摘要：本文介紹了粉末噴涂鋁型材老化測試的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀及測試方法，重點研究了三種實驗室加速耐候老化測試UVA、UVB和Q-Sun與佛羅里達(dá)戶外測試之間的比較。試驗樣品為6種不同的粉末噴涂鋁板，采用UVA、UVB、Q-Sun及在佛羅里達(dá)分別測試了樣品的光澤及顏色變化，并研究了在UVA、UVB或Q-Sun中測試多長時間樣品發(fā)生的光澤變化或顏色變化相當(dāng)于在佛羅里達(dá)戶外曝曬1年的效果。而且，我們還研究了三種加速老化試驗方法與佛羅里達(dá)戶外曝曬結(jié)果之間的相關(guān)系數(shù)。

關(guān)鍵詞：老化　測試　UVA　 UVB  Q-Sun　佛羅里達(dá) 鋁型材

1．引言

近年來，隨著我國建設(shè)步伐的加快，鋁合金建筑型材市場有了長足的發(fā)展。目前，我國已成為世界上鋁合金建筑型材生產(chǎn)第一大國。與其他材料一樣，當(dāng)鋁合金建筑型材處在大氣條件下，受到光照、溫度、潮濕等因素的侵蝕，會產(chǎn)生褪色、粉化、開裂、起浮泡、表面剝落等老化現(xiàn)象,從而影響到產(chǎn)品的性能和美觀。因此鋁合金建筑型材的耐候性是產(chǎn)品開發(fā)和質(zhì)量控制的一個重要指標(biāo)。

粉末噴涂鋁型材的老化測試包括戶外大氣測試和實驗室加速測試兩種方法。國內(nèi)外都長期開展了戶外大氣老化測試。國內(nèi)在海南、廣州、敦煌等地都有規(guī)模不等的戶外曝曬場，國際上通常作為基準(zhǔn)曝曬地點有美國的佛羅里達(dá)和亞利桑那,Q-Lab公司在上述地方都建有標(biāo)準(zhǔn)曝曬場。國內(nèi)有專門的鋁型材行業(yè)的大氣老化標(biāo)準(zhǔn)GB5237.4-2004^[1],國際上常用的戶外曝曬標(biāo)準(zhǔn)有歐洲Qualicoat第10版^[2]、美國建筑制造業(yè)協(xié)會AAMA2603-02^[3]、AAMA2604-02^[4]、AAMA2605-02^[5]、英國BS6496^[6]等。盡管戶外曝曬測試有很多優(yōu)點：實際，便宜，易于操作，然而大部分制造商不愿意等上幾年的時間來觀察一種新的改良的產(chǎn)品設(shè)計是否確實得到改進(jìn)，所以有必要進(jìn)行實驗室加速老化測試。

在加速老化測試方面，除少數(shù)的日本企業(yè)仍沿用碳弧燈外，主流的測試方法有紫外(UV)和氙燈(Q-Sun)兩種，其中紫外又分為UVA和UVB。本文實驗?zāi)康木褪潜容^UVA、UVB、Q-Sun三種實驗室加速老化測試方法與佛羅里達(dá)戶外曝曬之間的關(guān)系，并通過觀察實驗數(shù)據(jù)及數(shù)學(xué)計算，找到三種加速老化試驗方法最接近佛羅里達(dá)戶外曝曬效果的時間，也就是回答人們通常比較關(guān)心的一個問題——在UVA、UVB或Q-Sun中測試多長時間樣品發(fā)生的光澤變化或顏色變化相當(dāng)于在佛羅里達(dá)戶外曝曬1年的效果。除此之外，我們還計算三種加速老化試驗方法與佛羅里達(dá)戶外曝曬結(jié)果之間的相關(guān)系數(shù)。

2. 實驗室加速老化原理及我們采用的三種加速測試方法

氙燈和紫外這兩種檢測設(shè)備的測試原理完全不同，氙燈試驗箱模擬太陽光的所有光譜，包括紫外線（UV），可見光和紅外線（IR）。氙燈光譜在295nm到800nm范圍內(nèi)基本上與太陽光光譜相吻合。而QUV不能模擬全光譜太陽光。它基于的原理是，對曝曬在戶外的經(jīng)久耐用的材料，紫外線的短波段300~400 nm是引起老化損害的最主要的原因。氙燈和紫外兩種加速耐候老化測試方法的側(cè)重點不同，一般選擇QUV模擬材料的物理性能老化，Q-Sun氙燈模擬顏色老化。

利用Q-Lab公司的QUV紫外和Q-Sun氙燈兩種測試設(shè)備對阿克蘇·諾貝爾粉末涂料（寧波）有限公司提供的6種粉末噴涂鋁板進(jìn)行了測試。這6種鋁板分別編號為A、B、C、D、E、F。具體地，我們進(jìn)行三種實驗室加速老化測試，分別是UVA、UVB和Q-Sun，三種測試的具體標(biāo)準(zhǔn)如表1、2、3所示。

表1 UVA測試程序

表2 UVB測試程序

表3 Q-Sun測試程序

3. 三種加速測試方法的結(jié)果與在佛羅里達(dá)測試結(jié)果之間的比較

利用UVA、UVB、Q-Sun和在佛羅里達(dá)均測試了6種粉末噴涂鋁板樣品的光澤、顏色變化及浮泡、粉化、開裂、裂縫等情況。為了得到加速老化測試與佛羅里達(dá)戶外曝曬實驗結(jié)果之間的關(guān)系，也就是通常人們比較關(guān)心的一個問題——在UVA、UVB或Q-Sun中測試多長時間相當(dāng)于在佛羅里達(dá)戶外曝曬1年的效果，我們不但對比觀察實驗數(shù)據(jù)，而且做了相關(guān)的數(shù)學(xué)計算，具體過程如下：

我們假設(shè)在三種加速測試方法中測試t小時最接近在佛羅里達(dá)戶外曝曬1年的效果，時間t對應(yīng)材料的變化與佛羅里達(dá)測試結(jié)果之間的差值為δ，然后求二次函數(shù)的最小值，最小值所對應(yīng)的t值就是我們所要求的較佳測試時間。

求出較佳測試時間，還要求幾種測試方法間的相關(guān)系數(shù)r_s (spearman’s correlation)，它指的是利用兩種不同的測試方法對一組樣品進(jìn)行測試，所得實驗結(jié)果之間的相關(guān)性。相關(guān)系數(shù)r_s的計算公式為：r_s=1-6∑d_i²/[n(n²-1)]，其中n指的是樣品的個數(shù)，d_i指的是兩列排序中每一組數(shù)據(jù)之間的差值。

3.1 UVA與佛羅里達(dá)測試結(jié)果之間的比較

光澤變化

對每個樣品，UVA均作用了1000小時，每200小時取一次數(shù)據(jù)，分別在200小時、400小時、600小時、800小時和1000小時，而在佛羅里達(dá)是對樣品測試了1年，每3個月取一次數(shù)據(jù)，分別在第3個月、第6個月、第9個月和第12個月。不管是在佛羅里達(dá)戶外曝曬，還是利用UVA進(jìn)行實驗室加速老化測試，樣品的光澤均發(fā)生退化。利用前面所述方法，我們對UVA測試和佛羅里達(dá)戶外曝曬結(jié)果進(jìn)行了計算，計算結(jié)果表明，二次函數(shù)取得最小值時所對應(yīng)的t值為400小時，這就說明在UVA中測試400小時樣品的光澤變化最接近在佛羅里達(dá)戶外曝曬1年的效果（如圖1所示）。

圖1 UVA 400小時與佛羅里達(dá)1年樣品保光率之間的比較

通過數(shù)據(jù)分析及數(shù)學(xué)計算，得出UVA與佛羅里達(dá)之間的相關(guān)系數(shù)如表4所示。從表中可知，利用UVA測試400小時與在佛羅里達(dá)測試1年之間的光澤退化相關(guān)系數(shù)為0.90。

表4 光澤退化時UVA與佛羅里達(dá)之間的相關(guān)系數(shù)

顏色變化

如同樣品的光澤會發(fā)生退化，經(jīng)過UVA測試或佛羅里達(dá)曝曬，樣品的顏色也會跟著發(fā)生變化。但是通過對比觀察實驗數(shù)據(jù)，我們發(fā)現(xiàn)在測試顏色變化時UVA的結(jié)果不是很好，△E的值出現(xiàn)了明顯的下降現(xiàn)象（如圖2所示）。

  從以上數(shù)據(jù)分析可知，利用UVA進(jìn)行測試，樣品發(fā)生的光澤退化和顏色變化是不同的，利用UVA測試400小時與在佛羅里達(dá)測試1年之間的光澤退化相關(guān)系數(shù)為0.90，而UVA測試的顏色變化的結(jié)果不是很好。

3.2 UVB與佛羅里達(dá)測試結(jié)果之間的比較

光澤變化

對每個樣品，UVB分別在200h、250h、296h、318h、342h和384h對樣品進(jìn)行了測試，通過對比觀察實驗數(shù)據(jù)及相關(guān)數(shù)學(xué)計算，得到利用UVB測試350小時最接近在佛羅里達(dá)戶外曝曬1年的效果（如圖3所示）。

圖3 UVB 350小時與佛羅里達(dá)1年樣品保光率之間的比較

UVB與佛羅里達(dá)之間的相關(guān)系數(shù)如表5所示。從表中可知，利用UVB測試350小時與在佛羅里達(dá)測試1年之間的光澤退化相關(guān)系數(shù)為0.99。

表5 光澤退化時UVB與佛羅里達(dá)之間的相關(guān)系數(shù)

顏色變化

經(jīng)過UVB測試樣品的顏色也會發(fā)生變化，但有幾個樣品△E的值相比佛羅里達(dá)的小很多，這就說明由于UVB的波長較短而且不能模擬全光譜太陽光，所以出現(xiàn)了光澤變化能與佛羅里達(dá)效果接近但顏色變化達(dá)不到佛羅里達(dá)測試結(jié)果的現(xiàn)象。

3.3 Q-Sun與佛羅里達(dá)測試結(jié)果之間的比較

光澤變化

對每個樣品，Q-Sun分別在174h、412h、600h和792h對樣品進(jìn)行了測試，通過對比觀察實驗數(shù)據(jù)及相關(guān)數(shù)學(xué)計算，得到利用Q-Sun測試600小時最接近在佛羅里達(dá)戶外曝曬1年的效果（如圖4所示）。

圖4Q-Sun 600小時與佛羅里達(dá)1年樣品保光率之間的比較

Q-Sun與佛羅里達(dá)之間的相關(guān)系數(shù)如表6所示。從表中可知，利用Q-Sun測試600小時與在佛羅里達(dá)測試1年之間的光澤退化相關(guān)系數(shù)為0.99。

表6 光澤退化時Q-Sun與佛羅里達(dá)之間的相關(guān)系數(shù)

顏色變化

通過對比觀察實驗數(shù)據(jù)及相關(guān)數(shù)學(xué)計算，，得知利用Q-Sun測試500小時最接近在佛羅里達(dá)戶外曝曬1年的效果（如圖5所示）

圖5測試顏色變化時Q-Sun 500h的結(jié)果

顏色變化時Q-Sun與佛羅里達(dá)之間的相關(guān)系數(shù)如表7所示。從表中可知，利用Q-Sun測試500小時與在佛羅里達(dá)測試1年之間的顏色變化相關(guān)系數(shù)為0.79。

表7 顏色變化時Q-Sun與佛羅里達(dá)之間的相關(guān)系數(shù)

4. 總結(jié)與建議

1.      積極開展粉末噴涂鋁型材的戶外老化測試，這是一項長期的工作，是實驗室加速老化測試的基礎(chǔ)。

2.      通過對比試驗得知，在光澤退化方面，利用UVA測試400小時、利用UVB測試350小時、利用Q-Sun測試600小時均接近于在佛羅里達(dá)戶外曝曬1年的效果，而且相關(guān)系數(shù)也都較高。不過，利用不同方法所得到的函數(shù)的最小值和較佳時間對應(yīng)的保光率的標(biāo)準(zhǔn)方差不同，其中UVB的均最小。因此我們建議利用UVB來測試材料的光澤變化。

3.      在顏色變化方面，QUV不如Q-Sun的測試結(jié)果好，所以我們建議采用Q-Sun來進(jìn)行測試。

4.      需要特別指出的是，文中利用求二次函數(shù)的最小值來求較佳時間的方法只是尋求在加速試驗中測試多長時間最接近在佛羅里達(dá)戶外曝曬的效果，而并不能保證所有樣品都達(dá)到在佛羅里達(dá)曝曬的程度。為了確保所有樣品都達(dá)到或超過在佛羅里達(dá)測試的結(jié)果，建議對較佳時間作一修正，即在所得時間的基礎(chǔ)上再乘以一個系數(shù)，這個系數(shù)可以是1.1，可以是1.5，也可以是其它的數(shù)值，視具體情況具體分析。

5.      由于測試過程中采用的測量儀器不同就會導(dǎo)致試驗數(shù)據(jù)之間存在偏差，所以本文數(shù)據(jù)只是針對本次試驗而言，僅供參考。