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戶外耐候性涂料在不同氣候環(huán)境下的老化性能研究概況

彭軍,謝宇芳,李欣,楊育農(nóng)

（廣州合成材料研究院有限公司，廣東廣州 510665）

摘要：本文對戶外耐候性涂料在不同氣候特征條件下的老化性能研究進(jìn)行了概述，介紹了國內(nèi)外戶外涂料老化試驗(yàn)方法研究概況，歸納了我國戶外涂料耐候性地區(qū)氣候差異的研究現(xiàn)狀和戶外涂料抗老化技術(shù)研究的發(fā)展趨勢，并對今后戶外涂料老化性能研究方向進(jìn)行了展望。

關(guān)鍵詞：戶外涂料；耐候性；氣候環(huán)境；老化性能

Research on aging properties of outdoor weather resistant coatings under different climate conditions

Peng Jun, Xie Yufang, Li Xin, Yang Yunong

（Guangzhou Synthetic Materials Research Institute Co. Ltd. , Guangzhou，Guangdong 510665，China)

Abstract: In this paper, aging properties of outdoor weather resistant coatings under different climate conditions was induced, survey of the research method of outdoor coating aging test at home and abroad was proposed, and research status of climate difference in weather ability of outdoor coatings in China and the development trend of antiaging technology for outdoor coatings was summarized. Finally, research direction of outdoors coating aging performance in the future was prospected.

Key words: outdoor paint, weather ability, climate environment, aging properties

1.引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)的騰飛，基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、房地產(chǎn)行業(yè)和交通運(yùn)輸業(yè)的發(fā)展都呈現(xiàn)上升趨勢，應(yīng)用于建筑外墻、汽車車身、橋梁船舶等的戶外耐候性涂料成為發(fā)展最為迅速的涂料品種之一。眾所周知，戶外涂料在實(shí)際使用中直接暴曬在大氣環(huán)境，尤其是在高溫潮濕的環(huán)境，易受到太陽輻射、溫濕度等氣候因素的影響，涂層不可避免地會出現(xiàn)不同程度的老化現(xiàn)象。涂層的老化不僅導(dǎo)致戶外涂料裝飾效果及防護(hù)功能喪失，而且降低涂料使用壽命，增加了使用成本，造成了資源的浪費(fèi)，涂層失效分解也會對環(huán)境造成污染。戶外涂料的老化失效問題一直以來都是限制我國戶外涂料進(jìn)一步發(fā)展和應(yīng)用的關(guān)鍵性問題之一^[1]。近些年來隨著珠三角經(jīng)濟(jì)的起飛，尤其是建筑房地產(chǎn)行業(yè)和交通運(yùn)輸業(yè)的突飛猛進(jìn)，使得以建筑外墻涂料、汽車涂料為代表的戶外涂料在廣東省得到了迅猛發(fā)展，廣東省涂料年消費(fèi)量一直以來也穩(wěn)居全國第一。在當(dāng)今提倡環(huán)境友好、節(jié)能減排、低碳經(jīng)濟(jì)的大環(huán)境下，人們對涂料的品質(zhì)提出了更高的要求，使得涂料的安全性、可靠性及耐久性問題受到廣泛的重視^[2]。廣東省作為涂料生產(chǎn)大省，同時也是涂料消費(fèi)大省，隨著未來廣東省經(jīng)濟(jì)的加快發(fā)展，對高耐候性戶外涂料的需求將不斷增加，研究戶外涂料老化失效行為和壽命評估方法顯得尤為重要和迫在眉睫。

2. 國內(nèi)外戶外涂料老化試驗(yàn)方法研究概況

歐美等發(fā)達(dá)國家早上世紀(jì)20年代就開始了對戶外涂料制品的老化性能和抗老化方面的研究工作，并成立了諸如ATLAS公司這樣專門從事材料老化性能檢測和老化設(shè)備研制的專業(yè)機(jī)構(gòu)。在耐老化性能評價方面，國外已經(jīng)制定了一系列戶外涂料耐候性標(biāo)準(zhǔn)體系，如國際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）和美國材料與試驗(yàn)協(xié)會（ASTM）分別制定了行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，而企業(yè)為了對產(chǎn)品的耐候性品質(zhì)進(jìn)行控制，也制定了各自的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)^[3]。與國外相比，我國在戶外涂料老化和抗老化研究方面還存在一定差距，這也阻礙著我國由涂料生產(chǎn)大國向涂料生產(chǎn)強(qiáng)國的轉(zhuǎn)變。

由于缺乏自然氣候老化數(shù)據(jù)的積累和涂料使用環(huán)境的針對性研究，國內(nèi)目前沒有提出戶外涂料各地區(qū)氣候環(huán)境差異化的技術(shù)要求，導(dǎo)致國內(nèi)涂料的耐候性研究方面還存在明顯不足。國內(nèi)涂料老化基礎(chǔ)數(shù)據(jù)積累不完善，基礎(chǔ)研究落后，沒有系統(tǒng)開展過戶外涂料在不同氣候環(huán)境條件下的老化數(shù)據(jù)積累與失效行為規(guī)律的研究^[4]。符合我國實(shí)際環(huán)境的耐老化性能標(biāo)準(zhǔn)體系沒有建立，涂料企業(yè)多是直接引用國外標(biāo)準(zhǔn)，而國外標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的性能指標(biāo)并不一定適用于國內(nèi)氣候環(huán)境。我國地域遼闊，橫跨多個氣候分區(qū)，不同氣候環(huán)境下戶外涂料的老化程度和失效行為也不一樣，只使用一個標(biāo)準(zhǔn)而不考慮各地氣候環(huán)境的差異性往往使檢測結(jié)果存在偏差，這也會導(dǎo)致在北方地區(qū)使用良好的戶外涂料，而在南方地區(qū)濕熱氣候環(huán)境下出現(xiàn)“水土不服”現(xiàn)象而達(dá)不到預(yù)期效果^[5]。而國內(nèi)還未針對性開展相關(guān)研究，體現(xiàn)我國不同地域氣候特征的戶外涂料產(chǎn)品老化標(biāo)準(zhǔn)還很缺乏，現(xiàn)存相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)水平明顯落后。

自然氣候暴曬作為研究戶外耐候性材料的老化失效行為最可靠的試驗(yàn)方法，一直沿用至今。開展自然氣候暴曬老化試驗(yàn)首先要選擇合適的自然氣候試驗(yàn)場。國外在20世紀(jì)20年代已經(jīng)開始建立了自然氣候試驗(yàn)場，到目前為止全世界約有四百多個自然氣候試驗(yàn)場，其中基于亞熱帶氣候特征而建的美國佛羅里達(dá)自然氣候試驗(yàn)場作為高分子材料自然老化試驗(yàn)的基準(zhǔn)試驗(yàn)場，為全世界的高分子材料制品提供自然氣候暴曬試驗(yàn)和老化檢測技術(shù)服務(wù)^[6]。國內(nèi)從上世紀(jì)50年代開始戶外材料自然氣候老化試驗(yàn)的研究工作。我國幅員遼，橫跨多個氣候帶，為了系統(tǒng)收集戶外材料用品在不同氣候環(huán)境下的老化數(shù)據(jù)和研究各種材料的環(huán)境適應(yīng)性規(guī)律，我國從80年代起就逐步組建了材料環(huán)境適應(yīng)性老化試驗(yàn)網(wǎng)，并在全國各地各個典型氣候區(qū)建立了具有不同氣候特征的自然氣候試驗(yàn)場。目前，國內(nèi)自然氣候試驗(yàn)場主要的研究領(lǐng)域是大型機(jī)電類產(chǎn)品，而針對戶外涂料的自然氣候暴曬試驗(yàn)研究較少。國內(nèi)外典型自然氣候試驗(yàn)場對比情況見表 1^[7]。

3. 我國戶外涂料耐候性地區(qū)氣候差異的研究現(xiàn)狀

我國針對戶外涂料的耐候性問題制定了相應(yīng)產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行約束和規(guī)范，如國際標(biāo)準(zhǔn)GB/T 9755-2014規(guī)定了合成樹脂乳液外墻涂料耐候性指標(biāo)，要求優(yōu)等品需滿足氙燈光源下人工氣候老化600小時后涂層變色等級不高于2級；行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)HG/T 3656-1999規(guī)定鋼結(jié)構(gòu)橋梁漆長效型面漆老化指標(biāo)為氙燈老化800h不起泡、不開裂^[8]。我國現(xiàn)行涂料標(biāo)準(zhǔn)中的耐候性指標(biāo)都是基于我國四季分明的溫帶大陸性季風(fēng)氣候條件制定的，而廣東地區(qū)常年高溫潮濕多雨，屬于典型的亞熱帶季風(fēng)氣候，在這種條件下繼續(xù)采用現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的耐候性評價指標(biāo)顯然存在缺陷。戶外涂料耐候性評價指標(biāo)的設(shè)定未充分考慮廣東省高溫、高濕、多雨的地區(qū)氣候差異的影響，在評價廣東省戶外涂料抗老化能力方面存在一定局限性。目前尚沒有具體針對廣東地區(qū)氣候特點(diǎn)的戶外涂料的規(guī)范或標(biāo)準(zhǔn)^[9]。與此同時，國內(nèi)現(xiàn)有涂料自然暴曬與人工加速老化試驗(yàn)相關(guān)性研究和壽命評估模型多是基于大陸性氣候條件下建立，而在廣東典型的亞熱帶氣候條件下這些研究成果并不一定適用。因此，開展基于廣東省氣候環(huán)境評價戶外涂料老化性能的研究，進(jìn)而制定適合于廣東地區(qū)的戶外涂料耐候性評價指標(biāo)，確保戶外涂料在濕熱氣候環(huán)境下也能持久安全使用是迫切需要解決的問題。

廣東省屬于典型的沿海多雨地區(qū)，具有夏季氣溫高，雨量充沛，偶爾有臺風(fēng)等極端天氣的氣候特點(diǎn)。高熱潮濕的氣候環(huán)境更加速了高分子材料制品的老化速度，尤其戶外涂料更易受到濕熱多雨氣候環(huán)境的影響而存在嚴(yán)重的老化問題。到目前為止，我國戶外涂料耐候性指標(biāo)及服役壽命預(yù)測大都是基于大陸氣候特征，而針對廣東地區(qū)氣候特征的戶外涂料老化性能的研究甚少，幾乎未見到戶外涂料在濕熱環(huán)境下的使用壽命評估方面的研究。所以探討廣東地區(qū)自然氣候環(huán)境下戶外涂料老化失效行為，建立戶外涂料在濕熱環(huán)境下的服役壽命評估方法，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品質(zhì)量的控制刻不容緩^[10]。因此，開展基于廣東地區(qū)氣候環(huán)境下戶外涂料老化性能和失效行為的研究，進(jìn)而制定適合于廣東地區(qū)的戶外涂料老化性能評價指標(biāo)，確保戶外涂料在濕熱環(huán)境下也能持久安全使用具有重大的研究意義和應(yīng)用前景。

4. 戶外涂料抗老化技術(shù)研究的發(fā)展趨勢

隨著國內(nèi)外市場對涂料需求量的增加，為了加快新技術(shù)和新產(chǎn)品的開發(fā)，人們趨于采用人工加速老化試驗(yàn)方法研究涂料的老化性能，在室內(nèi)模擬涂料在自然氣候環(huán)境下的狀態(tài)，以快速獲取老化結(jié)果。人工加速老化試驗(yàn)按光源主要可分為紫外熒光燈、氙燈和碳弧燈。歐美主要采用紫外熒光燈和氙燈這兩種光源進(jìn)行人工加速老化試驗(yàn)，其中應(yīng)用最為廣泛的是美國ATLAS公司生產(chǎn)的模擬太陽全光譜的氙燈老化光源和美國Q-Panel公司生產(chǎn)的模擬戶外材料主要破壞光譜的熒光紫外老化光源^[11]。碳弧燈作為人工老化試驗(yàn)光源應(yīng)用較少，主要是日本的企業(yè)和標(biāo)準(zhǔn)在使用。目前世界各國對戶外涂料老化性能的標(biāo)準(zhǔn)評價方法也有所不同，例如美國是以自然氣候暴曬試驗(yàn)作為涂料老化性能的主要評判方法，德國則采用人工加速老化和自然氣候老化相結(jié)合來評判涂料耐候性，日本在上世紀(jì)五十年代以前是通過人工加速老化方法來評判涂料耐候性，之后則在人工加速老化的基礎(chǔ)上引入了自然氣候暴曬試驗(yàn)的考核，我國到目前為止一直沿用日本上世紀(jì)五十年代以前的老化評價方法^[12]。

雖然人工氣候加速老化試驗(yàn)可以在較短的時間內(nèi)獲得老化試驗(yàn)結(jié)果，但無法真實(shí)模擬實(shí)際的氣候環(huán)境，很難考察戶外涂料的實(shí)際使用效果。自然氣候暴曬試驗(yàn)雖然試驗(yàn)周期長，但能真實(shí)地反映戶外涂料的使用環(huán)境，因此將自然氣候暴曬試驗(yàn)和人工加速老化試驗(yàn)相結(jié)合來研究戶外涂料的耐候性能是戶外涂料老化性能研究的發(fā)展方向，關(guān)于自然氣候暴曬和人工加速老化試驗(yàn)之間的相關(guān)性探索也是今后戶外涂料耐候性研究趨勢^[13]。隨著檢測手段和分析技術(shù)的進(jìn)步，紅外光譜分析儀（ATR-FTIR）、發(fā)射掃描電子顯微鏡（SEM）等現(xiàn)代測試分析手段應(yīng)用到涂料老化性能的檢測中，從微觀角度研究戶外涂料在老化過程中的微觀形貌和分子結(jié)構(gòu)的變化，探討戶外涂料老化失效機(jī)理^[14]。同時，涂料使用壽命問題也是人們普遍關(guān)心的問題。各國涂料專家和學(xué)者都在致力于準(zhǔn)確有效的預(yù)測涂料服役壽命的研究，在涂料自然氣候暴曬和人工加速老化試驗(yàn)相關(guān)性研究的基礎(chǔ)上，建立數(shù)學(xué)模型推斷和預(yù)估涂料使用壽命，并通過長期自然暴曬的試驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集和分析進(jìn)一步驗(yàn)證涂料產(chǎn)品壽命理論的推算結(jié)果^[15]。隨著各國標(biāo)準(zhǔn)化體系建設(shè)的日益完善，研究不同地區(qū)氣候特征對涂料老化失效行為和耐久性差異性問題，也成為目前戶外涂料抗老化技術(shù)研究的發(fā)展趨勢。

5.展望

鑒于當(dāng)前涂料老化研究領(lǐng)域的發(fā)展趨勢，可以采用宏觀檢測和微觀分析相結(jié)合的方法，通過人工加速老化試驗(yàn)?zāi)M廣東地區(qū)自然氣候環(huán)境，構(gòu)建快速推算涂料服役壽命評估推算新方法及產(chǎn)品質(zhì)量控制新技術(shù)，制定適用于不同氣候特征環(huán)境下的戶外涂料耐候性評價指標(biāo)，進(jìn)而上升為技術(shù)規(guī)范和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，健全和完善工業(yè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系，并搭建涂料產(chǎn)品老化技術(shù)服務(wù)平臺，為企業(yè)提供技術(shù)服務(wù)，規(guī)范和指導(dǎo)戶外涂料產(chǎn)業(yè)發(fā)展，使涂料生產(chǎn)技術(shù)更好與國際接軌，更好地適應(yīng)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，促進(jìn)各省乃至全國涂料工業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

送檢咨詢電話：020-32377636  楊工

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作者簡介：彭軍，1983年8月，男，博士，工程師，主要研究方向?yàn)楦叻肿硬牧系暮铣晒に?、性能檢測和老化壽命評估的研究。

[通訊地址]  廣東省廣州市天河區(qū)車陂西路396號（510665）