通過q-lab老化試驗箱分析木材涂層老化和預測其耐久性

摘要

木器涂料的性能分別通過EN927-6和EN927-3的人工氣候試驗和自然氣候試驗進行評價。在這兩種情況下，暴露后樣品的降解主要通過視覺評估來控制，如開裂、剝落、起泡、粉化、霉菌生長。與未暴露的樣品相比，這些主觀評估按0(無變化)至5(嚴重變化)的等級進行評級。為了避免降解過程中的主觀解釋，通過分析方法對木材涂層老化進行了分析。本文報道了通過量熱法研究對人工和自然老化的分析。目的是研究兩種暴露類型的玻璃轉化溫度Tg的變化，并找到Tg和木材涂層系統(tǒng)耐久性之間的聯(lián)系。

在不同類型的老化過程中，醇酸染色劑的玻璃轉化溫度的變化

在以前的研究項目中，研究木器涂料的自然和人工老化的方法是在醇酸樹脂染色劑上開發(fā)的。它包括測量聚合物的玻璃轉化溫度(Tg)隨老化時間的變化。Tg是一個有趣的特性，因為它根據(jù)聚合物的結構參數(shù)而變化，如表1所示。

不管是什么類型的老化，實驗結果表明，玻璃轉化溫度在老化初期會增加，然后穩(wěn)定在一個漸進的Tg∞值，如圖1所示。這些變化是典型的朝向極限值的指數(shù)式增長。為了描述Tg隨時間的變化，提出了一個模型如下：

Tg (t) = Tg₀ + Tg₁ (1-exp(-t/τ ))

其中 Tg = Tg₀ 當 t=0 和Tg → Tg∞ = Tg₀+Tg₁ 當t→∞

τ是一個時間常數(shù)。

由于紫外光和溫度的影響，涂層交聯(lián)繼續(xù)進行。如表1所解釋的，新的鍵形成導致Tg增加。在所研究的老化期間，由于沒有觀察到Tg的降低，大分子網(wǎng)絡沒有發(fā)生化學降解。

人工和自然老化可以用三個數(shù)據(jù)來表征:Tg₀、Tg∞和τ。 在三種類型的老化之后，對醇酸污漬的這些數(shù)據(jù)進行了比較:

巴黎附近12個月的自然老化

在輪轂上進行1300小時的人工氣候老化(循環(huán)=在蒸餾水中12分鐘，在環(huán)境大氣中27分鐘，在6個紫外燈下24分鐘，在環(huán)境大氣中27分鐘)

在q-lab老化試驗箱QUV中進行500小時的人工老化(周期=用UVB-313nm照射5小時，噴水1小時)

結果見表2。

自然老化后，醇酸污漬的最高玻璃轉化溫度約為27℃。用砂輪進行人工老化后，最高玻璃轉化溫度約為25 ℃,這與自然老化后獲得的玻璃轉化溫度非常相似。這意味著輪轂再現(xiàn)了在自然老化中觀察到的Tg變化。在q-lab老化試驗箱QUV中人工老化后，醇酸污漬的最大玻璃轉化溫度為約16 ℃,這比在自然老化和用輪轂人工老化中獲得的值低得多。

自然老化的時間常數(shù)τ約為700小時，用輪轂人工老化約為60小時，用q-lab老化試驗箱QUV人工老化約為50小時。因此，輪轂將自然老化過程中觀察到的現(xiàn)象加速了約12倍，而QUV產生的加速度約為14倍。

此外，所開發(fā)的模型允許表達涂層的固化速率

紫外線吸收劑對玻璃轉化溫度變化的影響 用用3%紫外線吸收劑(羥苯基苯并三唑)改性的相同醇酸著色劑進行了類似的實驗。圖2顯示了使用輪轂進行人工老化的結果示例。

所建議的模型對于含有紫外線吸收劑的醇酸污漬仍然有效:觀察到Tg增加，然后穩(wěn)定，但是數(shù)值低于沒有紫外線吸收劑的相同涂料的數(shù)值。在沒有紫外線吸收劑的涂層上可以觀察到裂紋，而具有添加劑的涂層是完整的。由于其較低的Tg值，這種材料更加靈活，可以更好地適應木材的尺寸變化。

自然老化周期對玻璃轉化溫度變化的影響

對于自然老化，暴露時間對Tg變化有影響，最高室外溫度和Tg之間的聯(lián)系如圖3和圖4所示。

在圖3中，在老化的第一個月，室外溫度高于Tg。聚合物可以繼續(xù)交聯(lián)，導致Tg增加。從九月開始，室外溫度明顯下降。它導致Tg的穩(wěn)定。低溫阻礙了聚合物網(wǎng)絡的形成。在圖4中，在最初的幾個月中，室外溫度低于Tg，并使網(wǎng)絡保持其狀態(tài)。這就是Tg變化不大的原因。從三月開始，室外溫度的升高使得Tg升高。與之前一樣，從9月份開始，室外溫度的下降導致Tg趨于穩(wěn)定。

不同類型涂層在不同類型老化過程中玻璃轉化溫度的變化

上面建議的模型是在醇酸染色劑上開發(fā)的。因此，使用不同類型的涂料(溶劑型和水性)和不同類型的老化進行了進一步的實驗，以檢查該模型是否可用于所有情況。

表3中描述的五種涂層系統(tǒng)已經應用于樟子松樣品。

將樣品暴露于三種不同類型的老化中，并在不同的老化時間進行Tg測量。比較了以下結果:

巴黎附近的自然老化，歷時13個月

在1200小時內用輪轂進行人工老化(與上述周期相同)

用q-lab老化試驗箱QUV進行人工老化:在這種情況下，循環(huán)與上述不同，但如下進行:48小時冷凍(-20℃)，然后24小時冷凝(45℃)，然后在96小時期間(3小時UV-340nm，然后1小時噴霧)。一個周期持續(xù)1周，一直重復12周(2016h)。這個循環(huán)來自于同期進行的Arwood項目。

已經使用了模型Tg (t) = Tg0 + Tg1 (1-exp(-t/τ))。由于以下計算，實驗數(shù)據(jù)和計算數(shù)據(jù)之間的距離已經最小化:

則決定系數(shù)r計算如下:

給出了QUV(圖5)和輪轂(圖6)人工老化期間系統(tǒng)WB3的結果示例。

對于每個涂層系統(tǒng)，即使使用q-lab老化試驗箱QUV，在自然老化中獲得的Tg∞值也接近在人工老化中獲得的值。因此，這里使用的循環(huán)(來自Arwood項目)比之前的循環(huán)(5h UV-313nm+1h噴霧)更有趣，可以再現(xiàn)自然老化中發(fā)生的情況。

r2的值表明，該模型很適合所有的涂層，也許除了WB2。

經過一年的自然老化后，對樣品的檢查沒有發(fā)現(xiàn)任何缺陷。對其他涂層在自然老化2年后的類似研究表明，出現(xiàn)裂紋的涂層的Tg值高于30℃。因此，通過配制Tg值低于30℃的涂層，可以獲得更好的耐久性。

結論

通過測量玻璃轉化溫度(Tg)研究了不同涂層的自然和人工氣候老化。有人建議用一個模型來描述Tg的變化。這種型號似乎適用于大多數(shù)涂料。與自然老化相比，驗證不同的人工老化循環(huán)是有用的。已經顯示出Tg和耐久性之間的聯(lián)系。Tg值越低，耐久性越高。