汽車原始設(shè)備制造商、涂層材料供應(yīng)商和老化專家聯(lián)合進(jìn)行了一系列研究，旨在改進(jìn)老化測(cè)試協(xié)議。經(jīng)過十年的研究，結(jié)果是新發(fā)布的ASTM測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)D7869，該標(biāo)準(zhǔn)已被證明為各種汽車和航空航天涂層技術(shù)中出現(xiàn)的幾種失效機(jī)制提供了與佛羅里達(dá)戶外測(cè)試結(jié)果非常好的相關(guān)性。這種新方法驗(yàn)證了加速測(cè)試可以準(zhǔn)確復(fù)制室外氣候影響的想法，但通往這一結(jié)果的漫長(zhǎng)道路表明，與自然環(huán)境相關(guān)聯(lián)從來都不是一個(gè)簡(jiǎn)單的命題。
本文討論的研究集中在四個(gè)方面:
1.汽車工業(yè)中的氙弧方法是專門為在一個(gè)制造商的兩種型號(hào)中運(yùn)行而編寫的。認(rèn)識(shí)到這種方法扼殺了創(chuàng)新，并且這些車型在市場(chǎng)上的停產(chǎn)引發(fā)了對(duì)新車型測(cè)試再現(xiàn)性的質(zhì)疑，克萊斯勒在汽車工程師協(xié)會(huì)(SAE)的領(lǐng)導(dǎo)下努力實(shí)施基于性能的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)允許使用符合規(guī)定測(cè)試條件的任何試驗(yàn)箱設(shè)計(jì)。
2.福特研究了自然陽光和常用氙弧濾光器之間的光譜不匹配的作用，以及它們?cè)诩铀倮匣瘻y(cè)試中對(duì)準(zhǔn)確再現(xiàn)光氧化的影響。一種新的過濾器在氙弧室工業(yè)中實(shí)施，并且是ASTM D7869所要求的。
3.汽車涂料材料供應(yīng)商BASF和Bayer以及Q-Lab聯(lián)合研究了佛羅里達(dá)室外環(huán)境和氙弧試驗(yàn)箱中水分的重要性。顯而易見，現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)在模擬室外吸濕方面表現(xiàn)不佳。
4.福特再次介入，擴(kuò)大了對(duì)水分的研究，并使用早期開發(fā)的新濾光片，為氙弧測(cè)試儀創(chuàng)建了一個(gè)新的測(cè)試周期，該測(cè)試周期準(zhǔn)確地再現(xiàn)了所有由老化引起的退化機(jī)制。新的循環(huán)結(jié)合了普通熒光紫外標(biāo)準(zhǔn)的濕氣暴露和以前氙弧標(biāo)準(zhǔn)中常見的快速循環(huán)的新組合。
在回顧以前的工作時(shí)，本文將探討21世紀(jì)初老化科學(xué)的狀態(tài)，以及在通向新的突破性試驗(yàn)方法的漫長(zhǎng)道路上所克服的技術(shù)和組織挑戰(zhàn)。
在20世紀(jì)70年代，大多數(shù)汽車涂料通過碳弧或熒光UVB燈技術(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室氣候測(cè)試。雖然這些光源不能提供與太陽光紫外線部分的精確匹配，但測(cè)試提供了當(dāng)時(shí)在汽車行業(yè)占主導(dǎo)地位的涂層技術(shù)與室外氣候的良好相關(guān)性。然而，20世紀(jì)80年代涂層技術(shù)的變化要求與陽光有更好的光譜匹配。
結(jié)果，碳弧測(cè)試被氙弧測(cè)試取代，UVA-340燈被開發(fā)用于熒光紫外試驗(yàn)箱。1989年，美國(guó)汽車工程師學(xué)會(huì)(SAE)發(fā)布了汽車行業(yè)氙弧老化的首個(gè)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，分別為內(nèi)部和外部材料的J1885和J1960。這些測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)是為兩個(gè)特定的水冷氙弧試驗(yàn)箱模型編寫的，這兩個(gè)模型設(shè)計(jì)有一個(gè)垂直燈和旋轉(zhuǎn)樣品架。雖然氙氣測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)開始主導(dǎo)汽車認(rèn)證協(xié)議，但熒光紫外測(cè)試儀在進(jìn)行研發(fā)或一般質(zhì)量控制的實(shí)驗(yàn)室中激增，在這些實(shí)驗(yàn)室中，UVA和更老的UVB技術(shù)都被采用，并且直到今天仍然如此。
早期的氙弧試驗(yàn)雖然比早期的碳弧試驗(yàn)有了很大的改進(jìn)，但在預(yù)測(cè)長(zhǎng)期耐久性方面作用有限。盡管使用這些早期SAE標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)試結(jié)果通常與佛羅里達(dá)戶外的顏色和光澤損失結(jié)果相關(guān)良好，但對(duì)于許多重要的退化模式，例如昂貴的分層問題，它們并不相關(guān)良好。正因?yàn)槿绱耍眠@些實(shí)驗(yàn)室方法預(yù)測(cè)真實(shí)世界性能的嘗試經(jīng)常失敗。簡(jiǎn)而言之，這些基于硬件的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)的結(jié)果與室外測(cè)試結(jié)果或一些不滿意的客戶的體驗(yàn)沒有很好的關(guān)聯(lián)。
氙弧老化技術(shù)顯示出巨大的前景，因?yàn)樗哂芯_再現(xiàn)陽光的潛力，但第一個(gè)SAE標(biāo)準(zhǔn)的一個(gè)后果是技術(shù)創(chuàng)新被扼殺，使得很難改善實(shí)驗(yàn)室和室外老化之間的相關(guān)性。特定于硬件的標(biāo)準(zhǔn)為技術(shù)進(jìn)步制造了市場(chǎng)障礙。試驗(yàn)箱設(shè)計(jì)缺乏多樣性意味著現(xiàn)狀基本上沒有受到挑戰(zhàn)。室外和實(shí)驗(yàn)室氣候試驗(yàn)之間的不良相關(guān)性因此被標(biāo)準(zhǔn)制度化。
認(rèn)識(shí)到這種方法阻礙了創(chuàng)新，以克萊斯勒為首的一些原始設(shè)備制造商和涂料供應(yīng)商創(chuàng)造了一種新的“基于性能”的方法，通過發(fā)布SAE標(biāo)準(zhǔn)J2412和J25271打破了創(chuàng)新僵局。基于性能的標(biāo)準(zhǔn)依賴于對(duì)測(cè)試環(huán)境條件的全面技術(shù)描述，而不是指定特定的設(shè)備和列出所需的設(shè)置。環(huán)境條件是任何基于性能的標(biāo)準(zhǔn)的支柱，編寫這些環(huán)境條件的技術(shù)描述比特定于硬件的方法更困難。
對(duì)這些SAE標(biāo)準(zhǔn)的爭(zhēng)議集中在平面陣列、空氣冷卻氙弧試驗(yàn)箱的使用上。舊標(biāo)準(zhǔn)要求使用旋轉(zhuǎn)架室，該旋轉(zhuǎn)架室具有氙燈的水冷卻功能，一些業(yè)內(nèi)人士擔(dān)心平面陣列室會(huì)產(chǎn)生與旋轉(zhuǎn)架設(shè)計(jì)不同的結(jié)果。業(yè)內(nèi)的其他人想知道新設(shè)計(jì)的旋轉(zhuǎn)架測(cè)試儀是否能提供與其前輩相同的結(jié)果。
為了提供一種客觀且科學(xué)有效的方法來確定市場(chǎng)上可用的不同模型產(chǎn)生了與這些特定標(biāo)準(zhǔn)相似的結(jié)果，SAE標(biāo)準(zhǔn)J2413被開發(fā)出來。該標(biāo)準(zhǔn)要求試驗(yàn)箱必須證明符合規(guī)定的試驗(yàn)條件、重復(fù)性、再現(xiàn)性以及標(biāo)準(zhǔn)參考材料在一定范圍內(nèi)的降解，并且在試驗(yàn)箱內(nèi)具有可接受的均勻性水平?？芍貜?fù)性是指在一個(gè)室內(nèi)的多次測(cè)試中獲得相似的結(jié)果，而再現(xiàn)性是指在多個(gè)室內(nèi)獲得相似的結(jié)果。
為了解決有關(guān)室內(nèi)一致性的問題，Q-Lab邀請(qǐng)了由BASF和ACT Laboratories運(yùn)營(yíng)的ISO 17025認(rèn)證實(shí)驗(yàn)室的參與，進(jìn)行了有史以來關(guān)于該主題的最大規(guī)模的研究。目標(biāo)是比較各種標(biāo)準(zhǔn)參考和其他常見汽車材料的降解均勻性。三個(gè)不同的旋轉(zhuǎn)架氙弧模型和一個(gè)平面陣列模型是研究的一部分。為了便于說明，這兩種配置的示意圖復(fù)制自圖1中的原始研究。
旋轉(zhuǎn)架設(shè)計(jì)的主要優(yōu)點(diǎn)是樣品可以圍繞光源自動(dòng)旋轉(zhuǎn)，有效地消除了左右條件的可變性。然而，這種設(shè)計(jì)并沒有消除從上到下可能存在的可變性。如下所述，最新氙弧標(biāo)準(zhǔn)建議在旋轉(zhuǎn)試管架室的垂直方向上重新定位樣品。在平面陣列測(cè)試儀(也稱為靜態(tài)陣列測(cè)試儀)中，應(yīng)手動(dòng)重新定位樣品，以減少曝光區(qū)域不均勻性的影響。在發(fā)表的研究中，平面陣列裝置中的測(cè)試在有和沒有樣本重新定位的情況下進(jìn)行。
表1中的研究結(jié)果表明，平面陣列和旋轉(zhuǎn)氙燈試驗(yàn)箱的一致性相似。正如預(yù)期的那樣，在平面陣列測(cè)試儀中手動(dòng)重新定位樣品提高了均勻性。有趣的是，即使沒有重新定位，在某些情況下，平面陣列的均勻性也優(yōu)于旋轉(zhuǎn)機(jī)架的均勻性。這項(xiàng)研究指出，結(jié)果包括測(cè)量和材料的可變性。
預(yù)計(jì)到SAE J2412和J2527的發(fā)布，克萊斯勒試圖使用J2413協(xié)議來比較平面陣列測(cè)試儀、Q-Lab的Q-SUN Xe-3-HS和Atlas Ci65A的結(jié)果，Atlas Ci65A是舊SAE標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的兩個(gè)旋轉(zhuǎn)齒條試驗(yàn)箱之一。它為這項(xiàng)研究選擇了37種汽車外部級(jí)材料和參考材料，并選擇了BASF的密歇根州Southfield實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行測(cè)試。
第一輪測(cè)試發(fā)現(xiàn)了平面陣列和旋轉(zhuǎn)支架測(cè)試器之間的一些退化差異，特別是在一些塑料樣品中。對(duì)原因的調(diào)查揭示了一些細(xì)微的設(shè)計(jì)差異，而這些差異在基于性能的標(biāo)準(zhǔn)中并沒有體現(xiàn)出來。首先，平面陣列測(cè)試器使用陽極氧化鋁黑色面板溫度計(jì)，而旋轉(zhuǎn)支架測(cè)試器使用涂漆不銹鋼制成。盡管最終溫度讀數(shù)非常相似，但每個(gè)傳感器的響應(yīng)速度卻有顯著差異。與涂漆鋼板相比，當(dāng)使用鋁黑面板時(shí)，塑料材料在測(cè)試循環(huán)的過渡期間達(dá)到更高的溫度。此外，標(biāo)準(zhǔn)中沒有規(guī)定相對(duì)于氣流的試驗(yàn)箱空氣溫度傳感器的位置，但這被證明是影響樣品溫度和降解結(jié)果的一個(gè)非常重要的因素。
最后，平面陣列測(cè)試器比旋轉(zhuǎn)架輸送了更多的水。這是因?yàn)樾D(zhuǎn)架具有一組噴嘴，在架的每次旋轉(zhuǎn)過程中，這些噴嘴噴射樣品幾秒鐘。平面陣列被編程為每分鐘噴射20秒，這導(dǎo)致更多的水被輸送到樣本。這一事實(shí)在創(chuàng)建最新氙弧老化標(biāo)準(zhǔn)的研究中被證明是至關(guān)重要的。
在對(duì)平面陣列進(jìn)行一些設(shè)計(jì)修改后，包括將噴射時(shí)間減少到每分鐘5秒，進(jìn)行了第二輪測(cè)試。從第一輪中選擇樣本，包括在兩個(gè)測(cè)試器中表現(xiàn)出差異的所有樣本，在兩個(gè)測(cè)試器中獲得非常相似結(jié)果的一些樣本，以及已知對(duì)熱或濕氣敏感的新樣本。這一輪顯示了兩個(gè)測(cè)試者之間很好的相關(guān)性。這證明了平面陣列測(cè)試儀可以產(chǎn)生與旋轉(zhuǎn)架測(cè)試儀非常相似的結(jié)果，并且基于性能的標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)施不需要犧牲測(cè)試結(jié)果的再現(xiàn)性。
這些第一批基于性能的汽車標(biāo)準(zhǔn)在新舊時(shí)代都根深蒂固。測(cè)試周期保持不變，結(jié)果預(yù)計(jì)與舊標(biāo)準(zhǔn)下運(yùn)行的測(cè)試相似。Chrysler論文的作者指出，該項(xiàng)目的目標(biāo)是讓平面陣列測(cè)試儀實(shí)現(xiàn)與旋轉(zhuǎn)支架測(cè)試儀相同的退化，但不一定與室外氣候相匹配。這是基于硬件的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)代的延續(xù)。
新的基于性能的標(biāo)準(zhǔn)的重要性在于，氣候試驗(yàn)箱的用戶可以自由選擇最適合其特定需求的設(shè)計(jì)，并且行業(yè)對(duì)新方法持開放態(tài)度。然而，這些標(biāo)準(zhǔn)并沒有解決室外老化相關(guān)性的挑戰(zhàn)。氙弧老化室的供應(yīng)商被迫妥協(xié)他們的設(shè)計(jì)，以便測(cè)試結(jié)果與舊方法相當(dāng)。這些折衷包括使用不能產(chǎn)生與太陽光光譜較佳匹配的濾光器。
大約在同一時(shí)間，克萊斯勒和其他SAE參與者正在創(chuàng)建新的基于性能的標(biāo)準(zhǔn)，福特正在研究提高氙弧老化暴露和室外老化之間的相關(guān)性。它進(jìn)行了研究，檢查了不同氙弧濾光器系統(tǒng)的光譜截止波長(zhǎng)對(duì)光氧化率的影響，并與南佛羅里達(dá)暴露進(jìn)行了比較。研究表明，在截止波長(zhǎng)處，即使很小的光譜不匹配也會(huì)在光氧化中產(chǎn)生顯著的差異，從而導(dǎo)致錯(cuò)誤的測(cè)試結(jié)果。
福特和其他公司的研究人員使用指紋技術(shù)檢查光聲傅里葉變換紅外(PAS-FTIR)光譜的數(shù)據(jù)。他們首先確定了紅外光譜中–OH和–NH區(qū)域的四個(gè)峰，這四個(gè)峰由于老化作用而移動(dòng)。這些峰值分別被稱為a、b、c和d。計(jì)算峰a與峰b的高度之比，即c與d之比。這些比率是相互對(duì)照繪制的。其結(jié)果是一條具有給定斜率的線，代表了老化降解反應(yīng)的平衡。可以將任何給定的加速試驗(yàn)產(chǎn)生的斜率與室外暴露產(chǎn)生的斜率進(jìn)行比較，該斜率可以稱為暴露的光氧化指紋。這兩個(gè)指紋越接近，重現(xiàn)光氧化的加速試驗(yàn)就越準(zhǔn)確。
汽車行業(yè)常用的氙弧光學(xué)濾光器系統(tǒng)有石英/硼、擴(kuò)展UV - Q/B、硼/硼或日光–B/B等名稱。前兩種系統(tǒng)允許的波長(zhǎng)比自然陽光短得多。后兩者傳輸?shù)牟ㄩL(zhǎng)也比自然陽光短，但不匹配不太嚴(yán)重。福特的一些早期工作證明了低于自然陽光截止波長(zhǎng)的短波長(zhǎng)紫外線能量的存在如何導(dǎo)致不切實(shí)際的光氧化，這可能產(chǎn)生誤導(dǎo)性的測(cè)試結(jié)果。假陽性或假陰性可能是由舊的基于硬件的氙標(biāo)準(zhǔn)及其隨后的基于性能的重寫中固有的光譜不匹配問題造成的。
圖2顯示了一些早期工作的結(jié)果。菲涅爾陽光集中器使用自然陽光和鏡子來產(chǎn)生高輻照度曝光。因?yàn)樗褂玫氖亲匀魂柟猓耘c真實(shí)的室外環(huán)境的光譜不匹配可以忽略不計(jì)。這種特殊的光源產(chǎn)生了一個(gè)很好的指紋匹配自然南佛羅里達(dá)曝光。還顯示了其他常見光源，包括SAE氙弧標(biāo)準(zhǔn)中使用的光源。
福特研究了市場(chǎng)上其他常見的“日光”濾光器，其中一些比日光B/B (boro/boro)更符合自然日光截止。因?yàn)閬碜赃@些過濾器的光氧化指紋不能提供足夠接近的匹配，福特尋求一種改進(jìn)的光學(xué)過濾器。
3M公司將一種光學(xué)過濾器帶入了主流，這是一個(gè)很好的選擇。盡管這種類型在老化工業(yè)中是新出現(xiàn)的，但它已經(jīng)在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中用于測(cè)試藥物化合物對(duì)日光誘導(dǎo)的紅斑的作用。福特使用這種濾光片進(jìn)行了測(cè)試，發(fā)現(xiàn)它的光氧化指紋與南佛羅里達(dá)的結(jié)果更匹配。參見圖3和圖4。
汽車工業(yè)中基于性能的氙弧試驗(yàn)方法新時(shí)代的早期成功是ASTM D7356的出版，使用氙弧曝光裝置加速汽車清漆酸性腐蝕老化的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法。根據(jù)BASF和Q-Lab進(jìn)行的研究，該測(cè)試?yán)眯碌钠矫骊嚵袦y(cè)試儀來重現(xiàn)汽車透明涂層在佛羅里達(dá)州杰克遜維爾的酸雨環(huán)境中暴露一個(gè)夏天時(shí)發(fā)生的酸蝕刻4。一個(gè)Q-SUN Xe-3-HS模型被修改為包括一個(gè)二次噴射系統(tǒng)，以將稀酸溶液輸送到樣品。平面陣列設(shè)計(jì)對(duì)這項(xiàng)研究很重要，因?yàn)樗试S稀酸溶液緩慢干燥成濃縮的液滴，從而降解透明涂層。巴斯夫觀察到，該領(lǐng)域的酸腐蝕故障幾乎只發(fā)生在水平表面，如發(fā)動(dòng)機(jī)罩和行李箱，很少發(fā)生在垂直表面，如門和擋泥板，因此平面陣列測(cè)試儀，稍加修改后具有水平樣品表面，是在實(shí)驗(yàn)室重現(xiàn)酸腐蝕的合理選擇。這種新方法在幾百個(gè)小時(shí)內(nèi)模擬了杰克遜維爾暴露的季節(jié)，對(duì)于需要實(shí)驗(yàn)室方法來加快產(chǎn)品開發(fā)并降低現(xiàn)場(chǎng)故障和客戶不滿風(fēng)險(xiǎn)的供應(yīng)商來說，這是一個(gè)突破。
雖然這項(xiàng)研究集中在一個(gè)特定的故障機(jī)制，該項(xiàng)目是一個(gè)更好的加速老化測(cè)試發(fā)展的墊腳石。從組織的角度來看，該項(xiàng)目延續(xù)了克萊斯勒研究期間開始的一些工作關(guān)系，并延續(xù)到后來的研究中。該項(xiàng)目還吸引了更多的研究伙伴。從技術(shù)角度來看，測(cè)試周期的開發(fā)需要仔細(xì)分析發(fā)生降解的濕度環(huán)境，見表2。在隨后的研究中復(fù)制了將室外潮濕環(huán)境轉(zhuǎn)化為氙弧試驗(yàn)箱條件的方法，并將開發(fā)的試驗(yàn)循環(huán)要素納入改進(jìn)的一般老化循環(huán)中。見表3。特別是，在最初應(yīng)用酸溶液后，該循環(huán)開始于一段延長(zhǎng)的黑暗期。
在酸性蝕刻項(xiàng)目接近尾聲時(shí)，巴斯夫與拜耳合作，對(duì)室外濕度進(jìn)行研究。拜耳公司在佛羅里達(dá)州杰克遜維爾的布朗特島擁有一個(gè)老化暴露場(chǎng)所。汽車涂料行業(yè)的兩家供應(yīng)商想要確定涂層在佛羅里達(dá)環(huán)境中吸收了多少水分，導(dǎo)致水分吸收的條件，以及SAE標(biāo)準(zhǔn)(舊J1960和新J2527)是否重復(fù)了這些機(jī)制。理論上，SAE標(biāo)準(zhǔn)沒有準(zhǔn)確模擬室外濕度，這就是為什么有時(shí)在佛羅里達(dá)室外結(jié)果和現(xiàn)場(chǎng)報(bào)告中看到的氣泡、分層和開裂沒有在氙弧試驗(yàn)中重現(xiàn)的原因。
Q-Lab在20世紀(jì)70年代進(jìn)行了類似的濕潤(rùn)時(shí)間(TOW)研究。這些研究建立在20世紀(jì)60年代Q-Lab和克利夫蘭涂料協(xié)會(huì)開發(fā)的克利夫蘭冷凝測(cè)試儀(QCT)的基礎(chǔ)上。這些研究表明，在佛羅里達(dá)環(huán)境中，油漆過的面板在超過50%的時(shí)間里表面保持液態(tài)水。此外，潮濕的主要原因是露水的形成，而不是下雨。最初的QUV加速老化測(cè)試儀是作為QCT的擴(kuò)展而設(shè)計(jì)的。熒光紫外老化室的冷凝功能是該技術(shù)在20世紀(jì)70年代和80年代被涂料行業(yè)廣泛采用的主要原因。在21世紀(jì)的第一個(gè)十年中，氙弧測(cè)試的大部分進(jìn)展都是由于追求實(shí)現(xiàn)與熒光紫外測(cè)試儀相似的濕度性能。
巴斯夫和拜耳的研究發(fā)表為“汽車OEM涂層加速老化的缺陷”，通過開發(fā)測(cè)量涂層吸水質(zhì)量的技術(shù)，進(jìn)一步發(fā)展了這兩項(xiàng)研究。此外，研究人員能夠?qū)⑺奈蘸歪尫排c環(huán)境溫度、相對(duì)濕度和降雨量相關(guān)聯(lián)。這是通過使用記錄面板質(zhì)量隨時(shí)間變化的測(cè)壓元件來實(shí)現(xiàn)的。他們確定SAE循環(huán)導(dǎo)致的水分吸收明顯少于佛羅里達(dá)環(huán)境。研究人員還指出了與周期3有關(guān)的其他缺陷，如表4所示，并強(qiáng)調(diào)了吸水?dāng)?shù)據(jù)。平均而言，SAE循環(huán)產(chǎn)生的水量約為佛羅里達(dá)潮濕天氣的五分之一。汽車涂層中可能的最大吸濕量可以通過浸泡試驗(yàn)(延長(zhǎng)浸泡)或標(biāo)準(zhǔn)冷凝暴露(QCT)來確定。
值得注意的是，這種冷凝暴露是熒光紫外線老化裝置和相關(guān)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)的標(biāo)準(zhǔn)特征。圖5顯示了典型汽車涂層系統(tǒng)中可能的最大吸水量與SAE J2527/J1960中達(dá)到的吸水量的對(duì)比。額外的測(cè)試表明，這種最大吸收量可以通過在旋轉(zhuǎn)支架測(cè)試器中延長(zhǎng)噴水周期來復(fù)制，并且在平面陣列測(cè)試器中相對(duì)容易實(shí)現(xiàn)。接下來的一系列測(cè)試旨在展示如何在佛羅里達(dá)環(huán)境中實(shí)現(xiàn)相似的吸收。參見圖6。
巴斯夫、拜耳和Q-Lab的研究聯(lián)盟需要OEM的支持和領(lǐng)導(dǎo)，以推動(dòng)汽車涂層的耐候性測(cè)試超越有缺陷的SAE標(biāo)準(zhǔn)。克萊斯勒在推動(dòng)行業(yè)向基于性能的標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展方面發(fā)揮了重要的領(lǐng)導(dǎo)作用，但它正在經(jīng)歷組織變革，這阻礙了它積極參與下一階段的研究。福特公司曾致力于為氙弧老化室開發(fā)一種改進(jìn)的濾光器，并介入提供領(lǐng)導(dǎo)。
議程上的第一項(xiàng)是通過創(chuàng)建一個(gè)將涂層中的水分吸收與天氣條件相關(guān)聯(lián)的模型，并將其應(yīng)用于氙弧老化室，將水分研究向前推進(jìn)了一步。該模型將為該計(jì)劃的后續(xù)步驟提供信息。這一階段研究的目標(biāo)是確定這些房間能夠輸送多少水分，然后開發(fā)測(cè)試周期，實(shí)現(xiàn)與佛羅里達(dá)州面板相當(dāng)?shù)乃治铡?/p>
在平面陣列測(cè)試儀中測(cè)量供水量非常簡(jiǎn)單。一個(gè)帶有量杯的特殊樣品托盤可以直接捕捉水噴霧。然而，這種技術(shù)在旋轉(zhuǎn)臺(tái)架試驗(yàn)中是無效的。在嘗試了幾種方法來測(cè)量旋轉(zhuǎn)架氙弧測(cè)試儀中水輸送的數(shù)量和均勻性后，發(fā)現(xiàn)在兩種類型的試驗(yàn)箱中使用海綿都是有效的，如新ASTM D7869中所規(guī)定的。
這些研究的一些主要結(jié)論如下:
1.每分鐘的噴涂時(shí)間需要在平面陣列測(cè)試器中增加，以實(shí)現(xiàn)涂層中類似于佛羅里達(dá)測(cè)試結(jié)果的水分吸收。噴涂時(shí)間以前已經(jīng)大大減少，以達(dá)到與運(yùn)行舊SAE標(biāo)準(zhǔn)的旋轉(zhuǎn)架結(jié)果相匹配的結(jié)果。
2.旋轉(zhuǎn)架有可能在涂層中獲得與佛羅里達(dá)結(jié)果相似的水分吸收。這需要在循環(huán)開始時(shí)沒有輻照的長(zhǎng)時(shí)間噴霧步驟。
3.由于吸水的重要性，氙弧測(cè)試儀中噴水系統(tǒng)的校準(zhǔn)方法需要包括在未來的涂層標(biāo)準(zhǔn)中。
4.使用標(biāo)準(zhǔn)化海綿是在氙弧老化室中校準(zhǔn)噴水系統(tǒng)的最有效方法
5.噴水的不均勻性和其他因素使得樣品必須在旋轉(zhuǎn)架室中重新定位，這是未來測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)的要求。在大多數(shù)標(biāo)準(zhǔn)中，樣品在平面陣列測(cè)試儀中的重新定位已經(jīng)是一項(xiàng)要求。
6.包括帶有輻照度的噴水步驟會(huì)造成涂層不切實(shí)際的退化，因此應(yīng)該避免。
然后，福特監(jiān)督了一系列循環(huán)測(cè)試，以創(chuàng)建一個(gè)有效的測(cè)試周期。在這個(gè)漫長(zhǎng)的項(xiàng)目階段，加入研究團(tuán)隊(duì)的有本田、阿特拉斯和波音，本田曾獨(dú)立地做過類似的工作。這些公司的加入對(duì)于這項(xiàng)研究產(chǎn)生的任何測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)獲得廣泛的行業(yè)支持非常重要。波音公司還將不同的涂層技術(shù)引入該項(xiàng)目，將范圍擴(kuò)大到汽車工業(yè)之外。
樣本集包括106種組合，包括:
多種顏色:黑色、白色、藍(lán)色、紅色
水性和溶劑型底漆
溶劑型透明涂層
不同的分層系統(tǒng)
有和沒有穩(wěn)定器的系統(tǒng)
許多涂層系統(tǒng)是專門為揭示某些失效模式而配制的。其他配方含有穩(wěn)定劑，因此預(yù)計(jì)不會(huì)出現(xiàn)故障模式。該設(shè)計(jì)的目的是評(píng)估加速老化試驗(yàn)循環(huán)的假陽性和假陰性結(jié)果。表5顯示了樣本集的代表性樣本來說明這一點(diǎn)。
為了評(píng)估這些涂層，研究人員綜合運(yùn)用了視覺和分析技術(shù)。顏色和光澤讀數(shù)，由儀器進(jìn)行，伴隨著視覺評(píng)估，以尋找物理缺陷。與早期的福特研究一樣，PAS-FTIR用于測(cè)量光氧化。為了測(cè)量紫外吸收劑在某些涂料體系中的遷移，使用了紫外顯微光譜。這項(xiàng)測(cè)試需要從面板上沖壓出一個(gè)1厘米的圓盤，并執(zhí)行一個(gè)艱苦的程序來隔離涂層膜以進(jìn)行測(cè)量。
所有標(biāo)本都在南佛羅里達(dá)的一個(gè)試驗(yàn)場(chǎng)暴露了至少兩年。汽車面板每6個(gè)月返回同一實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行評(píng)估。每3個(gè)月評(píng)估一次航空航天涂層的顏色和光澤。
加速測(cè)試在Atlas Ci4000和Ci5000旋轉(zhuǎn)架氙弧測(cè)試室和Q-Lab的平面陣列Q-SUN Xe-3-HS中進(jìn)行。研究中總共使用了6個(gè)旋轉(zhuǎn)支架和4個(gè)平面陣列試驗(yàn)箱。此外，根據(jù)SAE J1960/J2527，在Ci35中測(cè)試了一些樣品。對(duì)曝光進(jìn)行定時(shí)，以在340 nm下達(dá)到最小3000 kJ/m2。
最初的SAE方法在預(yù)測(cè)許多涂層的顏色和光澤損失方面顯示了可接受的準(zhǔn)確性。該循環(huán)中的缺陷導(dǎo)致其不能再現(xiàn)光氧化、開裂、起泡和分層。因此，這項(xiàng)研究主要集中在這些領(lǐng)域。如上所述，早期的Ford工作已經(jīng)確定了氙弧老化室中常用的濾光器和陽光之間的光譜失配是老化循環(huán)期間光氧化不準(zhǔn)確再現(xiàn)的主要原因。如上所述，開發(fā)了一種改進(jìn)的濾光器用于老化應(yīng)用，并在本研究中使用。
圖7、8和9顯示了佛羅里達(dá)州典型日的濕度和輻照度循環(huán)、舊的SAE循環(huán)和ASTM D7869公布的新循環(huán)的示意圖。這個(gè)新循環(huán)代表了實(shí)驗(yàn)室老化循環(huán)中兩種常用方法的混合。在熒光紫外測(cè)試器(如QUV氣候試驗(yàn)箱)中，長(zhǎng)時(shí)間的潮濕和光照交替是很常見的，因?yàn)樵摷夹g(shù)起源于涂層起泡的冷凝測(cè)試器?？焖傺h(huán)旨在將室內(nèi)典型的每日暴露壓縮到幾個(gè)小時(shí)內(nèi)，這是許多氙試驗(yàn)循環(huán)的共同特征，包括最初的SAE循環(huán)。
在這項(xiàng)研究中，12小時(shí)的噴水黑暗步驟，然后12小時(shí)的無噴水輻照能夠在佛羅里達(dá)暴露后表現(xiàn)出這些失效模式的涂層中產(chǎn)生起泡和分層。這一結(jié)果證明了在實(shí)驗(yàn)室中重現(xiàn)水分吸收的重要性。該循環(huán)不能在戶外試驗(yàn)中經(jīng)歷這種失效模式的涂層中重現(xiàn)裂紋。在福特的這些后續(xù)研究中，研究人員采用了詳盡的迭代方法，調(diào)整了長(zhǎng)時(shí)間噴涂和輻照循環(huán)以及快速光/暗/噴涂/溫度循環(huán)的周期，以優(yōu)化所有涂層類型的所有失效模式的相關(guān)性。這些實(shí)驗(yàn)持續(xù)了幾年。ASTM D7869公布的最終周期如表6所示
新的循環(huán)顯示出與南佛羅里達(dá)戶外測(cè)試結(jié)果的良好相關(guān)性，測(cè)試了所有降解模式和所有涂層系統(tǒng)。第一次，一次曝光就正確預(yù)測(cè)了顏色和光澤喪失、起泡、開裂、附著力喪失和光氧化的戶外結(jié)果。另一種降解模式，即紫外線吸收劑的消耗，在新的周期中得到了很好的再現(xiàn)，但沒有以與化學(xué)降解相同的速度發(fā)生。
一個(gè)非常有趣的發(fā)現(xiàn)是“溫度和干濕循環(huán)的頻率也與佛羅里達(dá)的暴露程度成比例?！币粋€(gè)典型的佛羅里達(dá)日導(dǎo)致8.4千焦暴露在340納米的輻射中。最初的SAE循環(huán)(J1960/J2527)導(dǎo)致每個(gè)應(yīng)力循環(huán)3.9 kJ。新方案的結(jié)果是每個(gè)應(yīng)激循環(huán)9.9千焦，比SAE循環(huán)更接近自然條件。換句話說，在降解涂層的自然老化因素的整體模擬方面，新循環(huán)優(yōu)于SAE J2527。
新協(xié)議不僅能更好地模擬自然氣候，而且速度更快。如果是基于輻射劑量的測(cè)試，兩個(gè)測(cè)試差不多。然而，從時(shí)間上看，新協(xié)議比J2527快40%。這是因?yàn)樾轮芷诒扰f周期使用更高的輻照度，并且輻照度的總持續(xù)時(shí)間比以前稍長(zhǎng)。
然而，新的測(cè)試并沒有提供一個(gè)通用的加速系數(shù)，也就是通常被老化專家稱為“神奇數(shù)字”的系數(shù)本研究中計(jì)算了加速因子。對(duì)于汽車涂料，它們的范圍從8到16。換句話說，一個(gè)月的新協(xié)議測(cè)試相當(dāng)于南佛羅里達(dá)8到16個(gè)月的戶外測(cè)試。對(duì)于通常沒有透明涂層的航空涂層，加速系數(shù)要小得多，大約為3到4。對(duì)于不了解材料室外性能的人來說，使用這種方案時(shí)，假設(shè)加速系數(shù)會(huì)有很大的誤差空間。戶外測(cè)試的需求仍有待消除。
實(shí)驗(yàn)室加速老化的技術(shù)水平已經(jīng)得到了發(fā)展。對(duì)于多種涂層系統(tǒng)及其所有關(guān)鍵失效模式，單次實(shí)驗(yàn)室暴露首次能夠與室外暴露精確關(guān)聯(lián)。新協(xié)議比它的前身更好更快。
實(shí)現(xiàn)這一結(jié)果所需的技術(shù)突破包括:
l為氙弧老化室開發(fā)了一種新的濾光器，可以更好地匹配太陽光。
l精確測(cè)量涂層的室外吸水量和氙弧老化設(shè)備的水分釋放量的方法
l傳統(tǒng)熒光紫外和氙弧測(cè)試循環(huán)強(qiáng)度的新型組合。熒光紫外測(cè)試通常在長(zhǎng)時(shí)間黑暗潮濕循環(huán)和長(zhǎng)時(shí)間紫外循環(huán)之間交替進(jìn)行，輻照度比最大陽光略高。氙測(cè)試通常包括在潮濕和干燥條件下的快速循環(huán)，并在比最大陽光略低的輻照度下運(yùn)行。新的氙弧協(xié)議包括在高輻照度下交替進(jìn)行濕循環(huán)和光循環(huán)，以及快速循環(huán)以產(chǎn)生熱應(yīng)力。
與本文關(guān)聯(lián)的產(chǎn)品:
