彩涂板户外曝晒与实验室加速耐候试验的研究
摘要：对国内外常用的不同树脂体系彩涂板在几个不同地区的3年户外暴露结果及Q-SUN氙灯试验箱加速试验结果进行分析，研究不同试验条件下样品的颜色变化、光泽损失等性能之间的相关性。研究表明，对于样品的某些性能而言，实验室加速试验可以在一定程度上复现实际的户外暴露条件，为彩涂板的质量研究提供了加速试验依据。但由于受到酸雨、盐雾、霉菌、工业降水等户外因素的影响，实验室加速试验不能完全模拟户外试验中出现的所有老化现象。
关键词：彩涂板；耐候性；氙灯；室外；相关性
1、彩涂板老化试验现状
彩涂钢板因其优异的成形性能、耐久性能和装饰性能，被广泛应用于建筑、家电、家具等行业。国外彩涂钢板的生产和研究已有50多年的历史，而国内彩涂钢板的生产历史还不到20年[1]，彩涂钢板的性能研究十分有限。本文主要研究彩涂钢板的户外暴露和实验室加速耐候试验及其相关性。
2. 户外暴露和实验室加速老化试验方法
为了研究不同地区的户外暴露情况，我们在宝钢、北京、广州、海南、重庆等地对目前国内外常用的12种不同树脂体系彩涂板进行了户外暴露试验，户外暴露时间共计3年，每隔1年对样品的颜色变化、光泽损失、粉化等性能进行检测。
除了户外暴露试验外，我们还在Q-SUN氙气灯试验箱中进行了1000小时的实验室加速老化试验[2]。实验室加速老化试验按照国家标准GB/T 13448-2006[3]中的方法设定。具体参数如表1所示。
表1 Q-SUN测试程序
3. 户外暴露和实验室加速老化试验结果分析
3.1 试验结果初步分析
经过户外暴露和实验室加速耐候试验后，我们选择了六个样品来测量颜色变化、光泽损失、粉化等。在测量这些参数的过程中，我们发现了以下问题。
户外暴露受环境影响较大，除了光照、温湿度等主要影响外，户外的酸雨、盐雾、霉菌、工业降水等因素也会对材料造成损伤。由于海南、广州属于沿海气候条件，样品户外暴露会受到盐雾、霉菌等条件的影响；重庆受酸雨影响较大；而宝钢试验地处于工业环境中，各类工业污染物的降水量较大，对样品的影响也较大。因此，只有北京地区的样品污染较小，实验室加速耐候试验结果与北京地区户外暴露结果相关性较好。
由于我们在测试样品的变色、失光、粉化等性能之前对样品进行了清洗，因此有些测试结果并不能反映样品的实际老化结果。例如，在北京，第三年的颜色变化没有第二年那么大。这主要是因为我们清洗样品后，样品的新表层没有老化就露出来了，所以出现了上述的测试结果。因此，我们只考虑户外暴露第一年和第二年的测试结果。
由于酸雨、盐雾、霉菌、工业尘埃等户外因素的影响，即使是户外暴露，相关性也不是很好。相比之下，实验室加速测试与户外暴露的相关性更好。我们将在以下章节中重点介绍 Q-SUN 氙弧试验机与户外暴露之间的关系。
3.2 样品在户外暴露和 Q-SUN 氙弧试验箱中颜色变化之间的相关性
3.2.1 不同地区户外暴露试验中样品颜色变化相关性
对于样品的颜色变化，我们首先研究不同地区户外暴露试验结果之间的相关性。下表2给出了几个不同地区户外暴露试验中样品颜色变化之间的相关系数rs[4]（相关系数）。相关系数是指采用两种不同的测试方法对一组样品进行测试，得到的实验结果之间的相关性。相关系数rs的计算公式为：rs=1-6∑di2/[n(n2-1)]，其中n表示样品数量，di表示两列中各组排序之间的差值。rs越接近1，相关性越好。
表2 不同地区户外暴露试验中样品颜色变化的相关系数
通过观察表2中的数据我们发现，户外曝晒之间的相关系数并不是很好，即使是同一个地区，1年曝晒和2年曝晒的测试结果之间的相关性也并不全都很好，只有宝钢1年和宝钢2年之间的相关系数为1，其它的相关系数都小于1，如海南1年和海南2年之间的相关系数只有0.66。不同地区之间的相关系数甚至不太理想，有的甚至是负值，如广州1年、广州2年、重庆1年、重庆2年、海南2年之间的相关系数均为负值。
正如上文所说，户外暴露的相关性系数并不是很好，主要是因为户外暴露受酸雨、盐雾、霉菌、工业降水等户外因素影响较大，我们甚至在宝钢的测试点发现样品表面有黄色或黑色的斑点。
3.2.2 Q-SUN氙弧试验箱中样品颜色变化与户外暴露试验之间的相关性
在研究户外暴露不同区域的相关性的同时，我们还研究了Q-SUN氙弧试验箱与样品在户外暴露试验中颜色变化的相关性，具体相关系数见表3。
表3 样品在Q-SUN氙灯试验箱和户外暴露试验中颜色变化的相关系数
对比表2，表3中Q-SUN氙灯试验箱与户外暴露试验中样品颜色变化的相关系数都不是很差，普遍大于0.60。Q-SUN氙灯试验箱与北京测试点的相关系数均大于0.80，与北京2年的相关系数高达0.94。
在复杂的户外暴露因素影响下，我们可以得到样品在Q-SUN氙灯试验箱中的颜色变化与户外暴露测试之间的相关系数如表3所示，说明它们之间的相关性良好。接下来我们再分析一下在Q-SUN氙灯试验箱中测试多长时间与户外暴露的效果有多大程度上相当。
3.2.3 Q-SUN氙灯试验箱与户外暴露试验时间对比
为了得到实验室加速老化试验和户外暴露试验结果之间的关系，也就是人们通常关心的问题——对于材料的某一变化，如果加速试验和户外结果之间的相关性足够好，那么在Q-SUN氙灯试验箱中的试验时间相当于户外暴露时间多长。本文分别在北京、宝钢、广州、海南、重庆等地研究了Q-SUN氙灯试验箱中的试验时间相当于户外暴露时间多长。
下面举个例子来说明我们的分析方法，比如我们研究在Q-SUN氙灯试验箱测试1000小时后，在北京暴露需要多长时间时，我们先测量样品在Q-SUN氙灯试验箱测试1000小时后、在北京暴露1年后、在北京暴露2年后的颜色变化，用△E表示，如表4所示。
表4 样品在Q-SUN氙灯试验箱和北京暴露后的颜色变化
由于本次试验测量值较少，我们只能粗略知道在Q-SUN氙气灯试验箱中测试1000小时后，样品的颜色变化没有在北京暴晒一年那么大。但无法准确计算出相当于在北京暴晒几个月。
因此我们建议在以后的耐候试验中，应选取更多的时间段对样品进行测量，在一次试验中至少应进行5次测量，包括初始值。例如在上述试验中，对于Q-SUN氙灯试验箱试验，我们至少要测量初始值，即0小时、200小时、400小时、600小时、800小时和1000小时的结果，而在北京2年的暴露试验中，至少要测量初始值，即0个月、6个月、1年、18个月和2年的结果。
通过观察表4我们还发现Q-SUN氙气灯试验箱的测试时间不够长，应该测试更长的时间，比如2000h或者3000h。
3.3 Q-SUN氙弧试验箱测试中户外暴露与样品光损失的相关性
3.3.1 不同地区户外暴晒测试样品光损率相关性
对于样品的失光率，我们也首先研究了不同地区户外暴露测试结果之间的相关性，下表5给出了不同地区户外暴露测试中样品的失光率之间的相关系数。
表5 不同地区户外暴露试验样品光损率相关系数
通过观察表5中的数据我们发现，室外曝晒之间的相关系数并不是很好，即使是同一个地区，1年曝晒和2年曝晒的测试结果之间的相关性也不都是很好，广州1年和广州2年之间的相关系数只有0.17，不同地区之间的相关系数就更加不理想了，尤其是海南1年、海南2年与其他地区之间的相关系数。
3.3.2 Q-SUN氙弧试验箱样品失光率与户外暴露试验的相关性
在研究户外暴露不同区域的相关性的同时，我们还研究了Q-SUN氙灯试验箱与样品在户外暴露测试中的光损率之间的相关性，具体相关系数见表6。
表6 样品在Q-SUN氙灯试验箱内光损率与户外暴露试验的相关系数
和表5相比，表6中Q-SUN氙灯试验箱与户外暴晒试验中样品光损率的相关系数还不算很差，普遍都在0.60以上。而Q-SUN氙灯试验箱与宝钢1年试验的相关系数则高达0.94。
在复杂的户外暴露因素影响下，我们可以得到Q-SUN氙灯试验箱与样品在户外暴露试验中的光损率之间的相关系数如表6所示，已经说明它们之间的相关性较好。但是由于我们本次试验的实测值较少，只能粗略知道样品在Q-SUN氙灯试验箱中测试1000小时的光损率相当于宝钢2年的结果，无法计算出准确的数值。
4. 结论和建议
本文对几种不同树脂体系彩涂板进行了户外暴露和实验室加速老化试验研究。通过试验认识到户外暴露是实验室加速老化试验的基础，积极开展户外老化试验，用户外暴露试验指导实验室加速试验非常重要。由于户外暴露因素的复杂性，暴露样品会受到酸雨、盐雾、霉菌、工业沉淀等影响，实验室加速试验不能完全模拟户外试验中发生的所有老化现象。
通过合理的评估和统计分析，我们得到了Q-SUN氙弧试验箱和户外暴露对样品颜色变化和光损失率的良好相关系数。
通过本次实验，我们也注意到实验过程中一些需要改进的地方：
在对户外暴露样品进行评估之前，应该对一半的样品进行清洁，而不是全部，以避免稍后再次评估时没有证据。
测试过程中对样品至少进行五次评估，包括初始值，避免数据过少，不利于对测试结果进行统计分析。
试验终点的判定也很重要，例如本次试验中，样品的部分性能并未达到实验室加速试验中户外暴露的老化水平。
另外很重要的一点就是现有实验室加速试验方法的局限性，比如可以增加酸雨模拟试验（可在Q-SUNXe-3HD机型中实现）来模拟重庆地区的暴露环境，增加紫外盐雾复合试验（可在QUV+Q-Fog机型中实现）来模拟海南、广州沿海地区的暴露环境。
◆ ◆ ◆ ◆ ◆
参考：
[1]陈克伦、郭泰雄，“浅谈彩色涂层钢板市场及品种”，轧钢，2005（6）：50
[2] 张恒，两种有效的耐候性和光稳定性测试方法的比较：QUV和Q-Sun，汽车技术与材料，2006年第8期
[3] GB/T 13448-2006 彩色涂层钢板及钢带试验方法
[4] ASTM G169“环境测试基本统计方法应用指南”