短波紫外光是暴露在戶外的密封劑大部分損壞的原因。水分也會(huì)造成損害，紫外線和水分之間通常存在協(xié)同效應(yīng)。經(jīng)驗(yàn)表明，單獨(dú)抗紫外線或單獨(dú)抗?jié)駳獾牟牧显谕瑫r(shí)暴露于紫外線和濕氣時(shí)通常會(huì)失效。第三個(gè)考慮因素是溫度。溫度會(huì)加快任何化學(xué)反應(yīng)的速度，雖然大多數(shù)光化學(xué)反應(yīng)對(duì)溫度不敏感，但任何后續(xù)的連鎖反應(yīng)通常都與溫度有關(guān)。因?yàn)閼敉獗┞逗苜M(fèi)時(shí)間，而且每年和每個(gè)地方的天氣都不一樣，所以實(shí)驗(yàn)室加速老化測(cè)試儀被廣泛用于研發(fā)、質(zhì)量控制和材料認(rèn)證。
本研究的目的是確定密封劑的自然老化和加速老化之間是否有任何關(guān)聯(lián)，如果有，哪種加速裝置與自然暴露最相關(guān)。
測(cè)試樣品由ASTM委員會(huì)關(guān)于建筑密封和密封劑的C-24志愿公司準(zhǔn)備和提交。一個(gè)獨(dú)立的實(shí)驗(yàn)室從參與者那里收集樣本，選擇哪些將被暴露，并編碼，然后轉(zhuǎn)發(fā)給他們進(jìn)行暴露。每個(gè)試樣由密封劑制造商根據(jù)ASTM C-793 (I)制備。樣品尺寸為5 x 1.5 x 0.125英寸。所有樣品都粘附在干凈、裸露的3×6英寸鋁基板上。
測(cè)試的密封劑類型包括單組分和雙組分聚氨酯、聚醋酸乙烯酯膠乳、熱塑性橡膠、黑白硅酮、溶劑型丙烯酸和丙烯酸膠乳。密封劑的復(fù)制組暴露于佛羅里達(dá)直接老化和兩個(gè)加速裝置。以下段落總結(jié)了測(cè)試條件。
自然老化
根據(jù)ASTM G-7 (2)進(jìn)行室外試驗(yàn)。樣品暴露在佛羅里達(dá)州的霍姆斯特德。重復(fù)樣品暴露在45°南，開(kāi)放式背面安裝(即非絕緣)，時(shí)間間隔為6、12和18個(gè)月。
QUV老化，UVA-340燈
第二組密封劑按照ASTM G-53 (3)在QUV老化試驗(yàn)機(jī)中暴露。光源是UVA-340燈。測(cè)試循環(huán)包括在65°C(149°F)下暴露于紫外線8小時(shí)，與在50°C(122°F)下冷凝4小時(shí)交替進(jìn)行。樣品暴露時(shí)間分別為250、500、1000和2000小時(shí)。
QUV老化，紫外線B-313燈
第三組也在使用UVB-313燈的QUV測(cè)試儀中曝光。測(cè)試條件與上述相同。
氙弧老化
根據(jù)ASTM G-26 (4)，將最后一組密封劑暴露在Ci 65氙弧中。燃燒器使用硼硅酸鹽內(nèi)部和外部過(guò)濾器，并在0.35 W/m2/nm(340nm)下操作。測(cè)試循環(huán)包括連續(xù)輻照，每2小時(shí)噴水18分鐘。黑色面板溫度為63°C(145°F)。噴水溫度為42攝氏度(108華氏度)。
在每種曝光方法中，紫外線、濕氣和溫度的破壞力是不同的。對(duì)這些差異中的每一個(gè)都進(jìn)行了簡(jiǎn)要的分析，以便對(duì)測(cè)試結(jié)果中的差異有所了解。
光源
因?yàn)樽匀魂?yáng)光中的紫外線被氣團(tuán)、云量、污染等過(guò)濾，自然紫外線照射的量和光譜分布是非?？勺兊?。因?yàn)樵诙?，太?yáng)在天空的位置較低，所以它被更大的氣團(tuán)過(guò)濾掉了。更短、更具破壞性的紫外線波長(zhǎng)在冬天也被過(guò)濾掉了。例如，從夏季到冬季，320 nm的紫外線強(qiáng)度變化約為8比1。因此，在冬季，對(duì)310 nm以下的紫外線敏感的材料即使有降解，也只是輕微降解。
使用比自然陽(yáng)光發(fā)出的紫外線波長(zhǎng)更短(即更強(qiáng))的光源是加速最常用的方法之一。然而，如果測(cè)試材料的光譜靈敏度主要在這些短波長(zhǎng)內(nèi)，結(jié)果可能不自然地嚴(yán)重，特別是與對(duì)短波紫外線不敏感的材料相比。與陽(yáng)光匹配良好的光源，尤其是在短波紫外線區(qū)域，速度較慢，但可能與室外結(jié)果有更好的相關(guān)性。
QUV使用不同類型的燈，不同的光譜，用于不同的曝光應(yīng)用。QUV并不試圖復(fù)制陽(yáng)光本身，只是陽(yáng)光的破壞性影響。這是有效的，因?yàn)槎滩ㄗ贤饩€會(huì)對(duì)暴露在戶外的耐用材料造成幾乎所有的損害。熒光測(cè)試儀將其發(fā)射限制在光譜的紫外線部分。圖1顯示了UVA-340和UVB-313與夏季正午陽(yáng)光的對(duì)比。
UVA-340于1987年引入，以改善QUV和自然老化之間的相關(guān)性。它已經(jīng)在塑料和涂層上進(jìn)行了測(cè)試，在許多情況下，極大地提高了與這些設(shè)備的相關(guān)性。這種燈可以很好地模擬從大約365納米到295納米截止波長(zhǎng)的太陽(yáng)光。
UVB-313是QUV廣泛使用的光源。就材料完整性和物理特性而言，它與戶外暴露具有良好的相關(guān)性。然而，低于太陽(yáng)截止點(diǎn)的短波輸出偶爾會(huì)導(dǎo)致異常結(jié)果，尤其是顏色保留。
氙弧使用濾光器的組合來(lái)減少不需要的輻射。這項(xiàng)研究使用了最常見(jiàn)的組合，硼硅酸鹽內(nèi)部和外部過(guò)濾器。圖2顯示了同樣的夏季陽(yáng)光與帶有boro/boro濾光器的氙弧燈的對(duì)比。
潮濕
另一個(gè)變量是樣品濕潤(rùn)的時(shí)間。圖3總結(jié)了不同之處。顯示的室外數(shù)據(jù)是研究期間測(cè)量的濕度時(shí)間(5)。佛羅里達(dá)的密封劑大約45%的時(shí)間是潮濕的。QUV樣品暴露于大約33%的潮濕時(shí)間。氙弧樣品大約15%的時(shí)間是濕的。
材料在戶外遇到的大部分潮濕是以露水的形式出現(xiàn)的，而不是降雨。表1顯示了佛羅里達(dá)州暴露期間一個(gè)典型月份的每日濕潤(rùn)時(shí)間與降雨量的對(duì)比。
這對(duì)加速模擬具有重要意義。QUV使用相對(duì)較長(zhǎng)(4小時(shí))的冷凝周期來(lái)再現(xiàn)自然產(chǎn)生的水分的影響。氙弧使用短周期(18分鐘)噴水。
溫度
溫度是暴露條件中的第三個(gè)變量。加速試驗(yàn)通常在高于材料正常暴露溫度的溫度下進(jìn)行，但不會(huì)高到導(dǎo)致異常降解。這樣做是因?yàn)檩^高的溫度通常會(huì)加快降解速度。
佛羅里達(dá)樣品安裝在開(kāi)放式支架上(即不隔熱)；記錄的最高表面溫度為48攝氏度(110華氏度)。在大多數(shù)實(shí)際應(yīng)用中，樣品會(huì)被絕緣，導(dǎo)致溫度高達(dá)66°c。加速試驗(yàn)的最高溫度為65°c。因此，加速試驗(yàn)溫度更接近密封劑在正常使用中可能暴露的最高溫度。
當(dāng)表面開(kāi)裂是一個(gè)重要因素時(shí)，熱沖擊是一個(gè)需要考慮的因素。根據(jù)暴露方法的不同，樣品會(huì)經(jīng)歷不同的溫度變化率。佛羅里達(dá)樣品的主要溫度變化在白天和夜晚之間逐漸發(fā)生。QUV樣品的變化率也是非常緩慢的，因?yàn)樵谝粋€(gè)周期變化后，室需要大約一個(gè)小時(shí)達(dá)到平衡。在水分循環(huán)開(kāi)始時(shí)，將氙弧樣品暴露于直接噴水中，產(chǎn)生高速的溫度變化。
評(píng)估暴露的密封劑的視覺(jué)退化(開(kāi)裂、點(diǎn)蝕等)、硬度(硬度計(jì))和柔韌性的變化。
視覺(jué)表面退化。暴露結(jié)果中最顯著的差異之一是微生物的生長(zhǎng)。在佛羅里達(dá)，除了一種密封劑外，所有密封劑都顯示出至少輕微的微生物生長(zhǎng)。幾個(gè)顯示出顯著甚至嚴(yán)重的增長(zhǎng)。由于顯而易見(jiàn)的原因，實(shí)驗(yàn)室樣本沒(méi)有顯示出微生物生長(zhǎng)的跡象。聚醋酸乙烯酯乳膠和溶劑型丙烯酸密封劑上的生長(zhǎng)量非常嚴(yán)重，其在樣品上的存在可能實(shí)際上保護(hù)了密封劑免受進(jìn)一步的紫外線照射(圖4)。
總的來(lái)說(shuō)，QUV比氙弧在再現(xiàn)佛羅里達(dá)州暴露的變化方面做得更好，特別是在裂紋和點(diǎn)蝕方面(圖5)。然而，許多密封劑在實(shí)驗(yàn)室中出現(xiàn)起泡或冒泡，但在佛羅里達(dá)卻沒(méi)有。這可能是由于暴露溫度的差異。除了熱塑性橡膠密封劑，佛羅里達(dá)和所有實(shí)驗(yàn)室測(cè)試人員的顏色變化幾乎相同。相對(duì)于佛羅里達(dá)，加速率取決于實(shí)驗(yàn)室暴露的密封劑類型。UVB-313測(cè)試顯示了最大范圍的加速率。這可能是由于不同密封劑對(duì)UVB-313在295 nm以下的短波紫外線輻射(即日光截止)的敏感度不同。UVA-340和氙弧給出了更一致的加速率結(jié)果。表2給出了每種密封劑類型和每種暴露條件下的視覺(jué)變化描述。
硬度。為了確定加速方法預(yù)測(cè)硬度變化的程度，根據(jù)AASTM D-2240 (6)在每個(gè)暴露時(shí)間間隔對(duì)每種密封劑進(jìn)行肖氏A硬度計(jì)測(cè)量。表3中顯示的數(shù)據(jù)是三個(gè)讀數(shù)的平均值，重復(fù)性為2點(diǎn)。由于起泡，一些樣品的精確測(cè)量是不可能的。在大多數(shù)情況下，發(fā)生在佛羅里達(dá)的變化被加速方法復(fù)制了。ASTM D-2240是一種評(píng)估老化影響的有用方法。
靈活性。根據(jù)ASTM C-793，將暴露樣品的柔韌性與未暴露對(duì)照進(jìn)行比較。這種方法要求將樣品冷凍至-26°C，并繞1/2英寸的心軸彎曲。只有一個(gè)例外，暴露樣品與未暴露對(duì)照的比較顯示沒(méi)有差異。如果暴露的樣品表現(xiàn)出粘附力和/或內(nèi)聚力的損失，那么對(duì)照樣品也是如此。這表明溫度，而不是暴露于老化，是這個(gè)測(cè)試中最重要的因素。我們不建議使用低溫試驗(yàn)來(lái)評(píng)估老化的影響。
使用1/4英寸的心軸在室溫下重復(fù)該試驗(yàn)。所有未暴露的對(duì)照樣品都通過(guò)了測(cè)試。然而，許多暴露的密封劑顯示出拉伸痕跡，表明一些內(nèi)聚力的損失(圖6)。此外，熱塑性橡膠和丙烯酸乳膠密封劑中的現(xiàn)有裂縫被拉長(zhǎng)。聚乙酸乙烯酯膠乳顯示出部分開(kāi)裂。除了一個(gè)例外(雙組分聚氨酯)，UVA-340和UVB-313 (QUV)的結(jié)果與佛羅里達(dá)州的結(jié)果完全一致(表4)。
實(shí)驗(yàn)室和自然老化之間的關(guān)系可能永遠(yuǎn)是有爭(zhēng)議的。加速試驗(yàn)的結(jié)果應(yīng)該小心使用。事實(shí)上，不同類型的自然暴露之間的關(guān)系也是有問(wèn)題的。沒(méi)有人真正知道佛羅里達(dá)州南5區(qū)的測(cè)試圍欄與亞利桑那州或新澤西州的一年建筑有何關(guān)聯(lián)。因此，即使是佛羅里達(dá)州也只是給出了實(shí)際服務(wù)表現(xiàn)的相對(duì)指標(biāo)。它對(duì)實(shí)驗(yàn)室設(shè)備的要求太高了。
對(duì)于老化測(cè)試儀，有許多參數(shù)必須進(jìn)行編程:紫外光譜、水分、濕度、溫度和測(cè)試周期。因?yàn)闆](méi)有一個(gè)測(cè)試周期或設(shè)備可以再現(xiàn)不同氣候、海拔和緯度的室外所有變量，所以人們選擇的加速條件在一定程度上是任意的。為了獲得快速測(cè)試結(jié)果，加速測(cè)試人員必須經(jīng)?？浯笞匀唤缰邪l(fā)現(xiàn)的自然降解力。顯著不同的材料配方可能以各種方式對(duì)這些人為的嚴(yán)重應(yīng)力作出反應(yīng)。因此，一般來(lái)說(shuō)，不同類型的密封劑可能表現(xiàn)出不同的加速系數(shù)。事實(shí)上，即使在一個(gè)單獨(dú)的密封劑樣品中，所檢測(cè)的不同性質(zhì)也可能有不同的加速率。
表5總結(jié)了本研究中密封劑的自然老化和加速老化之間的相關(guān)性。它不包括微生物的影響。所示的“加速率”是各種測(cè)試性能的平均值。在沒(méi)有顯示加速率的情況下，要么是測(cè)試的性能變化不夠大，要么是變化不夠相似，不足以得出結(jié)論。本總結(jié)僅適用于在佛羅里達(dá)特定時(shí)間暴露的這一套特定密封劑?；谶@些數(shù)據(jù)的推斷應(yīng)該非常小心。
基于上述工作，得出以下結(jié)論。
與佛羅里達(dá)相比的加速測(cè)試。 盡管加速測(cè)試被廣泛用于預(yù)測(cè)產(chǎn)品的耐用性，但它的使用也有局限性。對(duì)于這項(xiàng)研究中的密封劑，最明顯的是實(shí)驗(yàn)室測(cè)試無(wú)法重現(xiàn)在佛羅里達(dá)看到的微生物生長(zhǎng)。此外，實(shí)驗(yàn)室設(shè)備不能再現(xiàn)污染或風(fēng)吹污染物造成的退化。盡管如此，這些測(cè)試結(jié)果表明加速老化測(cè)試是一種有用的工具?？偟膩?lái)說(shuō)，加速試驗(yàn)和佛羅里達(dá)試驗(yàn)在表面變化(即開(kāi)裂、點(diǎn)蝕等)、柔韌性和硬度(硬度計(jì))方面有很好的相關(guān)性。然而，不同的通用密封劑類型表現(xiàn)出不同的加速系數(shù)。
QUV紫外老化試驗(yàn)箱與氙燈老化試驗(yàn)箱相比
密封劑產(chǎn)生了有些混雜的結(jié)果。在測(cè)試的八種類型中，QUV在兩種類型上給出了與佛羅里達(dá)州的較佳相關(guān)性，氙弧在一種類型上給出了較佳結(jié)果。他們對(duì)其余部分給出了基本相同的結(jié)果。QUV，尤其是UVB-313燈，導(dǎo)致密封劑比氙弧退化得更快?？傊琎UV在測(cè)試陣列上給出了稍好的結(jié)果。
UVB-313與UVA 340相比。在測(cè)試的兩種密封劑中，UVA-340燈比UVB-313燈與佛羅里達(dá)的相關(guān)性更好。對(duì)于其余的，結(jié)果是相似的。UVA-340比UVB-313慢，但加速率(相對(duì)于密封劑類型)更一致?？傊琔VA-340燈是最有用的與佛羅里達(dá)相關(guān)或與一般不同密封劑比較的燈。UVB-313給出更快的結(jié)果，可能對(duì)持久配方或QC應(yīng)用最有用。
測(cè)試方法和規(guī)范的加速暴露持續(xù)時(shí)間。這項(xiàng)研究的結(jié)果表明，對(duì)于大多數(shù)密封劑，現(xiàn)有規(guī)范和試驗(yàn)方法中的暴露要求是不充分的。實(shí)際的最短暴露時(shí)間是2000-3000小時(shí)的加速測(cè)試。對(duì)于硅樹(shù)脂，5000小時(shí)可能是一個(gè)最小的數(shù)字。
與本文關(guān)聯(lián)的產(chǎn)品:
