聚酯粉末涂料在湿热环境的自然老化与 氙灯老化的相关性研究

时宇，揭敢新，祁黎，王俊，高泽海，张捷，陶友季

（1.中国电器科学研究院有限公司 工业产品环境适应性国家重点试验室，广州 510663； 2.擎天材料科技有限公司，广州 510300）

粉末涂料自诞生起便展现出了优越的性能，在传统家电、建材、家具、汽车等领域广泛应用[1-5]。由于国际和国内政策对VOC 的排放限制[6-7]，溶剂型涂料已逐渐被限制使用，而粉末涂料的VOC 排放几乎为零，对环境的污染大大降低，在涂料工业中所占的比例逐年上升。涂层在户外环境中受到紫外辐射及水、酸雨、氧气等作用，会不断老化降解，降低其使用寿命。因此，延长粉末涂层的耐候性对于节能减排、提高材料使用寿命都有十分重要的意义。聚酯树脂作为粉末涂料的重要组成部分，是优化粉末涂料耐候性的关键[8-10]。

文中通过对耐候型聚酯粉末涂料 NH3307、NH5307、NH9307 共3 种产品[11-13]，分别开展琼海湿热环境的自然老化试验和氙灯加速老化试验，考察两 者的相关性，筛选出最适合模拟湿热环境的氙灯试验方法。同时，计算氙灯试验与自然老化试验的加速系数，为通过氙灯加速老化考察粉末涂料耐候性提供依据。

1 试验

1.1 原料及样板制备

建材用聚酯粉末涂料NH3307、NH5307、NH9307（广州擎天材料科技有限公司）系列。三种涂料的性能参数见表1。将涂料喷涂于Q235 钢板两面，钢板尺寸为70 mm×150 mm×0.5 mm，涂层厚度为150～ 200 μm。

表1 聚酯粉末涂料的性能参数

1.2 主要设备及仪器

试验所用设备为氙灯老化箱（Ci4000，美国ATLAS 公司）。测试仪器为三角度光泽计（Sheen 160，德国毕克公司）。

1.3 自然暴晒试验

按GB/T 3681—2000《塑料大气暴露试验方法》在琼海开展自然大气无背板暴晒试验，暴晒角为南向45°。涂料样板在第1 年的试验期内，每3 个月取样1次，第2 年每6 个月取样1 次，每次均取3 块小方片进行性能测试。

1.4 氙灯老化测试

采用Atlas Ci4000 型氙灯试验箱对上述高分子材料进行人工加速老化试验，具体试验参数见表2。氙灯老化试验共采用4 种方法：方法1 是通常的国际标。准测试，方法2 是参数模拟湿热环境；方法3 是参数模拟干热环境；方法4 是加入了光照黑暗循环。

1.5 光学性能测试

按照GB/T 9754—2007，用BYK 4430 微型多角度光泽仪对涂料样板曝晒面在60°入射角下进行光泽度测量，结果取3 次测量的算术平均值。

2 结果与讨论

2.1 光学性能变化

保光率是材料在老化后的60 率镜面光泽与初始值的比值，反应了涂料在老化过程中表面光泽的保持率，是行业常用的涂料耐候性考察指标。三种粉末涂料在琼海进行自然老化试验期间的保光率变化如图1所示。可以看出，在琼海经过24 个月的自然老化后，保光率随着时间的延长呈下降趋势。在自然老化的前12 个月，三种粉末涂料的保光率变化相对较小，12个月后保光率迅速下降。在自然老化24 个月后，NH3307 和NH5307 涂料的保光率下降到初始性能的50%左右，NH9307 涂料下降到 70%左右。说明NH9307 涂料在琼海进行自然老化过程中的耐候性好于NH3307 和NH5307 材料。

三种涂料在琼海湿热环境条件下进行自然老化试验，将保光率与老化时间进行拟合，结果见表3。其中ΔG 为保光率，tn为自然老化时间。可以看出，保光率和时间呈指数下降的关系。

表2 氙灯老化试验参数

图1 不同粉末涂料在自然老化期间的保光率变化

2.2 光学性能变化

分别采用四种方法对三种粉末涂料进行氙灯加 速老化试验，期间的保光率变化如图2 所示。从图2a 中可以看出，NH3307 涂料在采用方法2 进行的氙灯老化试验中，老化约800 h 后，保光率下降到初始值的50%左右；老化1000 h 后，保光率下降到初始值的约40%。采用方法1、3、4 进行氙灯老化试验中，老化1600～2000 h 后保光率依然保持在80%左右。图2b 中NH5307 涂料的氙灯老化试验的结果与NH3307涂料相似，采用方法2 进行的氙灯老化试验，老化1300 h 后，保光率下降到约50%；老化1600 h 后，保光率下降到约20%。采用方法1、3、4 进行氙灯老化试验中，老化1600～2000 h 后，保光率依然保持在约80%～95%。图2c 中，NH9307 涂料在采用方法2进行的氙灯老化试验中，老化1600 h 后，保光率下降至约70%；采用方法1、3、4 的氙灯老化在1600～ 2000 h 后，保光率保持在85%以上。

表3 不同粉末涂料的保光率-时间拟合方程及其相关性

可以看出，三种涂料在采用方法1、3、4 的氙灯老化试验中，保光率始终保持在较高的水平上。可以认为，涂料表面没有发生明显的老化现象。采用方法2 的氙灯试验中，三种涂料保光率的下降幅度明显高于其他三种氙灯试验方法。

采用皮尔逊相关系数考察涂料的自然老化和氙灯老化之间的关系。皮尔逊相关系数法是度量两个变量之间关联程度的最常用方法，其数学表达式为：

采用四种氙灯老化方法对三种涂料的老化和自然老化之间的相关系数见表4。可以看出，采用试验方法2 的氙灯加速老化和自然老化的相关系数最高，其次是方法4。

图2 不同粉末涂料在氙灯老化期间的保光率变化

对比4 种氙灯老化方法的试验结果，可以看出，只有采用方法2 试验的涂料保光率大幅下降，与三种涂料在琼海自然老化中保光率下降的结果相近。产生这种结果在于氙灯试验条件的差异，方法1 和方法3的条件分别模拟了普通环境和干热环境，与琼海的湿热环境条件有较大差异，其试验结果与自然老化试验的相关系数也低。方法2 和方法4 的试验条件更接近于琼海的自然环境参数，由于存在光照黑暗循环，方法4 的参数严酷性不如方法2，其试验结果相对自然老化试验的加速性和相关系数也低于方法2。综合氙灯试验的试验条件，以及与自然老化的试验结果的比较，可以认为氙灯老化方法2 与琼海自然老化的相关性更好，更适合模拟涂料在湿热环境的老化过程。

采用氙灯加速老化试验方法2 对三种涂料进行加速老化试验，将保光率与老化时间进行拟合，结果见表5（ta为加速老化时间）。可以看出和自然老化相似，保光率和时间呈指数下降的关系。

表5 不同粉末涂料的保光率-时间拟合方程及其相关性

2.3 加速性分析

图3 涂料在两种湿热环境（氙灯加速与琼海） 下的相关性

三种涂料采用氙灯加速老化试验方法2 相对琼海自然老化的加速性如图3 所示。横坐标为加速老化 时间ta，纵坐标为自然老化时间tn。比较达到相同保光率的加速老化时间和自然老化时间的对应关系，考察氙灯老化的加速性。可以看出，在模拟湿热环境和自然湿热环境中，三种涂料达到相同保光率的老化时间呈线性关系，经线性拟合，其拟合方程与相关系数见表6。

表6 不同粉末涂料的加速-自然老化时间 拟合方程及其相关性

表6 中，直线斜率表明氙灯加速老化试验方法2与琼海湿热环境自然老化对比的加速因子。其中NH3307 涂料为17.62，NH5307 涂料为12.44，NH9307涂料为10.36。说明模拟湿热环境的氙灯加速老化试验方法2 对NH3307 涂料的老化加速性最大，其次为NH5307 涂料，最后是NH9307 涂料。

3 结论

通过对NH3307、NH5307、NH9307 这三种粉末涂料开展琼海湿热环境自然老化试验，和4 种方法氙灯加速老化试验，可以得到以下结论。

1）基于保光率测试的结果，NH9307 涂料的耐候性好于NH3307 和NH5307 涂料。

2）氙灯加速老化试验方法2 能够较好地模拟涂料在湿热环境中的老化过程。