一种模拟自然环境的人工加速老化试验方法及其应用与流程

1.本发明属于加速老化试验技术领域，具体涉及一种模拟自然环境的人工加速老化试验方法及其应用。


背景技术：

2.随着我国基础设施建设、房地产行业和交通运输业的发展都呈现上升趋势，应用于建筑外墙、汽车车身、桥梁船舶等的户外耐候性涂料成为发展最为迅速的涂料品种之一。众所周知，户外涂料在实际使用中直接暴晒在大气环境，尤其是在高温潮湿的环境，易受到太阳辐射、温湿度等气候因素的影响，涂层不可避免地会出现不同程度的老化现象。涂层的老化不仅导致户外涂料装饰效果及防护功能丧失，而且降低涂料使用寿命，增加了使用成本，造成了资源的浪费，也会对环境造成污染。
3.我国针对户外涂料的耐候性问题制定了相应产品标准进行约束和规范，如国际标准gb/t9755-2014规定了合成树脂乳液外墙涂料耐候性指标，要求优等品需满足氙灯光源下人工气候老化600小时后涂层变色等级不高于2级；行业标准hg/t 3656-1999规定钢结构桥梁漆长效型面漆老化指标为氙灯老化800h不起泡、不开裂。我国现行涂料标准中的耐候性指标都是基于我国四季分明的温带大陆性季风气候条件制定的，而广东地区常年高温潮湿多雨，属于典型的亚热带季风气候，在这种条件下继续采用现行标准规定的耐候性评价指标显然存在缺陷。现有的专利或标准还没有针对湿热地区气候环境条件的涂料老化性能的评价和检测，也很难预测户外涂料及产品在不同气候环境下的服役寿命差异。
4.因此，针对我国不同地区典型气候环境条件，设计模拟户外涂料在自然环境下的人工加速老化试验方法，可以使户外涂料在加速老化试验过程最大程度的接近特定气候环境，对研究湿热气候环境中涂层的涂层耐候性和老化失效行为，准确预测涂料的使用寿命，分析自然气候暴露试验和人工加速老化试验的相关性，构建户外涂料寿命评估方法和环境适应性评价方法具有着重要的作用。


技术实现要素：

5.本发明第一方面的目的，在于提供一种模拟自然环境的人工加速老化试验方法。
6.本发明第二方面的目的，在于提供本发明第一方面的人工加速老化试验方法在产品寿命评估中的应用。
7.本发明第三方面的目的，在于提供一种产品寿命评估方法。
8.为了实现上述目的，本发明所采取的技术方案是：
9.本发明的第一个方面，提供一种模拟自然环境的人工加速老化试验方法，包括如下步骤：
10.(1)监测待模拟地区的气象数据，所述气象数据包括太阳总辐照量、平均气温、平均地面温度、平均相对湿度、降水量和日照时数；
11.(2)根据步骤(1)的气象数据确定人工加速老化试验参数，所述人工加速老化试验
参数包括辐照强度、滤光镜组合、黑板温度、箱体温度、相对湿度和光照雨淋周期；
12.(3)计算人工老化加速试验的时间，将产品置于步骤(2)确定的人工加速老化试验参数下进行人工加速老化试验。
13.优选地，步骤(1)中所述监测的时间≥1年；进一步为≥2年。
14.优选地，步骤(1)中所述待模拟地区为广东地区。
15.优选地，步骤(1)中所述平均气温为年平均气温。
16.优选地，步骤(1)中所述平均地面温度为年平均地面温度。
17.优选地，步骤(1)中所述平均相对湿度为年平均相对湿度。
18.优选地，步骤(2)中所述辐照强度不高于待模拟地区的大气太阳辐照强度的最高值。
19.优选地，步骤(2)中所述黑板温度与待模拟地区的平均地面温度的差值为-10℃～10℃。
20.优选地，步骤(2)中所述箱体温度与待模拟地区的平均气温的差值为-10℃～10℃。
21.优选地，步骤(2)中所述相对湿度与待模拟地区的平均相对湿度的差值为-20％～20％。
22.优选地，步骤(2)中所述光照雨淋周期依据待模拟地区的气候选择：当待模拟地区的气候环境类型属于湿热环境时，选择光照和喷水的组合，所述湿热环境依据gbt 4797.1-2005中的湿热环境条件进行判断；当待模拟地区的气候环境类型属于干热环境时，仅选择光照。
23.优选地，所述光照和喷水的时间依据待模拟地区的降水量和日照时数确定。
24.优选地，步骤(2)中所述滤光镜组合为borosilicate(硅硼玻璃)/borosilicate(硅硼玻璃)。
25.优选地，步骤(3)中所述人工加速老化试验的时间的计算公式如公式1所示：
[0026][0027]
公式1中，ti为人工加速老化试验的时间，单位为小时(h)；hg为步骤(1)中的太阳辐照总量，单位为焦每平方米(j/m2)；r为温度修正系数，所述r为60％～70％；60％为波长范围在300～800nm的辐照量占总辐照量的百分数，产品正因为吸收此范围的光照而引起老化降解；ei为光谱波长范围在300～800nm的辐照强度，单位为瓦每平方米(w/m2)；3600秒＝1小时。
[0028]
优选地，步骤(3)中所述产品为高分子材料；进一步为涂料。
[0029]
本发明的第二个方面，提供本发明第一方面的人工加速老化试验方法在产品寿命评估中的应用。
[0030]
本发明的第三个方面，提供一种产品寿命评估方法，包括本发明的第一方面的人工加速老化试验方法的步骤。
[0031]
优选地，所述产品寿命评估方法还包括如下步骤：
[0032]
(4)在监测待模拟地区的气象数据的同时，对产品进行户外自然气候暴露试验，并且设置对照组，所述对照组的处理为：将产品保存于室内通风、干燥、不受光照的条件下；
[0033]
(5)计算不同处理下产品老化前后的关键性能指标的差值，然后计算自然气候暴露与人工加速老化的相关系数；
[0034]
(6)步骤(3)中的产品按已设定的人工加速老化试验参数继续进行人工加速老化试验，直至产品的关键性能指标完全失效时停止试验，根据产品失效时的人工加速老化时间以及自然气候暴露与人工加速老化的相关系数计算产品失效时的自然气候暴露年数，即产品的寿命。
[0035]
优选地，步骤(5)中所述产品老化前后的关键性能指标的差值为人工加速老化/自然气候暴露后产品的关键性能指标与对照组的产品的关键性能指标的差值的绝对值。
[0036]
优选地，所述关键性能指标包括色差、色泽、粉化、开裂和脱落。
[0037]
优选地，步骤(5)中所述相关系数的计算公式如公式2所示：
[0038][0039]
公式2中，rs为相关系数；n为人工加速老化试验(x)和自然气候暴露试验(y)这两个因素各自的元素个数，即试验的产品重复数；di为两个因素(x、y)中每一个产品老化前后的关键性能指标的差值按升幂排序后xi、yi的排位数之间的差值。
[0040]
优选地，步骤(6)中所述关键性能指标包括色差、色泽、粉化、开裂和脱落。
[0041]
优选地，步骤(6)中所述失效为所述关键性能指标为四级以及四级以上。
[0042]
优选地，所述涂层失效根据《gb-t 1766-2008色漆和清漆涂层老化的评级方法》判定。
[0043]
优选地，步骤(6)中所述产品的寿命的计算公式如公式3所示：
[0044][0045]
公式3中，nf为产品失效时对应的自然气候暴露年数，即涂料使用寿命，单位为年(a)；t为产品失效时对应的人工加速老化试验所需时间，单位为小时(h)；hg为自然气候暴露试验中的年平均太阳辐照总量，单位为焦每平方米(j/m2)；r为温度修正系数，所述r为60％～70％；60％为波长范围在300～800nm的辐照量占总辐照量的百分数，样品正因为吸收此范围的光照而引起老化降解；ei为光谱波长范围在300～800nm的辐照度，单位为瓦每平方米(w/m2)；3600秒＝1小时。
[0046]
本发明的有益效果是：
[0047]
本发明提供了一种模拟户外环境的人工加速老化试验方法，该方法操作简单，可以在实验室内有效模拟户外自然气候环境，更加快速有效地检测产品的老化性能，而且，人工加速老化后产品的红外光谱吸收峰位置与对应的自然气候暴露后产品的红外光谱吸收峰位置基本相同，各吸收峰的吸收强度相近，即自然气候暴露与人工加速老化过程中产品的涂层降解机制相似，分子链降解程度接近，本发明提供的方法可以很好地模拟户外环境。
[0048]
本发明提供了一种评估产品寿命的方法，该方法操作简易，试验周期短，寿命预算可靠性高，评价结果准确、可靠，与自然气候暴露老化试验相比试验周期大幅度缩短，便于标准化。
附图说明
[0049]
图1是涂料经过自然气候暴露或人工加速老化试验后的红外光谱图。
具体实施方式
[0050]
以下通过具体的实施例对本发明的内容作进一步详细的说明。
[0051]
应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。
[0052]
本实施例中的样品为建筑外墙涂料，具体为高耐候性外墙乳胶漆(un-3500，购于合众(佛山)化工有限公司)，涂层颜色为白色，这种外墙乳胶漆的基料树脂为丙烯酸类树脂，乳胶漆涂覆在尺寸分别为70mm
×
150mm
×
2mm和250mm
×
150mm
×
2mm的水泥板上。制备250mm
×
150mm
×
2mm的涂层样板用于自然气候暴露试验，150mm
×
70mm
×
2mm的涂层样本用于人工加速老化试验，两种老化试验的试验样板为同一批次的产品。同一组样品各制备8块样板，7块投入试验(样品1#、样品2#、样品3#、样品4#、样品5#、样品6#和样品7#)，1块作为标准板室内放置。
[0053]
下列实施例中未注明具体条件的实验方法，通常按照常规条件，或按照制造厂商所建议的条件。本实施例中所使用的材料、试剂等，如无特别说明，为从商业途径得到的试剂和材料。
[0054]
实施例1模拟我国广东地区典型湿热气候环境的涂料人工加速老化试验方法及涂料寿命评估方法
[0055]
模拟我国广东地区典型湿热气候环境的涂料人工加速老化试验方法及涂料寿命评估方法，以建筑外墙涂料为样品，以色差为关键性能指标，具体包括如下步骤：
[0056]
(1)监测广东地区湿热气候环境：对广东省汕尾市陆河县(北纬23
°
68”，东经115
°
24’，典型南方湿热气候区域)的气候环境进行统计分析，得到该地区影响户外涂料老化的主要气象数据，包括太阳总辐照量、平均气温、平均地面温度、平均相对湿度、降水量、日照时数，监测时间为两年，气象数据如表1所示：广东陆河地区气温高、湿度高、雨量大、日温差小，属于我国典型的湿热气候环境。
[0057]
表1 2019年和2020年广东陆河地区气象数据
[0058][0059]
(2)根据广东陆河的气象数据，选择人工加速老化试验设备(包括老化光源)，设计人工加速老化试验参数，包括辐照强度、滤光镜组合、黑板温度、箱体温度、相对湿度、光照雨淋周期：选择对太阳光模拟性最好的氙弧灯光源，采用美国atlas公司的ci5000氙灯人工耐候试验机进行氙灯老化试验，试验条件为：辐照强度(340nm)：0.51w/m2，其在300～800nm的辐照强度为550w/m2；滤光镜组合为硅硼玻璃/硅硼玻璃(boro/boro)；箱体温度为(25
±
5)℃；相对湿度：(65～75)％；黑板温度：(65
±
5)℃；降雨周期：18min/102min(喷水时间/不喷水时间)。
[0060]
(3)根据样品在户外自然气候暴露试验中的太阳辐照总量(表1中的总辐照量)与步骤(2)中设定的人工加速老化试验中的辐照度，计算人工加速老化试验的时间，计算公式
如公
[0061]
式1所示：
[0062][0063]
公式1中，ti为人工加速老化试验的时间，单位为小时(h)；hg为自然气候暴露试验中的太阳辐照总量，单位为焦每平方米(j/m2)；r为温度修正系数；60％为波长范围在300～800nm的辐照量占总辐照量的百分数，样品正因为吸收此范围的光照而引起老化降解；ei为氙灯老化试验箱使用boro/boro滤镜组合时，其发射的光谱波长范围在300～800nm的辐照度，单位为瓦每平方米(w/m2)；3600秒＝1小时。
[0064]
监测两年的太阳辐照总量hg＝(4572 4781)
×
106j/m2；温度修正系数r＝67％；氙灯光照辐射强度ei＝550w/m2；计算得到ti＝1898h；即得到实验室人工加速老化1898h小时相当于湿热气候环境中的自然暴露两年。
[0065]
(4)将样品置于步骤(2)中人工加速老化试验的条件下进行人工加速老化试验(参照gb/t 1865-1997《色漆和清漆人工气候老化和人工辐射暴露(滤过的氙弧辐射)》)，人工加速老化时间为步骤(3)计算得到的人工老化时间：将样品用夹具固定后挂在旋转的试样架上对光照射，每800h取样观察1次，以样品老化的色差为关键性能指标，监测试验过程是否正常；采用cr10色差计测量涂层老化过程中色差变化，并通过同标准板(标准板的处理：将样品保存于室内通风、干燥、不受光照)的比对，计算出老化前后涂层的色差变化
△
e*。
[0066]
(5)在监测气象数据的同时，对样品进行户外自然气候暴露试验(参照gb/t 9276-1996《涂层自然气候曝露试验方法》)，将样品置于广东省汕尾市陆河自然暴露试验场，进行自然45
°
的角度暴露，3个月为一个检查周期，每个检查周期各取三件试样进行分析测试，监测试验过程是否正常；以样品老化的色差为关键性能指标，采用cr10色差计测量涂层老化过程中色差变化，并通过同标准板(标准板的处理：将样品保存于室内通风、干燥、不受光照)的比对，计算出老化前后涂层的色差变化
△
e*。
[0067]
(6)通过自然气候暴露试验和人工加速老化试验的试验数据分析相关性，计算自然气候暴露和人工加速老化试验的相关系数，计算公式如公式2所示：
[0068][0069]
公式2中，rs为相关系数；n为人工加速老化试验(x)和自然气候暴露试验(y)这两个因素各自的元素个数，即试验的样品重复数；di为两个因素(x、y)中每一个样品按升幂排序后xi、yi的排位数之间的差值；rs的绝对值越接近1，人工加速老化和自然气候暴露的相关性越强。进行1898h后的人工加速老化试验和两年后的自然气候暴露试验后，高耐候性外墙乳胶漆的色差变化
△
e*的数据结果和排序如表2所示。
[0070]
表2人工加速老化试验和自然气候暴露试验后的色差变化
△
e*排序表
[0071][0072][0073]
依据公式rs＝1-6
×
[(5-5)2 (6-6)2 (4-5)2 (3-2)2 (5-4)2 (2-3)2 (2-3)2]/7
×
(7
2-1)＝0.96，得出自然气候暴露和人工加速老化试验的相关系数rs为0.96，表明人工加速老化与自然气候暴露的结果相关性比较好，即实验室内人工加速老化大约950小时相当于自然气候暴露一年。
[0074]
(7)步骤(4)中的样品按已设定的老化条件继续进行人工加速老化试验，直至样品的涂层完全失效时停止试验，根据样品的涂层失效时人工加速老化时间推算自然气候暴露时间，即得到涂料使用寿命。涂层失效是根据《gb-t 1766-2008色漆和清漆涂层老化的评级方法》判定。高耐候性外墙乳胶漆作为建筑外墙涂料，以装饰性功能为主，因此采用色差变化作为判定其装饰性功能的失效行为，失光等级指标达到四级以上时，则判定涂层失效。当进行了9800小时的人工加速老化试验后，涂层的色差
△
e*达到了10.4，失光等级为四级，即可判定涂层失效。按照公式3反推出涂层失效时对应的自然气候暴露年数，即涂料使用寿命nf。
[0075][0076]
公式3中，nf为涂层失效时对应的自然气候暴露年数，即涂料使用寿命，单位为年(a)；t为涂层失效时对应的人工加速老化试验所需时间，单位为小时(h)；hg为自然气候暴露试验中的年平均太阳辐照总量，单位为焦每平方米(j/m2)；r为温度修正系数；60％为波长范围在300～800nm的辐照量占总辐照量的百分数，样品正因为吸收此范围的光照而引起老化降解；ei为氙灯老化试验箱使用boro/boro滤镜组合时，其发射的光谱波长范围在300～800nm的辐照度，单位为瓦每平方米(w/m2)；3600秒＝1小时。
[0077]
通过公式3计算涂层失效时对应的自然气候暴露年数，nf＝9800
×
550
×
3600/4676
×
106×
67％
×
60％＝10.3年，即得到高耐候性外墙乳胶漆的使用寿命为10.3年。
[0078]
实施例2人工加速老化试验与自然气候暴露试验中涂层老化分析
[0079]
分别取步骤(4)中经人工加速老化1898h以及步骤(5)中经自然气候暴露两年的样
品的涂层进行红外光谱分析，结果如图1所示：自然气候暴露两年与人工加速老化1898h后样品的涂层的红外光谱吸收峰位置基本相同，各吸收峰的吸收强度相近。可见，自然气候暴露与人工加速老化过程中样品的涂层降解机制相似，自然气候暴露两年与人工加速老化1898h后涂层分子链降解程度接近，自然气候暴露两年与人工加速老化1898h后样品的涂层老化情况相当。
[0080]
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。