涂料耐候性的试验方法探讨

户外耐候性是涂料，特别是外用涂料最重要的性能指标之一，是指涂层户外曝晒时能够抵挡外界环境各种变化的性能，如涂层的失光、变色、粉化、附着力、强度的损失，以及腐蚀。

户外所用的机械产品，如汽车、飞机、火车、桥梁以及近期开发的风电能源设备等都对所用涂料的保护性，特别是户外耐候性提出了越来越高的要求。如何评价涂料（涂层）的耐候性一直是涂料行业长期研究的课题，引起涂层破坏的过程主要是在阳光、水、空气的环境中光引发的氧化降解和水的降解作用。

高湿度的环境会促进光的氧化降解，也会促进水的降解作用；在高温下，光的氧化降解和水的降解作用这两个过程都会得到增强；在酸性环境下，酸雨会促进水的降解作用。在大气中，还有氮和碳化物以及臭氧都会引起涂层中聚合物的降解，大气温度及湿度的变化会使涂层或者底材产生膨胀和收缩，从而引起涂层开裂。这些过程变化的速度快慢取决于涂料组成、底材的处理和所处地区，以及季节变化等。

1 涂料耐候性的评价测试方法

涂料耐候性的评价测试方法分为户外曝晒试验及实验室人工气候加速老化试验两种方法。

1.1 户外天然曝晒试验

户外曝晒试验是一种相对比较可靠的方法，但所需时间较长（一般经2~3 a 曝晒）。为了缩短曝晒时间，一般选择地处高温高湿、高日照量的亚热带气候环境，例如美国的南佛罗里达州，我国的海南就是理想的涂料曝晒场地。一般户外曝晒试验所需时间较长，不适用于预测实际使用性能或作为研究项目的选择。

1.2 人工气候加速老化试验方法

我国的人工气候加速老化试验方法由机械电子工业部提出，国家技术监督局于1993 年6 月10 日起批准为国家标准GB/T 14522—1993，主要针对机械工业产品用塑料、涂料、橡胶材料。人工气候加速老化试验方法标准的实施对涂料品种的评价、选择以及生产提供了一定的依据。但是由于该试验方法采用人造光源，不论是采用标准的紫外线- 冷凝试验，还是人工气候试验，其试验结果与户外曝晒试验结果仍有一定差距，基至有些情况会得到相反的结果。过分依赖人工气候加速老化试验结果有时会误导好的涂料品种的选择，甚至造成不必要的经济损失。有的涂料产品人工气候加速老化试验结果比较理想，但实际使用时，短期内涂层就开始被破坏。

2 人工气候加速老化试验存在的问题

有许多仪器用作涂层的人工气候加速老化试验，是将样板置于不同波长分布的紫外线光源下进行试验，且经受水喷雾（或高湿度）的循环试验。虽然目前它是被广泛应用的一种测试方法，但其结果往往与户外曝晒试验结果有较大出入，甚至会有相反的结果。

典型的例子：如为了进一步提高涂料的耐久性，加入位阻胺光稳定剂（HALS），通过人工气候加速老化试验对其进行评判，因结果不理想，几乎要放弃该涂料的应用，但其户外曝晒试验结果好而受到了研究者的重视，因而使其继续完善和发展。

另一个典型例子是聚酯聚氨酯涂料采用人工气候加速试验进行评估，结论是没有一种常用仪器是适用的，是由于所有人造光源都会造成聚酯聚氨酯涂料中的邻或间苯二甲酸酯基团的损失，而这种现象在户外曝晒试验（如美国佛罗里达州向南45°）未曾发现。一般认为在人工气候加速老化试验中带有邻苯二甲酸酯基团的聚酯聚氨酯涂料的耐候性比丙烯酸聚氨酯涂料差。人工气候加速老化试验造成邻或间苯二甲酸酯基团的损失是由于来自于人造光源的短波光线（<290nm）强烈的、非自然的辐射过量所致。

笔者曾花数年时间对国内外用于汽车及要求较高的工业产品用聚酯聚氨酯涂料和丙烯酸聚氨酯涂料进行了人工气候加速老化试验及户外曝晒试验（西安地区）比较，其结果也充分证实了上述观点。某些聚酯聚氨酯涂料只能通过约300 h 人工气候加速试验，如涂料中加入紫外线吸收剂则更差；丙烯酸聚氨酯涂料一般可通过600~1 000 h 或更长时间人工气候加速老化试验，而同样的涂料品种在户外曝晒达1~3 a 后发现，多数涂料产品的试验结果与人工气候加速试验基本上是相反的（见表1）。

几种聚酯聚氨酯涂料和丙烯酸聚氨酯涂料户外曝晒试验结果

注：（1）涂料样品：B-015 为进口羟基丙烯酸树脂，NV（不挥发物含量）为70%，羟值约为150 ；B-2960 为国产羟基丙烯酸树脂，NV 为60%，羟值为100 ；C-015 为国产羟基聚酯树脂，NV 为70%，羟值为150 ；C-028 为国产羟基聚酯树脂，NV 为60%，羟值约为100。（2）曝晒地点：西安市西郊工业园区厂房顶朝南45°。（3）制板：铁红聚氨酯底漆，白色聚酯聚氨酯涂料或丙烯酸聚氨酯涂料罩面。

3 值得讨论的问题

如上所述，人工气候加速老化试验结果，不能简单直接地推断出涂料的实际使用寿命。虽然人工加速老化仪在不断地完善，使它的试验结果尽量接近于日光中的紫外线辐射，但开发出一种十分完善的人工加速老化仪是比较困难的，或者说目前是不太可能的。这是因为户外环境对曝晒样板的作用变化无穷，而任何一种人工加速老化试验，在试验期间，稳定剂因挥发的损失是微不足道的，但对长期实际使用的涂料来说，却是至关重要的。所以过分依赖人工加速老化试验结果，会误导对涂料真实性能的判断，有时会得出相反的结果。

聚酯聚氨酯涂料和丙烯酸聚氨酯涂料在应用上一直是有争议的涂料。我国应用较多的是丙烯酸聚氨酯涂料，聚酯聚氨酯涂料虽然具有良好的光泽、丰满度、鲜映性和耐候性，但由于人工加速老化仪的误判，它在国内仍然得不到应有的重视。近期国内外正开发聚酯改性羟基丙烯酸树脂或是在一种涂料中同时使用聚酯及丙烯酸树脂，以便在性能上互补。