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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

（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行了概述，介紹了國內外戶外涂料老化試驗方法研究概況，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行了展望。

關鍵詞：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)濟的騰飛，基礎設施建設、房地產(chǎn)行業(yè)和交通運輸業(yè)的發(fā)展都呈現(xiàn)上升趨勢，應用于建筑外墻、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。涂層的老化不僅導致戶外涂料裝飾效果及防護功能喪失，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，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一步發(fā)展和應用的關鍵性問題之一^[1]。近些年來隨著珠三角經(jīng)濟的起飛，尤其是建筑房地產(chǎn)行業(yè)和交通運輸業(yè)的突飛猛進，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，廣東省涂料年消費量一直以來也穩(wěn)居全國第一。在當今提倡環(huán)境友好、節(jié)能減排、低碳經(jīng)濟的大環(huán)境下，人們對涂料的品質提出了更高的要求，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，同時也是涂料消費大省，隨著未來廣東省經(jīng)濟的加快發(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. 國內外戶外涂料老化試驗方法研究概況

歐美等發(fā)達國家早上世紀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備研制的專業(yè)機構。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準體系，如國際標準化組織（ISO）和美國材料與試驗協(xié)會（ASTM）分別制定了行業(yè)標準，而企業(yè)為了對產(chǎn)品的耐候性品質進行控制，也制定了各自的企業(yè)標準^[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)強國的轉變。

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)境差異化的技術要求，導致國內涂料的耐候性研究方面還存在明顯不足。國內涂料老化基礎數(shù)據(jù)積累不完善，基礎研究落后，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]。符合我國實際環(huán)境的耐老化性能標準體系沒有建立，涂料企業(yè)多是直接引用國外標準，而國外標準所規(guī)定的性能指標并不一定適用于國內氣候環(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，只使用一個標準而不考慮各地氣候環(huán)境的差異性往往使檢測結果存在偏差，這也會導致在北方地區(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)象而達不到預期效果^[5]。而國內還未針對性開展相關研究，體現(xiàn)我國不同地域氣候特征的戶外涂料產(chǎn)品老化標準還很缺乏，現(xiàn)存相關標準的技術水平明顯落后。

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方法，一直沿用至今。開展自然氣候暴曬老化試驗首先要選擇合適的自然氣候試驗場。國外在20世紀20年代已經(jīng)開始建立了自然氣候試驗場，到目前為止全世界約有四百多個自然氣候試驗場，其中基于亞熱帶氣候特征而建的美國佛羅里達自然氣候試驗場作為高分子材料自然老化試驗的基準試驗場，為全世界的高分子材料制品提供自然氣候暴曬試驗和老化檢測技術服務^[6]。國內從上世紀50年代開始戶外材料自然氣候老化試驗的研究工作。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)境適應性規(guī)律，我國從80年代起就逐步組建了材料環(huán)境適應性老化試驗網(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場。目前，國內自然氣候試驗場主要的研究領域是大型機電類產(chǎn)品，而針對戶外涂料的自然氣候暴曬試驗研究較少。國內外典型自然氣候試驗場對比情況見表 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產(chǎn)品標準進行約束和規(guī)范，如國際標準GB/T 9755-2014規(guī)定了合成樹脂乳液外墻涂料耐候性指標，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)標準HG/T 3656-1999規(guī)定鋼結構橋梁漆長效型面漆老化指標為氙燈老化800h不起泡、不開裂^[8]。我國現(xiàn)行涂料標準中的耐候性指標都是基于我國四季分明的溫帶大陸性季風氣候條件制定的，而廣東地區(qū)常年高溫潮濕多雨，屬于典型的亞熱帶季風氣候，在這種條件下繼續(xù)采用現(xiàn)行標準規(guī)定的耐候性評價指標顯然存在缺陷。戶外涂料耐候性評價指標的設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)氣候特點的戶外涂料的規(guī)范或標準^[9]。與此同時，國內現(xiàn)有涂料自然暴曬與人工加速老化試驗相關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，進而制定適合于廣東地區(qū)的戶外涂料耐候性評價指標，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，偶爾有臺風等極端天氣的氣候特點。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)境的影響而存在嚴重的老化問題。到目前為止，我國戶外涂料耐候性指標及服役壽命預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，進而實現(xiàn)產(chǎn)品質量的控制刻不容緩^[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，進而制定適合于廣東地區(qū)的戶外涂料老化性能評價指標，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用前景。

4. 戶外涂料抗老化技術研究的發(fā)展趨勢

隨著國內外市場對涂料需求量的增加，為了加快新技術和新產(chǎn)品的開發(fā)，人們趨于采用人工加速老化試驗方法研究涂料的老化性能，在室內模擬涂料在自然氣候環(huán)境下的狀態(tài)，以快速獲取老化結果。人工加速老化試驗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行人工加速老化試驗，其中應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光源應用較少，主要是日本的企業(yè)和標準在使用。目前世界各國對戶外涂料老化性能的標準評價方法也有所不同，例如美國是以自然氣候暴曬試驗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合來評判涂料耐候性，日本在上世紀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上引入了自然氣候暴曬試驗的考核，我國到目前為止一直沿用日本上世紀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可以在較短的時間內獲得老化試驗結果，但無法真實模擬實際的氣候環(huán)境，很難考察戶外涂料的實際使用效果。自然氣候暴曬試驗雖然試驗周期長，但能真實地反映戶外涂料的使用環(huán)境，因此將自然氣候暴曬試驗和人工加速老化試驗相結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，關于自然氣候暴曬和人工加速老化試驗之間的相關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的進步，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構的變化，探討戶外涂料老化失效機理^[14]。同時，涂料使用壽命問題也是人們普遍關心的問題。各國涂料專家和學者都在致力于準確有效的預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相關性研究的基礎上，建立數(shù)學模型推斷和預估涂料使用壽命，并通過長期自然暴曬的試驗數(shù)據(jù)的采集和分析進一步驗證涂料產(chǎn)品壽命理論的推算結果^[15]。隨著各國標準化體系建設的日益完善，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研究的發(fā)展趨勢。

5.展望

鑒于當前涂料老化研究領域的發(fā)展趨勢，可以采用宏觀檢測和微觀分析相結合的方法，通過人工加速老化試驗模擬廣東地區(qū)自然氣候環(huán)境，構建快速推算涂料服役壽命評估推算新方法及產(chǎn)品質量控制新技術，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，進而上升為技術規(guī)范和行業(yè)標準，健全和完善工業(yè)技術標準體系，并搭建涂料產(chǎn)品老化技術服務平臺，為企業(yè)提供技術服務，規(guī)范和指導戶外涂料產(chǎn)業(yè)發(fā)展，使涂料生產(chǎn)技術更好與國際接軌，更好地適應經(jīng)濟的發(fā)展，促進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，主要研究方向為高分子材料的合成工藝、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）