近年來(lái)，隨著(zhù)我國建設步伐的加快，鋁合金建筑型材市場(chǎng)有了長(cháng)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)大國。與其他材料一樣，當鋁合金建筑型材受到大氣條件下光照、溫度、潮濕等因素的影響，會(huì )產(chǎn)生褪色、粉化、開(kāi)裂、起泡、表面剝落等老化現象，從而影響到產(chǎn)品的性能和美觀(guān)。因此鋁合金建筑型材的耐候性是產(chǎn)品開(kāi)發(fā)和質(zhì)量控制的一個(gè)重要指標。

粉末噴涂鋁型材的老化測試包括戶(hù)外大氣測試和實(shí)驗室加速測試兩種方法。國內有專(zhuān)門(mén)的鋁型材行業(yè)的大氣老化標準GB5237.4-2004，上常用的戶(hù)外曝曬標準有歐洲Qualicoat第10版、美國建筑制造業(yè)協(xié)會(huì )AAMA2603-02、AAMA2604-02、AAMA2605-02、英國B(niǎo)S6496等。

國內外都長(cháng)期開(kāi)展了戶(hù)外大氣老化測試。國內在海南、廣州、敦煌等地都有規模不等的戶(hù)外曝曬場(chǎng)，上通常作為基準曝曬地點(diǎn)的有美國的佛羅里達和亞利桑那，Q-Lab公司在上述地方都建有標準曝曬場(chǎng)。戶(hù)外曝曬測試有很多優(yōu)點(diǎn)：真實(shí)，便宜，易于操作等。

戶(hù)外曝曬的測試時(shí)間相對較長(cháng)，大部分制造商不愿意等上幾年的時(shí)間來(lái)觀(guān)察一種新的改良的產(chǎn)品設計是否確實(shí)得到改進(jìn)，所以有必要進(jìn)行實(shí)驗室加速老化測試。在加速老化測試方面，除少數的日本企業(yè)仍沿用碳弧燈外，主流的測試方法有紫外(QUV)和氙燈(Q-Sun)兩種，其中紫外測試主要使用UVA燈管和UVB燈管。

1實(shí)驗目的

本文實(shí)驗目的是比較QUV(UVA燈管)、QUV(UVB燈管)、Q-Sun三種實(shí)驗室加速老化測試方法與佛羅里達戶(hù)外曝曬之間的關(guān)系，分析哪種加速試驗方法更適合用于材料何種性能的測試，并通過(guò)實(shí)驗數據及數學(xué)計算，找出三種加速老化試驗時(shí)間與佛羅里達戶(hù)外曝曬時(shí)間的對比關(guān)系，幫助業(yè)內人士了解如何通過(guò)試驗找出自己產(chǎn)品的加速因子。

2實(shí)驗室加速老化原理

實(shí)驗室加速老化測試主要使用氙燈和紫外兩種測試設備，但它們的測試原理*不同。下面通過(guò)介紹Q-Lab公司的Q-Sun氙燈試驗箱和QUV紫外試驗機的特點(diǎn)來(lái)分析氙燈和紫外設備的測試原理。

2.1氙燈試驗箱的老化原理

氙燈試驗箱可以模擬全光譜太陽(yáng)光，包括紫外線(xiàn)，可見(jiàn)光和紅外線(xiàn)。氙燈光譜有兩個(gè)影響因素：濾光系統和光源穩定性。氙燈產(chǎn)生的光譜必須經(jīng)過(guò)過(guò)濾來(lái)減少不需要的光譜成分。使用不同類(lèi)型的玻璃過(guò)濾器可得到不同的光譜。過(guò)濾器的使用取決于被測材料和材料的終使用條件。經(jīng)不同過(guò)濾器過(guò)濾后得到的光譜中紫外線(xiàn)的短波段的量不同，這將在很大程度上影響老化的速度和類(lèi)型。有三種類(lèi)型的經(jīng)常使用的過(guò)濾器：日光、窗玻璃和紫外延伸過(guò)濾器。本次實(shí)驗中，我們采用日光過(guò)濾器，圖1顯示了這種過(guò)濾器產(chǎn)生的光譜，同時(shí)也顯示了從295~400nm之間的紫外線(xiàn)短波段的光譜圖。

大多數氙燈檢測設備通過(guò)水噴淋或濕度控制系統來(lái)模擬潮濕的影響。水噴淋可很好地模擬熱沖擊和機械侵蝕。在測試系統中，為了防止水對樣品的污染使用高純度的去離子水是非常必要的。

2.2紫外試驗機的老化原理

QUV利用熒光紫外線(xiàn)燈來(lái)模擬太陽(yáng)光對耐久性材料造成的損害。紫外燈在電學(xué)原理上與普通照明用的燈管很相似，但它主要發(fā)射紫外光而非可見(jiàn)光。

對于不同的應用條件，需要不同類(lèi)型的燈管產(chǎn)生不同的光譜。UVA-340燈管對太陽(yáng)光的紫外短波段光線(xiàn)模擬效果好。UVA-340的光譜能量分布(SPD)在太陽(yáng)光的截止點(diǎn)到大約360nm范圍內與太陽(yáng)光譜能夠很好地吻合(如圖2所示)。

UVB-313燈管(如圖3所示)在QUV中也被廣泛應用。它們對材料產(chǎn)生的老化影響比UVA-340燈管更快，但它比太陽(yáng)光截止點(diǎn)更短的波長(cháng)可能會(huì )對許多材料產(chǎn)生不切實(shí)際的結果。

UVA-340燈管對太陽(yáng)光紫外短波段的模擬效果是更佳的。UVB-313燈管利用紫外線(xiàn)的短波段達到快加速老化的目的，對特別經(jīng)久耐用的材料的檢定或質(zhì)量控制非常有用。

加熱QUV測試室底部的水盤(pán)來(lái)產(chǎn)生蒸汽。在較高的溫度下，熱蒸汽在測試室內保持100%的相對濕度。QUV中，測試樣品實(shí)際上形成測試室的側壁。樣品的另一面暴露在室內周?chē)目諝庵?。室內相對較冷的空氣就使得測試樣品的表面比測試室內的熱蒸汽的溫度低好幾度。這一溫度差產(chǎn)生冷凝，在樣品表面液態(tài)形式的水慢慢地凝結。除了標準的冷凝功能，QUV還可用水噴淋來(lái)模擬雨水影響，產(chǎn)生熱沖擊或機械侵蝕。

3三種加速測試試驗條件

利用QUV紫外和Q-Sun氙燈兩種測試設備對一系列粉末噴涂鋁板進(jìn)行了測試。具體地，我們進(jìn)行了三種實(shí)驗室加速老化測試，分別是QUV(UVA燈管)、QUV(UVB燈管)和Q-Sun，三種測試的具體標準和程序如表1、2、3所示。

表1 QUV (UVA燈管)測試程序

表2 QUV (UVB燈管)測試程序

表3 Q-Sun測試程序

4三種加速測試方法與佛羅里達測試結果之間的比較

利用QUV(UVA燈管)、QUV(UVB燈管)、Q-Sun并在佛羅里達測試了一系列粉末噴涂鋁板樣品的光澤、顏色變化及起泡、粉化、開(kāi)裂、裂紋等指標，本文主要討論樣品的光澤變化。根據所得測試結果的數據，我們分別計算了加速測試方法與佛羅里達測試方法之間的相關(guān)系數rs(spearman相關(guān)系數)，該相關(guān)系數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(shí)驗結果之間的相關(guān)性。相關(guān)系數rs的計算公式為：rs=1-6∑di²/【n(n²-1)】，其中n指的是樣品的個(gè)數，di指的是兩列排序中每一組排位數之間的差值。

為了得到加速老化測試與佛羅里達戶(hù)外曝曬實(shí)驗結果之間的關(guān)系，也就是通常大家比較關(guān)心的一個(gè)問(wèn)題———對于材料的某種變化，如果加速測試與戶(hù)外結果的相關(guān)性足夠好，那么在QUV或Q-Sun中測試多長(cháng)時(shí)間相當于在佛羅里達戶(hù)外曝曬1年的效果，我們還做了相關(guān)數學(xué)計算。我們假設在三種加速測試方法中測試t小時(shí)接近在佛羅里達戶(hù)外曝曬1年的效果，通過(guò)求二次函數小值的方法得到t值，也就是我們所要求的對應加速測試時(shí)間。

需要特別指出的是，文中利用求二次函數的小值來(lái)求更佳時(shí)間的方法只是尋求在加速試驗中測試多長(cháng)時(shí)間接近在佛羅里達戶(hù)外曝曬的效果，而并不能保證所有樣品都達到在佛羅里達曝曬的程度。為了確保所有樣品都達到或超過(guò)在佛羅里達測試的結果，建議對時(shí)間作一修正，即在所得時(shí)間的基礎上再乘以一個(gè)系數，這個(gè)系數可以是1.1，可以是1.5，也可以是其它的數值，視具體情況具體分析。

4.1QUV(UVA燈管)與佛羅里達測試結果之間的比較

對每個(gè)樣品，QUV(UVA燈管)按表1實(shí)驗條件運行1000小時(shí)，在不同時(shí)間段對光澤進(jìn)行一次測量，而在佛羅里達是對樣品曝曬了1年，也是在不同時(shí)間段對光澤進(jìn)行一次測量。無(wú)論是在佛羅里達戶(hù)外曝曬，還是利用QUV(UVA燈管)進(jìn)行實(shí)驗室加速老化測試，樣品的光澤均發(fā)生退化。通過(guò)數據分析及數學(xué)計算，得出QUV(UVA燈管)與佛羅里達測試結果之間的相關(guān)系數。同時(shí)，求出二次函數取得小值時(shí)所對應的t值。當t為400小時(shí)時(shí)二次函數取得小值，而且此時(shí)的相關(guān)系數為0.9。這就說(shuō)明在QUV(UVA燈管)中測試400小時(shí)樣品的光澤變化接近在佛羅里達戶(hù)外曝曬1年的效果(為了直觀(guān)比較樣品在兩種測試條件下性能的變化，圖4中顯示的是其中3個(gè)樣品在QUV(UVA燈管)和佛羅里達試驗中的光澤變化)。

圖4 QUV (UVA燈管)400小時(shí)與佛羅里達1年樣品保光率之間的比較

系數為0.9。這就說(shuō)明在QUV(UVA燈管)中測試400小時(shí)樣品的光澤變化接近在佛羅里達戶(hù)外曝曬1年的效果(為了直觀(guān)比較樣品在兩種測試條件下性能的變化，圖4中顯示的是其中3個(gè)樣品在QUV(UVA燈管)和佛羅里達試驗中的光澤變化)。從圖4可以看出，無(wú)論是使用QUV(UVA燈管)對樣板進(jìn)行測試還是佛羅里達戶(hù)外曝曬，樣板的光澤均發(fā)生退化。其中A樣板光澤保持的較好，B樣板的光澤下降低。而且還可以看出，QUV(UVA燈管)測試與佛羅里達戶(hù)外曝曬之間的相關(guān)性較好。

4.2QUV(UVB燈管)與佛羅里達測試結果之間的比較

對每個(gè)樣品Q(chēng)UV(UVB燈管)按表2實(shí)驗條件運行400小時(shí)，在不同時(shí)間段對光澤進(jìn)行一次測量。

通過(guò)數據分析及數學(xué)計算，得出QUV(UVB燈管)與佛羅里達測試結果之間的相關(guān)系數。同時(shí)，求出二次函數取得小值時(shí)所對應的t值。當t為350小時(shí)時(shí)二次函數取得小值，而且此時(shí)的相關(guān)系數為0.9。這就說(shuō)明在QUV(UVB燈管)中測試350小時(shí)樣品的光澤變化接近在佛羅里達戶(hù)外曝曬1年的效果(如圖5所示)。

圖5 QUV(UVB燈管)350小時(shí)與佛羅里達1年樣品保光率之間的比較

與圖4類(lèi)似，從圖5也可以看出，無(wú)論是使用QUV(UVB燈管)對樣板進(jìn)行測試還是佛羅里達戶(hù)外曝曬，樣板的光澤均發(fā)生退化。與圖4中得出的結論相同，A樣板光澤保持的較好，B樣板的光澤下降低。而且QUV(UVB燈管)測試與佛羅里達戶(hù)外曝曬之間的相關(guān)性也很好。

4.3Q-Sun與佛羅里達測試結果之間的比較

對每個(gè)樣品Q(chēng)-Sun按表3實(shí)驗條件運行800小時(shí)，在不同時(shí)間段對光澤進(jìn)行一次測量。

通過(guò)數據分析及數學(xué)計算，得出Q-Sun與佛羅里達之間的相關(guān)系數。同時(shí)，求出二次函數取得小值時(shí)所對應的t值。當t為600小時(shí)時(shí)二次函數取得小值，而且此時(shí)的相關(guān)系數為0.9。這就說(shuō)明在Q-Sun中測試600小時(shí)樣品的光澤變化接近在佛羅里達戶(hù)外曝曬1年的效果(如圖6所示)。

圖6 Q-Sun 600小時(shí)與佛羅里達1年 樣 品保光率之間的比較

與圖4，圖5類(lèi)似，從圖6也可以看出，無(wú)論是使用Q-Sun對樣板進(jìn)行測試還是佛羅里達戶(hù)外曝曬，樣板的光澤均發(fā)生退化。與圖4，圖5中的相同，A樣板光澤保持的較好，B樣板的光澤下降低。而且Q-Sun測試與佛羅里達戶(hù)外曝曬之間的相關(guān)性也很好。

5總結與建議

本文研究了粉末噴涂鋁型材的耐候老化測試方法，試驗證明無(wú)論是QUV紫外光老化試驗機還是Q-Sun氙燈試驗箱對材料造成的光澤下降與戶(hù)外曝曬之間的相關(guān)性都很好，而且QUV紫外光老化試驗機(無(wú)論是UVA燈管還是UVB燈管)比Q-Sun氙燈試驗箱能更快地模擬佛羅里達戶(hù)外曝曬1年的效果。

戶(hù)外測試是實(shí)驗室加速老化測試的基礎。通過(guò)本文研究，我們進(jìn)一步認識到積極開(kāi)展戶(hù)外老化測試的重要性，并用以指導實(shí)驗室加速測試。雖然某些例子已經(jīng)證明了實(shí)驗室加速測試能夠很好地預測某些材料的戶(hù)外耐久性，但有些情況下，實(shí)驗室加速測試卻無(wú)法準確地預測出材料的戶(hù)外耐久性。而且，在實(shí)驗室加速測試中表現良好的產(chǎn)品，在實(shí)際的戶(hù)外測試中可能表現差。在各種實(shí)驗室加速試驗面前，人們有很多種選擇，但其中有些可能很好，有些可能很差。但戶(hù)外測試不同，您不必擔心作出錯誤的選擇，因為在戶(hù)外測試跟實(shí)際情況從來(lái)不會(huì )有出入。

本文所得的戶(hù)外與實(shí)驗室加速測試之間的對比關(guān)系，僅就文中所曝曬的粉末噴涂鋁板而言，不見(jiàn)得對所有產(chǎn)品都適用，在此只是作為一種分析方法的參考。要想找出其它產(chǎn)品或材料的戶(hù)外與實(shí)驗室加速測試之間的相關(guān)性，那么還要進(jìn)行相關(guān)的戶(hù)外測試。