环境条件对涂装材料的影响及试验评价方法

　　环境条件bookmark0环境条件对涂装材料的影响及试验评价方法梁星才，刘奎芳（广州电器科学研究所，广东广州510300）海洋、干热、高原、寒冷、工业腐蚀等各种大气环境条件对涂装材料及体系的影响，相应的人工加速试验方法及与自然大气暴露试验的相关性，并提出提高各类产品大气环境耐久性的措施与建议。

　　1概述涂装材料是各类产品必不可少的防护和装饰性材料，产品的档次越高（如高档汽车）或使用环境越恶劣（如工业腐蚀、海洋环境）对涂装材料和体系（以下简称涂层）的要求也越高。我国产品的涂装质量水平与工业先进国家相比较，无论在基本质量和不同环境下的耐久性均有较大的差距，如产品涂装材料的颜色选择和搭配，涂层的表面光泽和鲜映度不及国外同类产品，而对于涂装材料和体系适应各种环境条件的试验方法和产品的技术要求还不很完善。在我国加入WTO后，如何提高各类产品的涂装质量是提高产品国内外市场竞争力的重要环节，必须引起各方面的高度重视。影响产品涂装质量的环节很多，如前处理材料和工艺，底、面涂层的材料搭配选择和工艺等。本文主要叙述各类大气环境条件对涂层耐久性的影响及评价试验的方法和技术要求。

　　2大气环境条件对涂料和涂装体系的影响根据IEC标准（我国相应的国标GB4798）自然大气环境按温度/湿度分区，世界上陆地可分为9种气候区，在我国辽阔的国土上就有6种，即：湿热、亚湿热、暖湿、寒温（又分为寒温I和寒温）、寒冷和干热气候区。此外，世界上其他气候区尚有极干热、极寒和恒定湿热区。我国正在发展开发西部，在我国西部地区有特有的云贵和青藏高原（000m海拔占国土面积的33%正在建设中的青藏铁路，80%的路段海拔超过4000m）和塔克拉玛干沙漠。国家“十。五”很多重大工程项目如青藏铁路、沙漠油田开发、西气东输工程等均在此地区建设，对各类设备的涂装体系材料提出很多要求，也必须重视。而出口产品需经长途海洋运输，不少重大工程直接建在海边，有海洋大气的影响；而在冶金、矿山、造纸、石化等企业中存在局部腐蚀影响严重的工业腐蚀环境，上述两种条件对设备和涂装材料、体系均会造成严重的腐蚀影响。涂料属高分子材料，它受户外大气中的日光辐照、降雨、温度、湿度等环境因素的综合影响，易老化变质进而导致底金属锈蚀，各种环境对涂层的影响也不一致，以下就几种典型严酷环境的影响分别概述如下：2.1湿热和亚湿热环境对涂层的影响中国长江流域以南属亚湿热气候区，海南省、台湾南部、西沙和云南省西南端属湿热带气候区，湿热和亚湿热环境的特点是降雨量大、气温高，高温高湿同时出现且持续时间长，有凝露，且太阳辐照强度高、辐照总量也大，对涂装体系的综合因素的影响很显著，它易造成涂装体系老化（表现为失光、颜色显著变化和粉化）起层、起泡甚至脱落，一旦涂装体系变质底金属很快锈蚀。如经我所自然大气暴露试验，个别空调器外壳未采用耐候性粉末涂料，涂层经1年后严重失光、粉化，2年后，底金属严重锈蚀。有的因涂料和工艺选择不当，涂层产生开裂脱落现象。该区域是我国工业发展较快的地区，如有工业大气污染的影响，其涂层的变质则更显著，如我国长江流域某一大型水电站，因附近有磷肥矿，大气污染较严重，站内的铁塔需一年刷漆一次，湿热气候区由于太阳辐照强烈，它对涂层的影响甚于亚湿热区。

　　海洋环境对涂层的影响与湿热环境相比较，相对湿度更高，并加了盐雾因素，但必须说明盐雾粒子是由海风刮起海浪所形成，它有一定重量，故沉降较快，在距离海边约几百米以外影响就较小。盐雾对涂层材料本身不会有明显的影响，但一旦底金属开始有锈蚀，且涂层与底金属粘结性不好，则使底金属锈蚀的速度比湿热环境要快得多。对既暴露在空气中、又沉浸在海水中的部位的腐蚀*为严重，因为该部位既有充分的盐溶液，又充分吸收空气中的氧，以致形成了严重腐蚀的条件。

　　2.3干热及干热沙漠环境对涂层的影响干热及干热沙漠环境均具有强烈的太阳辐照强度，温度高、湿度低，我国新疆塔克拉玛干沙漠及吐鲁番、鄯善、哈密地区*高气温可达50 *C以上，地表温度超过70且温差大，*低温度达一25*C；由于相对湿度低，涂层和底金属的腐蚀影响不很显著，但涂层易老化。在沙漠环境中，由于风砂大，涂层的磨损情况较严重，如运输车和工程机械经过一段时间的运行后，它们的表面涂层会被磨掉。

　　2.4寒冷环境对涂层的影响寒冷环境对涂层的影响主要是因低温导致开裂，甚至严重脱落，海拉尔试验站*低气温可达一43*Q在该站试验的丙烯酸涂层样品经过一个寒冷季节后，曾出现严重开裂的情况，该站的试验测试设备在低温下运行，经过低温寒冷季节后，因表面有腻子，涂层与底金属附着力差，产生大面积剥落现象。

　　2.5高原环境对涂层的影响2219海洋?对、涂的影响1Cj醒alElectrnic份少h涂料的老化氧份也是因素之一，h经过bookmark2高原环境的气候特征是太阳辐照强度高，但湿度并不高，且因海拔高，空气中的氧七十年代为青藏铁路建设前期研究，在拉萨（海拔3600m）和九十年代机械工业专项攻关研究在云南昆明和大理苍山（海拔4300m）两次试验（并以广州或海南暴露试验对比）表明，对涂层老化和底金属腐蚀的影响，在一般高原地区并不比湿热环境严重，适应于湿热环境的涂层也可适应于一般高原环境。但按*近调查正在建设中青藏铁路的北部区域，即唐古拉山以北的青藏高原区域它的环境温度变化大，*低温度达一35且风沙大，对涂层的磨损也很严重，运输车辆的表面涂层也被“抛砂”过似的，低温的影响也必须考虑。

　　2.6工业腐蚀环境对涂层的影响工业腐蚀环境按腐蚀介质浓度，我国相应的机械和电工产品标准均分为强、中、轻三种严酷等级，不论户内、外的强腐蚀环境条件对涂层的影响很严重，曾出现过涂层损坏底金属严重锈蚀产品损坏事例，如未经严格防腐蚀处理的钢制电缆桥架经短短几年使用就塌陷，进口日本的中型高压电动机在某大型钢铁企业炼铁厂炉渣冷却区使用不到2年表面严重腐蚀，外风扇烂穿，需即用备品电动机，在强腐蚀环境条件下的涂层即使采用重防腐涂料或涂层较厚的粉末涂料，在产品的棱角处因涂层薄，很快会产生“边缘腐蚀”，底金属很快严重腐蚀，使涂层脱落，是必须引起高度重视的。

　　3涂层在各种环境条件下耐久性评价试验方法和技术要求3.1自然大气暴露试验自然（或实际）使用环境的大气暴露试验能真实反映各种环境条件对材料和产品的影响，国外对于典型环境的大气暴露也十分重建有世界*大的湿热气候暴露试验场和在亚利桑那洲凤凰城建有干热气候暴露试验场，并在世界上典型气候区设有不同规模试验点。日本的铫子试验场是“日本气候试验中心”，它得到通产省的资助和日本国有铁路、钢铁、汽车、涂料等各行业协会的支持，规模也较大，并在北海道和冲绳设有试验点。自然大气暴露试验有多种方法，如直接一定角度暴露、玻璃箱下暴露（模拟一定的户内、车内条件）、玻璃黑箱（模拟汽车底部条件）、跟踪太阳和跟踪太阳聚光反射自然加速条件等方法和条件，ASTM和ISO均有相应的标准。我国机械工业环机境技术研究中心在原机械工业部和科学技术部的支持下，己建有湿热（海南琼海）、亚湿热（广州、武汉）高原（昆明、大理苍山、西宁、五道梁，海拔1900m~4630m）寒冷（海拉尔）各种典型气候的试验场和典型的工业腐蚀环境试验点，（其环境条件见机械工业环境技术研究中心“简介”）。就全国来说，尚有海洋大气暴露（青岛、海南万宁）场，和正在筹建干热和干热沙漠试验场。但就规模、试验条件和样品数量比较，与上述美、日两国的试验场有较大的差距。自然大气暴露试验是研究环境条件对材料或产品作用机理和制订人工气候加速试验的根本依据，它不是全人工气候加速试验所能取代的，如涂装件的“边缘腐蚀”效应在人工加速试验条件下，因试验周期短，基本上未出现，但在湿热、亚湿热尤其是强工业腐蚀环境下，此种效应很显著，为了更好的确切的评价产品和涂层在各种环境条件下的耐久性，此方面的试验工作还是要重视的。

　　3.2人工气候加速试验方法及技术要求自然大气暴露试验虽可真实反映环境条视。美腿集团在佛里（达洲醒：件对材料和产品的影但它的试验周期太w长，不可能在材料和产品的技术要求中加以规定，必须采用人工气候加速试验方法，而此方法应该尽量模拟和加速自然大气暴露试验的作用机理，不应选择过高的试验参数而歪曲作用机理，为与国际接轨，此类试验方法我国尽量采用相应的国际标准，但目前看来，基本的试验方法标准尚有待于补充完善，尤其是要落实到具体产品中，尚需进行大量工作。以下就涂层的人工气候加速试验方法概述如下：3.2.1湿热试验定湿热试验）和GB2423.4（Db交变湿热试验），模拟湿热带条件，此方法一般宜采用高温高湿40*C的条件，由于交变湿热试验方法具有水蒸气的扩散、水份吸附和渗透，与自然潮湿季节有较好的模拟性，此方法在热带电工产品标准的试验中得到较广泛的应用，并经长期实践验证，效果良好。

　　温度40C15C交变，相对湿度93% *3%试验周期为12周期（24h为一周期）试验后对涂层的检验项目：a.有无起泡；b.附着力c.光泽与色差的变化。起泡和附着力的分级评定标准，在JB/T8595*1997《机械产品表面防护层质量分等分级》中有规定，附着力试验采用专用刀具，按涂层厚度选择刀刃间距1mm或2mm，此项目也可对涂装体系中的前处理工艺和底面涂层选择是否良好进行考核。

　　3.2.2盐雾试验18（Kb交变盐雾试验方法碟期使甩而Kb方法是由件和Ca组合（有多种组合条件），此方法由于加了湿度条件，可以较好的模拟海洋环境条件，国军标（参照MIL? 810标准）也有类似标准。Ka的试验条件为：35*C*2*C盐溶由Ka和Ca条件组合，试验周期可为96h~240h；而检查的项目一般为外观指标（光泽和色差）及底金属有否锈蚀和程度。国外为对涂层的盐雾试验有试板上划痕的要求，两条交叉角为60*划痕线应划透涂层至底板，盐雾试验试验后检查划痕线两边底材腐蚀的宽度并分为几种等级进行评定（我国G/T1771?91，仅提及刻痕的项目，但未规定分级标准），此种试验对涂层的盐雾试验考核更为严格，判据也更明确是值得重视和应用的，对于海洋环境使用的产品采用Kb试验方法，其模拟性和效果也会更好。

　　3.2.3太阳辐照试验太阳辐照是使户外环境使用的产品的涂层产生老化变质的主要环境因素，因此涂层的太阳辐照试验是各类户外环境用的产品必须考虑和进行的试验，其试验方法目前普遍应用的主要有氙灯/淋水和紫外线/冷凝两种氙灯/淋水试验，我国采用ISO相应标准，试验条件为黑板温度63C*3C相对湿度65%*5%，喷水周期18min/102min（喷水/不喷水，也有其他参数可选择），光照能量550W/m2；此方法灯源模拟全日光，模拟性较好；用紫外灯作光源A有两种不同的波长p2职2.94低温试验inaAcademicJournalElectronicI准bl它的试验条件是：i涂悬样品经i8h正常一V?A）高分子材料在户外大气下的老化，受紫外线的影响*显著，此方法是强化了紫外线的因素，此方法*早由美国ASTM提出，现ISO也有相应标准，Q*U*V试验：一般为光照60°C（黑板温度）8h；冷凝50 4h，用UV*B光源，也可采用其他温度和各4h的光照/冷凝试验条件。

　　两种试验方法相比较，前者模拟性好，作材料和产品定型试验时采用，但设备价格和维护使用费用均较高；而后者对材料的耐候性也能明显鉴别，而设备价格和维护使用费用均较低，宜用作质量抽查和研究开发材料时使用。

　　按上述两种方法的试验周期一般为：粉末涂料240h；油漆涂层一般需试验5⑴h?1000h，油漆涂层与粉末涂料相比较需较长的试验周期，可能是它的涂层致密性较好的原因。

　　测试条件一般把试验样品从试验箱中取出，在标准大气条件下（15*C~35°Q45%~ 75%）放置一段时间后测试性能。涂层检测项目主要测量表面光泽、色差和粉化，与原始值相比较，一般要求试验后光泽保持率应大于50%，色差小于等于6.0，即2级以下（包1995《色漆和清漆涂层老化的评级方法〉>），不同的产品可考虑不同的指标要求，如高档汽车老化试验后的光泽和色差指标显然应该比较高。

　　上述两种方法的试验条件对于湿热和海洋环境是合适的，对于湿度低的干热和高原环境，淋水和冷凝条件是否需作调整，正在研究中。

　　验方法中温度渐变的方法进行，按我国的自然环境条件，一40°C的低温条件己可适应我国绝大部分地区使用，涂层试验也可采用此条件，样品放入低温试验箱中达到稳定温度后需保持至少4h ~6h，取出后在标准大气条件下（15*C~35*C，45%~75%）放置一段时间后，检查涂层有否开裂或脱落。涂层以材料样板进行试验，也可采用更严酷的试验条件，如我国与美国合作生产的大型百吨电动矿用车。对涂层材料样板，要求进行一60C的低温试验。

　　3.2.5化学气体腐蚀试验我国防腐电工产品防腐蚀试验采用GB2423.33Kca高浓度二氧化硫腐蚀气体的试验方法，该标准制订参照了德国DIN50018，它的温湿度条件类似于Db交变湿热条件，高温高湿40*C*2*C>95%，12h；低温阶28*C二氧化硫气体浓度为17.5mg/L（也有条件），在高温高湿阶段通气，低温阶段排气，它也适合于涂层试验，对强腐蚀环境进行10周期试验；中等腐蚀环境进行2周期试验；考核检验的项目主要为检查涂层有无气泡、底金属有无锈蚀、颜色有无明显的变化，此试验在各类防腐产品中应用多年，效果良好。

　　3.2.6砂尘及喷砂试验产品的喷砂试验己有相应的国军标150.12），所需要的试验设备较昂贵。对涂层耐砂磨损的试验，美国和德国均有相应的标准。德国汽车工业联合会有检验规范621*碎石碰撞冲击试验“，用作汽车铝合金轮毂涂层的评价试验，我国现今尚无相应的标化处理后，在专用的碎石碰撞冲击试验仪中进行，用直径4mm5mm金钢砂，每500g1500粒*200粒；试验时压缩空气的压力调整到500kPa；在不少於5s的时间内喷砂500g.试验后将试样与参照的图片对照确定等级范围，共分0~5六个等级。此方法对于风沙大的干热沙漠和青藏高原北部地区户外使用产品的涂层考核评价也可引用。

　　涂层的环境试验方法尚有长霉、耐汽油和溶剂等试验方法，应用面较小，在此不再赘述。

　　4人工气候加速试验与自然大气暴露试验的相关性前面己提到自然大气暴露试验的重要性，它与人工气候加速试验是相辅相成的，而研究两者的相关性也是国内外长期关注的换关系是不可能的。在一定的材料和产品范围内，求取一定的实用意义的变换关系是必要的也是可能的“的观点。就涂层而言，求取两者试验的变换关系也是必要和可能的，但也不可能有简单的变换关系。不同的参数或指标值在相同的试验条件下，它们的变换关系也不一致。有关研究工作尚在进行中，尚待深入，这里仅提出初步意见供商榷。

　　4.1湿热试验的变换关系验，经研究它相当于我国典型湿热环境下出现的*严酷的条件，在我国热带电工产品的标准和生产中己实施多年经多次赴国外热带地区考察表明：通过上述试验的产品，在长期使用中，涂层的质量良好；4.2化工腐蚀气体试验的变换关系步积累的，上述提到的高浓度氧化硫气体试验方法在我国防腐蚀电工产品和电缆桥架的标准和生产中己贯彻执行有10余年的历史，由使用实践证明：在典型强腐蚀环境使用的产品，通过10周期试验的产品并保证在产品中涂层边缘复盖性好，能保证产品经5~8年使用，产品涂层的防护性能仍良好。

　　4.3太阳辐照试验的变换关系对涂层的太阳辐照试验两种试验的变换关系是近几年才开展系统试验研究，有关工作仍进行中，下面将近三年组织的32种涂层试验样品（包括进口聚酯粉末类和环氧类涂层，油漆类涂层则有汽车、摩托车表面漆、重防护油漆、装饰性涂料、塑料表面喷涂等，并有多种工艺组合）在广州和海南（加积）的大气暴露和人工加速光老化试验的结果概要说明如下：a耐户外气候性差的涂料，如：普通环氧树脂类涂料，在上述两种人工加速试验条件下，性能很快就下降，往往经96h己能明显鉴别。

　　耐户外气候性能较好的涂层无论经长期大气暴露和人工加速试验，在较长的周期中均能保持良好的性能。20多种汽车表面漆及进口聚酯粉末涂料，经人工氙灯和Q一U*V试验20d后保光率均大于80%（H为77%）属于轻微失光和很轻微失光范围；它们在广州和海南大气暴露三年保光率仍大于50%. 1工业腐蚀环境较复杂fen腐蚀的程度是逐。Me1境大气暴露的相关性的对比结果ed以几种典vww.bookmark6耐户外气候性能一般的涂料（此类涂层是指具一定的耐户外气候性，经大气暴露和人工加速试验一定周期后性能逐步下降到合格值指标的品种，约有13个品种），己初步求得人工气候加速试验和湿热、亚湿热环型涂层的试验结果分析统计，海南站要比广州站快1.8倍，QUV试验比氙灯试验快1.2倍，氙灯试验比广州大气暴露快13倍（见表。如按以上的统计，广州大气暴露试验一年相当于海南大气暴露试验7个月，而氙灯试验28dQUV试验只要23d.这仅是初步结果，如按色差统计分析，其对比结果也会有差异。

　　对涂层耐户外气候性能的影响，湿热环境（海南）要大于亚湿热（广州）详见表2.以上试验结果说明，两种加速试验对涂层的耐户外气候性能的评价具有良好的鉴别性，而且与湿热、亚湿热环境大气暴露试验有较好的相关性。

　　表14种涂层样板保光率到达50%的时间（天）样板代号海南站广州站氙灯试验QUV试验平均表2大气暴露三年后广州和海南两个暴露点保光率和色差不合格数暴露地点保光率<50%品种（个）不合格率（％）品种（个）不合格率（％）广州海南（加积）5结语及讨论意见提高各类产品的涂装质量是提高产品防护和外观质量、强产品国内外市场竞争力的重要环节，必须引起各方面的高度重视；提高各类产品的涂装质量尤其是耐久性必须充分考虑各种使用环境条件对涂层的影响，应制订相应的标准并落实在产品的技术要求中，并采取相应的材料和工艺措施，才能达到良好的效果；大气暴露和人工气候加速试验是相辅相成的，必须予以充分重视，并应努力探求两类试验的相关性，使人工气候加速试验的标准不断完善和更加有效；氙灯和紫外灯人工加速试验对涂层的耐户候性能的评价具有良好的鉴别性，而且它们与湿热、亚湿热环境大气暴露试验有较好的相关性，各类户外产品涂层的评价试验应予以积极采用，而其相应的技术指标可按产品特点、使用环境条件确定；在湿热、海洋、工业腐蚀环境中使用的产品，其边角腐蚀效应对产品涂层的耐久性有显著的影响，应引起足够的重视，采取措施解决。

　　机械工业环境技术中心对各类产品和涂层的环境耐久性评价具有各种大气暴露和人工气候加速试验的良好资源条件，可为各方提供试验评价、防护技术等各方面的服务，欢迎联系合作。

(完)