導(dǎo)致在每種循環(huán)開始時都必須進(jìn)行一個時間加長的冷凝步驟，以增加潮濕影響。

使用優(yōu)化循環(huán)試驗的不同涂料系統(tǒng)和不同木材襯底的反應(yīng)

優(yōu)化循環(huán)是通過對6種不同涂料系統(tǒng)(A到F)的試驗開發(fā)出來的。為了獲得更多關(guān)于優(yōu)化循環(huán)的信息，在改變其中單個參數(shù)的情況下，針對涂料的各種配方進(jìn)行了試驗。而通過之前經(jīng)驗得來戶外性能反應(yīng)的參數(shù)已經(jīng)得到特別關(guān)注。

總共有12種涂料進(jìn)行了試驗，其中包括醇酸、丙烯酸、透明或不透明的、含或不含紫外線吸收劑、高或低玻璃態(tài)轉(zhuǎn)化溫度等不同特性的涂料系統(tǒng)。表4顯示了使用優(yōu)化循環(huán)在松板上試驗的12種涂料系統(tǒng)。醇酸涂料系統(tǒng)的性能表現(xiàn)不僅遵循以松板為樣品經(jīng)過戶外暴露所得出的總體趨勢，而且也符合在細(xì)木工制品、建筑物立面等物體上暴露所獲得的經(jīng)驗。

表4優(yōu)化試驗循環(huán)中的涂料系統(tǒng)

對于丙烯酸涂料系統(tǒng)，和戶外暴露相比，其性能表現(xiàn)取決于著色作用。不透明的涂料系統(tǒng)不符合從戶外條件中所獲得的經(jīng)驗。已知不透明的丙烯酸涂料系統(tǒng)一般擁有長時間的耐久性。在這種情況下此類涂料系統(tǒng)可能需要用優(yōu)化循環(huán)暴露比2000h更長的時間才能得到結(jié)果。因此建議對此做進(jìn)一步研究。對于半透明的丙烯酸系統(tǒng)，(試驗性能表現(xiàn))與其在戶外的性能表現(xiàn)有良好的一致性。但是，對于整個醇酸系統(tǒng)，這只是基于一種丙烯酸系統(tǒng)的結(jié)果，可能需要使用優(yōu)化循環(huán)做進(jìn)一步的實驗，以研究其他配方的性能。趨勢很清楚，有使用優(yōu)化循環(huán)的潛在可能。

優(yōu)化循環(huán)是通過在松板上對6種不同涂料系統(tǒng)(A到F)的試驗開發(fā)出來的。確定優(yōu)化循環(huán)是否可用于評估不同木材襯底上的涂料系統(tǒng)的性能是非常重要的。

在本次研究中，已經(jīng)對6種涂料系統(tǒng)(A到F)在5種木材襯底上進(jìn)行了研究，5種木材襯底是：山毛櫸、橡木、云杉、梅蘭蒂和戶外用膠合板。評價包括評估人工氣候老化循環(huán)之后所得結(jié)果與按照prEN927-3進(jìn)行的自然氣候老化試驗所得結(jié)果的可比性。

結(jié)果表明該循環(huán)可以區(qū)別不同涂料系統(tǒng)的性能以及區(qū)別不同木材襯底上的涂料性能。而所發(fā)現(xiàn)的開裂量則取決于木材襯底。大部分開裂是在松木、橡木和戶外用膠合板上發(fā)現(xiàn)的。一種木材物種上的涂料性能不能反映不同木材襯底上的性能。其他木材襯底上的性能還需要進(jìn)行評價。

結(jié)論

本歐洲研究項目的主要目的是開發(fā)一種人工氣候老化方法，用于在短時間內(nèi)評估戶外木材涂料的耐久性。

目標(biāo)是讓該試驗方法以現(xiàn)代相對低成本的熒光燈設(shè)備為基礎(chǔ)，使原有用于鋼和塑料襯底的設(shè)備和操作循環(huán)適合木材襯底的需要。根據(jù)參與該項目的14個合作伙伴的經(jīng)驗，最終確定了幾種適用的暴露循環(huán)。它們包括不同類型的紫外線照射、冷凝、噴淋、高低溫、冷凍和浸泡。這些循環(huán)共針對6種涂料系統(tǒng)進(jìn)行了測試。

而從這些循環(huán)試驗所獲得的結(jié)果中已經(jīng)能夠定義一種優(yōu)化的循環(huán)。該循環(huán)包含24h冷凝，后接一個由2.5h UVA-340nm和0.5h噴水組成的子循環(huán)。經(jīng)研究該循環(huán)的再現(xiàn)性如下：8位合作伙伴使用同樣的6種涂料試驗了該循環(huán)，其試驗程序非常精細(xì)。即使已經(jīng)確定了某些差異來源，再現(xiàn)性也是符合標(biāo)準(zhǔn)的。之后又在幾種涂料上進(jìn)行了該優(yōu)化循環(huán)的試驗。這項任務(wù)的目的是研究與主要實驗中所用第一批6種系統(tǒng)相比，戶外木材上所用系統(tǒng)和產(chǎn)品的進(jìn)一步變異是否符合使用優(yōu)化循環(huán)時已知的性能。醇酸涂料系統(tǒng)的性能表現(xiàn)不僅遵循以松板為樣品經(jīng)過戶外暴露所得出的總體趨勢，而且也符合在細(xì)木工制品、建筑物立面等物體上暴露所獲得的經(jīng)驗。 對于丙烯酸涂料系統(tǒng)，和戶外暴露相比，其性能表現(xiàn)取決于著色作用。

優(yōu)化循環(huán)已經(jīng)在不同木材襯底上進(jìn)行了試驗，以確定其是否可用于評價不同木材襯底上涂料系統(tǒng)的性能。6種主要的涂料系統(tǒng)在橡木、山毛櫸、云杉、梅蘭蒂和戶外用膠合板上進(jìn)行了試驗。結(jié)果顯示優(yōu)化循環(huán)能夠區(qū)別在不同木材襯底上的涂料性能。

在項目結(jié)束時，已經(jīng)確定了標(biāo)準(zhǔn)草案的指導(dǎo)方針。考慮到人工氣候老化試驗方法應(yīng)該進(jìn)行改進(jìn)，所以共同體同意為歐洲預(yù)備標(biāo)準(zhǔn)“prENV927-6：戶外木材的涂覆材料和涂覆系統(tǒng)-第6部分：方法-基于熒光燈裝置的木材涂料人工氣候老化試驗的評估和評價”而向CEN/TC139/WG2提出一個草案。