低气压环境综合加速试验技术在聚氨酯 涂层快速评价中的应用

向江涛，杨小奎，杨晓然，李迪凡，张世艳，吴帅,2

（1.西南技术工程研究所，重庆 400039； 2.西藏拉萨大气环境材料腐蚀国家野外科学观测研究站，拉萨 850100）

低气压环境综合加速试验是一种新的环境模拟试验技术，是模拟低气压自然环境中的太阳辐射、气压、温度、湿度和风速等条件[1-3]的试验箱及其相应的低气压自然环境模拟加速试验方法。模拟低气压环境的试验方法是采用低温—低压—高湿度的方法[4]，但这种方法没有综合太阳辐射和风速等重要环境因素，导致试验数据与低气压自然环境试验数据的相关性较差。

随着科技的不断进步，新材料、新工艺不断应用于各种产品中。这些新材料、新工艺在应用到低气压环境地区之前，必须对其低气压环境适应性进行系统的考核和筛选，从而使产品在低气压环境中的故障和损伤降到最低[5-9]。新材料、新工艺的筛选可以采用低气压自然环境方法和实验室环境试验方法，为了加快速度和效率，一般采用实验室环境试验方法[10-13]。充分考虑和再现低气压环境下的多因素综合气候环境试验技术，可以进一步提高筛选的正确率和速率[14-15]。因此，在产品环境适应性试验中推广低气压环境综合加速试验技术，能更好地满足材料和防护工艺筛选的需求。文中选择汽车、飞机常用的聚氨酯类涂层为试验对象，检测其颜色、光泽度在试验前后的变化，验证低气压环境综合加速试验技术的模拟性和加速性[16-17]。

1 试验

1.1 材料与试样

样品基材为150 mm×75 mm×1 mm的阳极氧化铝合金板。铝合金板表面喷涂淡驼灰色的改性聚氨酯涂层，喷涂厚度为120 μm。设置3件平行样品。试验前检测样品的颜色值、60°镜面光泽度值、傅里叶红外光谱，以便对比试验后涂层的变化情况。

1.2 试验条件

在拉萨开展户外暴露试验，按照GB/T 9276‒ 1996《涂层自然气候曝露试验方法》[18]、WJ 2155‒ 1993《兵器产品自然环境方法大气暴露试验》[19]的要求进行试验。户外朝南45°，无背板暴露，试验时间为12个月。

低气压环境综合加速试验采用“多因素综合高原高寒气候环境模拟加速试验箱”，设备利用试验箱内的温度、湿度、气压和辐照度传感器等将箱体内环境参数值传输给PLC，并与程序设定值进行比较，进一步控制各电气系统的工作，最终实现光照、气压、温度、湿度和风等因素同时作用。试验条件综合考虑了模拟性和加速性，主要试验条件是根据我国高原高寒地区实测试验样品的表面极值设定，如设计最高温、最低温和最大温差等。另外，由于高原地区的紫外辐射比例高于其它地区，且紫外辐射一般在聚氨酯涂层的光化学老化中起主要作用，因此，在光辐射条件中增加了紫外辐射。试验谱如图1所示。试验进行360周期，每周期4 h，总共60 d。

图1 低气压环境综合加速试验谱 Fig.1 Comprehensive accelerated test spectrum in low pressure environment

试验过程中，在每个检测周期检测改性聚氨酯涂层的颜色值和60°镜面光泽度值；试验结束后，测试改性聚氨酯涂层的傅里叶红外光谱。

2 结果与讨论

2.1 傅里叶红外检测

试验结束后，改性聚氨酯的傅里叶红外光谱变化如图2所示。由原始红外光谱可以看出，1728 cm−1、1519 cm−1、1455 cm−1附近峰为特征吸收峰；低气压环境综合加速试验后，涂层特征峰1728 cm−1和1519 cm−1的强度下降甚至消失，这与低气压自然环境后特征峰的变化规律基本一致。

图2 改性聚氨酯涂层两种环境试验后的红外光谱 Fig.2 Infrared spectra of modified polyurethane coating after two environmental tests

2.2 涂层颜色检测

按GB/T 11186.2—1989《涂膜颜色的测量方法 第二部分 颜色测量》[20]测量改性聚氨酯涂层的颜色，按GB/T 11186.3—1989《涂膜颜色的测量方法 第三部分 色差计算》[21]计算改性聚氨酯涂层的色差，色差计算公式见式（1）。

式中：ΔL*为试验后L值与原始L值的差值；Δa*为试验后a值与原始a值的差值；Δb*为试验后b值与原始b值的差值。

色差数据见表1，色差变化规律如图3所示。可以看出两种试验环境中，改性聚氨酯涂层的颜色变化规律基本相同。

表1 改性聚氨酯涂层两种环境试验后色差 Tab.1 Color difference of modified polyurethane coating after two kinds of environmental test

图3 改性聚氨酯涂层两种环境试验后色差变化规律 Fig.3 Changing rule of Color difference of modified polyurethane coating after two kinds of environmental test: a) low pressure natural environment test; b) comprehensive acceleration test in low pressure environment

2.3 镜面光泽检测

按GB/T 9754—2007《色漆和清漆 不含金属颜料的色漆漆膜的20°、60°和85°镜面光泽的测定》[22]测定60°镜面光泽。按GB/T 9754—2007《色漆和清漆 涂层老化的评级方法》[23]计算改性聚氨酯涂层的失光率，数据见表2，失光率变化规律如图4所示。可以看出低气压自然环境中，改性聚氨酯涂层在试验前期，光泽度下降较大，随后光泽度增加，这是该涂层后固化造成的。在低气压综合环境试验中，该涂层在试验前期，光泽度下降较大，随后光泽度下降变缓，这也是该涂层后固化造成的。

表2 改性聚氨酯涂层两种环境试验后失光率 Tab.2 gloss Los rate of modified polyurethane coat after two kinds of test

图4 改性聚氨酯涂层经两种试验后失光率变化规律 Fig.4 Changing rule of gloss loss rate of modified polyurethane coat after two kinds of test: a) low pressure natural environment test; b) comprehensive acceleration test in low pressure environment

2.4 低气压环境综合加速试验加速性

低气压环境综合加速试验采用加速转换因子（ASF）法[24]评估加速性。文中以改性聚氨酯涂层的色差变化为例计算加速倍率。分别对改性聚氨酯涂层低气压自然环境试验和低气压环境综合加速试验后的色差数据进行拟合，以试验时间为横坐标，色差为纵坐标，结果见式（2）、式（3）。

式中：y户外为低气压自然环境试验的色差；y加速为低气压环境综合加速试验的色差；t1为低气压自然环境试验时间，d；t为低气压环境综合加速试验时间，d。

根据式（2）、式（3），计算两种试验达到相同色差的时间。为便于比较，将两种试验时间均换算成天数，试验时间见表3。

表3 两试验方法中改性聚氨酯涂层达到相同色差的时间 Tab.3 Time for modified polyurethane coating to achieve the same color difference in two test method

以低气压环境综合加速试验时间t为横坐标，以达到相同色差时低气压自然环境试验和低气压环境综合加速试验时间的比值t1/t为纵坐标，作ASF随时间变化的曲线图，并进行回归分析，如图5所示。

图5 改性聚氨酯涂层色差ASF随时间变化曲线 Fig.5 Change curve of color difference ASF of modified polyurethane coating with times

图5的回归方程为：

式中：ASF户外-加速为色差加速倍率；t为低气压环境综合加速试验时间，d；R2为相关系数。

由计算结果可知，改性聚氨酯涂层的色差加速倍率不是固定的，加速倍率随时间的延长逐渐减小。改性聚氨酯涂层样品按加速转换因子（ASF）法计算的低气压环境综合加速试验相对于低气压自然环境试验的加速性计算结果见表4。

表4 改性聚氨酯涂层低气压环境综合加速试验的加速性结果 Tab.4 Acceleration property of modified polyurethane coating in low pressure environment

3 结论

1）改性聚氨酯涂层在低气压环境综合加速试验中的老化机理与低气压自然环境中的老化机理基本相同。

2）改性聚氨酯涂层在低气压环境综合加速试验中的涂层色差、光泽度变化规律与低气压自然环境中的变化规律基本相同。

3）在数据变化规律相同的基础上，改性聚氨酯涂层在低气压环境综合加速试验中的老化加速倍率随时间变化，最高为24倍，最低为10倍。

4）低气压环境综合加速试验技术具有很好的模拟性和加速性，适用于快速评价聚氨酯涂层在低气压环境下的适应性。