一种模拟涂层在海洋大气环境的加速试验及等效评估方法

摘要

本发明公开了一种模拟涂层在海洋大气环境的加速试验及等效评估方法，包括下列步骤，依次进行多因子协同试验、盐雾试验，并进行组合循环。一次试验循环的时间为6天，其中，所述多因子协同试验一个周期试验时间为5天，盐雾试验一个周期试验时间为1天。发明通过建立实验室组合加速试验和海洋大气环境试验之间参比涂层色差或失光率的转换系数，在加速试验和海洋大气环境下涂层老化机理基一致的情况下，采用实验室加速试验数据等效评估涂层相同太阳辐射量下海洋大气试验的色差或失光率，加速倍率可达8倍以上；涂层性能变化的评估结果同大气暴露试验结果相比，误差小于15％。

说明书

技术领域

本发明涉及一种模拟涂层在海洋大气环境的加速试验及等效评估方法，特别是涉及一种用于涂层海洋大气环境适应性快速评价的多因子循环组合加速试验方法及等效评估海洋大气环境下涂层性能的变化。

背景技术

涂层是金属材料、工业产品等防腐蚀最经济有效的手段之一，其耐老化性的优劣直接影响产品性能的稳定。大量数据表明，涂层在使用过程中由于遭受多种环境因素的综合影响而出现老化现象，尤其是高辐射、高温、高湿、高盐雾的海洋大气环境更易使涂层发生性能劣化，产生失光、变色、粉化及起泡等老化现象，严重影响产品性能和美观，出于市场竞争的考虑，各厂商迫切需要获取能用于快速模拟海洋大气环境暴露试验的多因子组合加速试验方法，以及可以等效评估涂层在海洋大气环境中主要性能变化的方法，以达到快速筛选、改良与优化涂层的目的。

目前，实验室模拟海洋大气环境的加速试验大部分只考虑单一环境因素或多个单一环境条件因素顺序施加到涂层表面，不能很好模拟海洋大气环境下，各环境因素同时综合施加到涂层表面的情况，特别是太阳光辐射、干湿交替、温度循环等多因子协同作用对涂层的影响，严重影响了试验结果的可靠性和试验方法的实用性。

发明内容

本发明目的在于提供一种模拟涂层在海洋大气环境的加速试验及等效评估方法，可以提供模拟性好、试验时间短的实验室模拟加速试验方法，并能在这种实验室模拟加速试验提供的试验数据基础上，等效评估涂层在海洋大气环境中指定太阳辐射量下色差或失光率的变化。

本发明的第一目的是通过以下技术方案实现的：

一种模拟涂层在海洋大气环境的加速试验方法，其特征在于：依次进行多因子协同试验、盐雾试验，并进行组合循环。

一次试验循环的时间为6天，其中，所述多因子协同试验一个周期试验时间为5天，盐雾试验一个周期试验时间为1天。

所述盐雾试验的试验条件为：喷雾温度35℃，5％的NaCl溶液，稀盐酸调节至pH＝4.5～5.5；

所述多因子协同试验一个周期试验包括5次循环，每次循环采用太阳辐射、温度循环和润湿-干燥交替三种因子协同作用于涂层，然后使涂层在无光照状态保持凝露。

所述多因子协同试验每个循环周期为24h，其中：

所述太阳辐射条件：第0h至第20h光照，光源：1120±10％W/m²，第20h-第24h关闭光源；

所述温度循环条件：第0h至第8h高温：44℃光照，第8h至第20h降温：光照条件下，44℃降到34℃，第20h至第21h保持1h低温：34℃无光，第21h至24h进行3h升温，无光条件下，34℃升到44℃，上述任一阶段相对湿度均大于等于90％；

所述润湿-干燥交替条件：在光照条件下进行湿润-干燥交替作用，采用空气凝露进行湿润，光照实现干燥，每4h为湿润-干燥的一次交替循环，湿润与干燥的时间比例为1:3，在20h光照条件下共5次湿润-干燥交替循环；

无光照状态保持凝露条件：在第20h至第24h的无光照时间4h，采用空气进行凝露。

为了实现上述第二目的，采用以下技术方案：

一种模拟涂层在海洋大气环境的加速试验等效评估方法，首先采用上述的试验方法进行试验，其特征在于：

每次循环组合试验结束后，检测获取涂层性能变化数据；

确定参比涂层；

建立实验室组合加速试验和海洋大气环境相同太阳辐射量下的参比涂层色差或失光率的转换系数；

采用加速试验色差或失光率与参比涂层色差或失光率转换系数的乘积等效评估海洋大气环境下涂层色差或失光率变化。

所述参比涂层色差或失光率的转换系数为当两种试验环境太阳辐射量相同时，参比涂层在两种环境下对应的色差或失光率之间的比值，计算方法应符合公式(1)：

K＝A/B (1)

式中：

K——参比涂层色差或失光率转换系数；

A——试验环境A对应的参比涂层色差或失光率值；

B——试验环境B对应的参比涂层色差或失光率值。

所述采用加速试验色差或失光率与参比涂层色差或失光率转换系数的乘积等效评估海洋大气环境下涂层色差或失光率变化应符合公式(2)：

Y＝K×X(2)

式中：

Y——涂层海洋大气暴露试验的色差或失光率预评估值；

K——参比涂层色差或失光率转换系数；

X——指定太阳辐射量下，组合加速试验中色差或失光率的实测值。

由于采用了上述技术方案，本发明具有如下的优点：

本发明通过分析海洋大气环境中对涂层老化起关键作用的环境要素强度、发生频率及时间比例，将太阳辐射、温度循环和润湿-干燥交替多环境因素同时作用于涂层，真实再现了海洋大气环境下涂层白天在光、热、水多环境因素作用下导致的光降解和水降解的协同作用，克服了以往单一环境或多个单一环境因素顺序施加到涂层表面导致模拟性差的缺陷；同时无光照凝露条件能很好模拟海洋大气环境下涂层晚上在无光照条件下长期处于高湿状态的作用。

本发明通过建立实验室组合加速试验和海洋大气环境试验之间参比涂层色差或失光率的转换系数，在加速试验和海洋大气环境下涂层老化机理基本一致的情况下，采用实验室加速试验数据等效评估涂层相同太阳辐射量下海洋大气试验的色差或失光率，加速倍率可达8倍以上；涂层性能变化的评估结果同大气暴露试验结果相比，误差小于15％。

附图说明

本发明的附图说明如下：

图1为本发明模拟海洋大气环境加速试验谱；

图2为多因子协同试验曲线图；

图3为TH52-85环氧富锌底漆+TS55-80聚氨酯面漆参比涂层两种试验环境试验后的红外谱图；

图4为TH52-97环氧富锌底漆+TS04-98聚氨酯面漆待评估涂层两种试验环境试验后的红外谱图；

图5为两种涂层试验后色差变化曲线图；

图6为等效评估步骤图；

图7为TH52-85环氧富锌底漆+TS55-80聚氨酯面漆参比涂层色差回归方程；

图8为TH52-85环氧富锌底漆+TS55-80聚氨酯面漆参比涂层的回归曲线。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明，但发明并不局限于本实施方式，任何在本实施例基本精神上的改进或替代，仍属于本发明权利要求所要求保护的范围。

下面对本发明选用的试验样品做如下说明：

本发明采用TH52-85环氧富锌底漆+TS55-80聚氨酯面漆涂层作为参比涂层；采用TH52-97环氧富锌底漆+TS04-98聚氨酯面漆涂层作为待评估涂层。

本发明所有样品尺寸为150×50mm，干膜厚度110um～140um，以喷砂冷轧钢板为基材，然后清洗基材表面，最后喷涂相应的涂层，自然干燥。

本发明采用的方法不要求必须进行自然环境试验，但为了更好说明本方法采用加速试验的模拟性和等效评估的准确性，下面也将举例说明自然环境试验方法和试验结果。

实施例1：自然环境大气暴露试验在具有典型海洋大气环境的海南万宁试验站开展，试验场距离海岸线95米，样板受试面朝南，与水平面成45°角暴露，检测周期为：1个月、2个月、3个月、6个月、9个月、12个月，每周期检测样品的色差、光泽度、和傅立叶红外光谱。

实验室加速试验条件设计主要考虑海洋大气环境中对涂层老化起关键作用的环境因素，主要体现了太阳辐射、干燥-湿润交替、温度循环、湿度、盐雾和夜间凝露对涂层的综合作用，包括多因子协同试验和盐雾试验，其加速试验环境谱见图1。

所述多因子协同试验一个试验周期试验包括5次循环，共5天，每次循环时间为24h，每次循环均采用太阳辐射、温度循环和润湿-干燥交替三种因子协同作用于涂层，然后使涂层在无光照状态保持凝露，各试验条件见图2， 其中：

所述太阳辐射条件：选用波长为280nm～3000nm，辐照度为1120±47w/m²的金属卤素灯光照，其中，每次循环时光照20h，关闭光源4h。

所述温度循环条件：8h高温：44℃光照，12h降温：光照条件下，44℃降到34℃，1h低温：34℃无光，3h升温，无光条件下，34℃升到44℃，该温度循环范围确保了样品温度不超过海洋大气环境下样品表面温度极值，同时符合实际的温度波动范围，上述任一阶段相对湿度均大于等于90％。

所述润湿-干燥交替条件：在光照条件下进行湿润-干燥交替作用，采用空气凝露进行湿润，光照实现干燥，每4h为湿润-干燥的一次交替循环，湿润与干燥的时间比例为1:3，20h光照共5次湿润-干燥交替循环。较高的湿润-干燥交替频率可真实模拟海洋大气环境下强太阳辐射、高温、高湿导致的样品表面薄液膜变化过程，达到样品快速老化目的。

所述无光照状态保持凝露条件：无光照时间4h，采用空气进行凝露。该条件主要是模拟海洋大气环境下夜间无光照条件下高湿状态对涂层老化影响。

所述盐雾试验条件为喷雾温度35℃，5％的NaCl溶液，稀盐酸调节至pH＝4.5～5.5，24h为一次循环。

按图1所示的模拟加速试验谱，采用SC500太阳辐射试验箱和模拟干燥-凝露交替作用装置开展多因子协同子试验，采用FY-10E盐雾试验箱开展盐雾子试验，共计6个循环组合试验，每个循环结束后检测涂层的色差、光泽度和傅立叶红外光谱。

通过红外光谱、色差和光照变化评判涂层样品在加速试验和海洋大气暴露试验中老化机理和老化规律的一致性，建立实验室组合加速试验和海洋大气环境试验之间参比涂层色差或失光率的转换系数，采用加速试验色差或失光率与参比涂层色差或失光率转换系数的乘积等效评估相同太阳辐射量下海洋大气试验的涂层色差或失光率变化。

试验结果：

1.涂层失效机理

涂层样品暴露于海洋大气环境下，由于受到强紫外线的作用，树脂中分子链受到破坏，涂层表面大分子降解形成易挥发小分子产物与亲水性氧化产物，亲水性氧化产物溶于水离开涂层表面，最终引起涂层粉化、变色、失光等老化现象。采用傅立叶红外光谱对实验室加速试验和海洋大气环境试验的涂层 进行分子结构表征和官能团识别，见图3～4，评判两种环境下涂层老化机理的一致性。由参比涂层和待评估涂层的原始红外光谱可以看出，1720cm^-1，1460cm^-1，1140cm^-1附近峰为两种涂层聚氨酯的特征吸收峰，其中，1750～1500cm^-1之间是-NH-COO-、N-H和C-N的吸收峰；1250～1000cm^-1之间出现的是C-O、C-N吸收峰；1720cm^-1附近为C＝O特征吸收峰；1020cm^-1附近为颜料(滑石)的吸收峰。两种环境试验后，TH52-85环氧富锌底漆+TS55-80聚氨酯面漆涂层的1722cm^-1和1463cm^-1位置处的特征峰均大幅度减弱，1141cm^-1位置处的特征峰消失；TH52-97环氧富锌底漆+TS04-98聚氨酯面漆涂层变化更明显，所有特征峰均消失，进一步对比特征峰和无机峰(1020cm^-1)比值变化，可以看出，两种环境下，各涂层的特征峰和无机峰比值在试验前后均有大幅下降，这说明，两种试验环境中各涂层的老化机理基本相同，聚氨酯大分子链断裂，涂层表面树脂成膜物逐渐老化。

2.涂层老化规律

以参比涂层色差结果为例，采用图表对比法，评判参比涂层实验室加速试验和海洋大气环境试验老化规律的一致性，见图5。由图得知，参比涂层实验室加速试验与海洋大气环境试验的色差变化趋势基本一致。

综上所述，涂层在两种试验环境下的变化规律和失效机理一致，说明该实验室加速试验具有很好的模拟性。

海洋大气环境下涂层色差或失光率变化评估：

以色差为例，评估TH52-97环氧富锌底漆+TS04-98聚氨酯面漆待评估涂层海洋大气环境试验的色差，步骤如图6所示。

通过开展与参比涂层相同的实验室加速试验获取待评估涂层的色差值。

根据参比涂层试验数据，建立参比涂层实验室加速试验和海洋大气环境试验的色差回归方程，见图7，回归曲线见图8，模拟系数为98％，大于95％。

获取待评估涂层实验室加速试验与海洋大气环境试验相同太阳辐射量下的色差值，若以2700MJ/m²太阳辐射量为例计算海洋大气环境下的色差值。

根据公式(1)计算2700MJ/m²太阳辐射量下参比涂层的转换系数，K＝0.56。由公式(2)计算2700MJ/m²太阳辐射量时，待评估体系在海洋 大气环境下的色差Y＝3.02。

验证待评估涂层色差值(必要时)。通过海洋大气环境试验获知，待评估涂层在2700MJ/m²太阳辐射量下海洋大气环境试验色差的实测值为2.98，与等效评估结果相比，误差为1.3％，远小于15％。

通过以上分析，实验室加速试验和海洋大气环境试验结果有较好的等效性，可以通过较短的实验室加速试验时间预评估海洋大气暴露试验的数据，并且误差较小。