粉末喷涂铝型材的实验室加速耐候老化测试方法研究

摘要：本文介绍了粉末喷涂铝型材老化测试的国内外发展现状及测试方法，重点研究了三种实验室加速耐候老化测试UVA、UVB和Q-Sun与佛罗里达户外测试之间的比较。试验样品为6种不同的粉末喷涂铝板，采用UVA、UVB、Q-Sun及在佛罗里达分别测试了样品的光泽及颜色变化，并研究了在UVA、UVB或Q-Sun中测试多长时间样品发生的光泽变化或颜色变化相当于在佛罗里达户外曝晒1年的效果。而且，我们还研究了三种加速老化试验方法与佛罗里达户外曝晒结果之间的相关系数。

关键词：老化　测试　UVA　 UVB  Q-Sun　佛罗里达 铝型材

1．引言

近年来，随着我国建设步伐的加快，铝合金建筑型材市场有了长足的发展。目前，我国已成为世界上铝合金建筑型材生产第一大国。与其他材料一样，当铝合金建筑型材处在大气条件下，受到光照、温度、潮湿等因素的侵蚀，会产生褪色、粉化、开裂、起浮泡、表面剥落等老化现象,从而影响到产品的性能和美观。因此铝合金建筑型材的耐候性是产品开发和质量控制的一个重要指标。

粉末喷涂铝型材的老化测试包括户外大气测试和实验室加速测试两种方法。国内外都长期开展了户外大气老化测试。国内在海南、广州、敦煌等地都有规模不等的户外曝晒场，国际上通常作为基准曝晒地点有美国的佛罗里达和亚利桑那,Q-Lab公司在上述地方都建有标准曝晒场。国内有专门的铝型材行业的大气老化标准GB5237.4-2004^[1],国际上常用的户外曝晒标准有欧洲Qualicoat第10版^[2]、美国建筑制造业协会AAMA2603-02^[3]、AAMA2604-02^[4]、AAMA2605-02^[5]、英国BS6496^[6]等。尽管户外曝晒测试有很多优点：实际，便宜，易于操作，然而大部分制造商不愿意等上几年的时间来观察一种新的改良的产品设计是否确实得到改进，所以有必要进行实验室加速老化测试。

在加速老化测试方面，除少数的日本企业仍沿用碳弧灯外，主流的测试方法有紫外(UV)和氙灯(Q-Sun)两种，其中紫外又分为UVA和UVB。本文实验目的就是比较UVA、UVB、Q-Sun三种实验室加速老化测试方法与佛罗里达户外曝晒之间的关系，并通过观察实验数据及数学计算，找到三种加速老化试验方法最接近佛罗里达户外曝晒效果的时间，也就是回答人们通常比较关心的一个问题——在UVA、UVB或Q-Sun中测试多长时间样品发生的光泽变化或颜色变化相当于在佛罗里达户外曝晒1年的效果。除此之外，我们还计算三种加速老化试验方法与佛罗里达户外曝晒结果之间的相关系数。

2. 实验室加速老化原理及我们采用的三种加速测试方法

氙灯和紫外这两种检测设备的测试原理完全不同，氙灯试验箱模拟太阳光的所有光谱，包括紫外线（UV），可见光和红外线（IR）。氙灯光谱在295nm到800nm范围内基本上与太阳光光谱相吻合。而QUV不能模拟全光谱太阳光。它基于的原理是，对曝晒在户外的经久耐用的材料，紫外线的短波段300~400 nm是引起老化损害的最主要的原因。氙灯和紫外两种加速耐候老化测试方法的侧重点不同，一般选择QUV模拟材料的物理性能老化，Q-Sun氙灯模拟颜色老化。

利用Q-Lab公司的QUV紫外和Q-Sun氙灯两种测试设备对阿克苏·诺贝尔粉末涂料（宁波）有限公司提供的6种粉末喷涂铝板进行了测试。这6种铝板分别编号为A、B、C、D、E、F。具体地，我们进行三种实验室加速老化测试，分别是UVA、UVB和Q-Sun，三种测试的具体标准如表1、2、3所示。

表1 UVA测试程序

表2 UVB测试程序

表3 Q-Sun测试程序

3. 三种加速测试方法的结果与在佛罗里达测试结果之间的比较

利用UVA、UVB、Q-Sun和在佛罗里达均测试了6种粉末喷涂铝板样品的光泽、颜色变化及浮泡、粉化、开裂、裂缝等情况。为了得到加速老化测试与佛罗里达户外曝晒实验结果之间的关系，也就是通常人们比较关心的一个问题——在UVA、UVB或Q-Sun中测试多长时间相当于在佛罗里达户外曝晒1年的效果，我们不但对比观察实验数据，而且做了相关的数学计算，具体过程如下：

我们假设在三种加速测试方法中测试t小时最接近在佛罗里达户外曝晒1年的效果，时间t对应材料的变化与佛罗里达测试结果之间的差值为δ，然后求二次函数的最小值，最小值所对应的t值就是我们所要求的较佳测试时间。

求出较佳测试时间，还要求几种测试方法间的相关系数r_s (spearman’s correlation)，它指的是利用两种不同的测试方法对一组样品进行测试，所得实验结果之间的相关性。相关系数r_s的计算公式为：r_s=1-6∑d_i²/[n(n²-1)]，其中n指的是样品的个数，d_i指的是两列排序中每一组数据之间的差值。

3.1 UVA与佛罗里达测试结果之间的比较

光泽变化

对每个样品，UVA均作用了1000小时，每200小时取一次数据，分别在200小时、400小时、600小时、800小时和1000小时，而在佛罗里达是对样品测试了1年，每3个月取一次数据，分别在第3个月、第6个月、第9个月和第12个月。不管是在佛罗里达户外曝晒，还是利用UVA进行实验室加速老化测试，样品的光泽均发生退化。利用前面所述方法，我们对UVA测试和佛罗里达户外曝晒结果进行了计算，计算结果表明，二次函数取得最小值时所对应的t值为400小时，这就说明在UVA中测试400小时样品的光泽变化最接近在佛罗里达户外曝晒1年的效果（如图1所示）。

图1 UVA 400小时与佛罗里达1年样品保光率之间的比较

通过数据分析及数学计算，得出UVA与佛罗里达之间的相关系数如表4所示。从表中可知，利用UVA测试400小时与在佛罗里达测试1年之间的光泽退化相关系数为0.90。

表4 光泽退化时UVA与佛罗里达之间的相关系数

颜色变化

如同样品的光泽会发生退化，经过UVA测试或佛罗里达曝晒，样品的颜色也会跟着发生变化。但是通过对比观察实验数据，我们发现在测试颜色变化时UVA的结果不是很好，△E的值出现了明显的下降现象（如图2所示）。

  从以上数据分析可知，利用UVA进行测试，样品发生的光泽退化和颜色变化是不同的，利用UVA测试400小时与在佛罗里达测试1年之间的光泽退化相关系数为0.90，而UVA测试的颜色变化的结果不是很好。

3.2 UVB与佛罗里达测试结果之间的比较

光泽变化

对每个样品，UVB分别在200h、250h、296h、318h、342h和384h对样品进行了测试，通过对比观察实验数据及相关数学计算，得到利用UVB测试350小时最接近在佛罗里达户外曝晒1年的效果（如图3所示）。

图3 UVB 350小时与佛罗里达1年样品保光率之间的比较

UVB与佛罗里达之间的相关系数如表5所示。从表中可知，利用UVB测试350小时与在佛罗里达测试1年之间的光泽退化相关系数为0.99。

表5 光泽退化时UVB与佛罗里达之间的相关系数

颜色变化

经过UVB测试样品的颜色也会发生变化，但有几个样品△E的值相比佛罗里达的小很多，这就说明由于UVB的波长较短而且不能模拟全光谱太阳光，所以出现了光泽变化能与佛罗里达效果接近但颜色变化达不到佛罗里达测试结果的现象。

3.3 Q-Sun与佛罗里达测试结果之间的比较

光泽变化

对每个样品，Q-Sun分别在174h、412h、600h和792h对样品进行了测试，通过对比观察实验数据及相关数学计算，得到利用Q-Sun测试600小时最接近在佛罗里达户外曝晒1年的效果（如图4所示）。

图4Q-Sun 600小时与佛罗里达1年样品保光率之间的比较

Q-Sun与佛罗里达之间的相关系数如表6所示。从表中可知，利用Q-Sun测试600小时与在佛罗里达测试1年之间的光泽退化相关系数为0.99。

表6 光泽退化时Q-Sun与佛罗里达之间的相关系数

颜色变化

通过对比观察实验数据及相关数学计算，，得知利用Q-Sun测试500小时最接近在佛罗里达户外曝晒1年的效果（如图5所示）

图5测试颜色变化时Q-Sun 500h的结果

颜色变化时Q-Sun与佛罗里达之间的相关系数如表7所示。从表中可知，利用Q-Sun测试500小时与在佛罗里达测试1年之间的颜色变化相关系数为0.79。

表7 颜色变化时Q-Sun与佛罗里达之间的相关系数

4. 总结与建议

1.      积极开展粉末喷涂铝型材的户外老化测试，这是一项长期的工作，是实验室加速老化测试的基础。

2.      通过对比试验得知，在光泽退化方面，利用UVA测试400小时、利用UVB测试350小时、利用Q-Sun测试600小时均接近于在佛罗里达户外曝晒1年的效果，而且相关系数也都较高。不过，利用不同方法所得到的函数的最小值和较佳时间对应的保光率的标准方差不同，其中UVB的均最小。因此我们建议利用UVB来测试材料的光泽变化。

3.      在颜色变化方面，QUV不如Q-Sun的测试结果好，所以我们建议采用Q-Sun来进行测试。

4.      需要特别指出的是，文中利用求二次函数的最小值来求较佳时间的方法只是寻求在加速试验中测试多长时间最接近在佛罗里达户外曝晒的效果，而并不能保证所有样品都达到在佛罗里达曝晒的程度。为了确保所有样品都达到或超过在佛罗里达测试的结果，建议对较佳时间作一修正，即在所得时间的基础上再乘以一个系数，这个系数可以是1.1，可以是1.5，也可以是其它的数值，视具体情况具体分析。

5.      由于测试过程中采用的测量仪器不同就会导致试验数据之间存在偏差，所以本文数据只是针对本次试验而言，仅供参考。