使用QUV/spray材料老化測試儀對木材涂層進行耐候老化測試

老化測試背景

QUV/spray材料老化測試儀對木材涂層進行加速老化，通過模擬外部涂層木材的典型侵蝕和清潔，將木材的含水量提高到加速試驗程序中的典型含水量以上，并使涂層經(jīng)受比冷凝方法大得多的熱沖擊，從而非常接近自然老化。本文研究了在這種QUV試驗方法下各種外墻木器涂料的性能。

介紹

用于室外木制品如外墻板、甲板和門的涂料需要獨特的性能，如優(yōu)異的光穩(wěn)定性、高柔韌性和凍/融循環(huán)性能。開發(fā)了新的水性(WB)紫外光固化無共溶劑聚氨酯分散體(PUD ),以提供優(yōu)異的室外耐候性、高柔韌性、增強的耐水性以及對木材和塑料等困難基材的改善的粘合性。本文將描述WB UV PUD的獨特固化能力、屬性和性能，以及使用QUV/spray材料老化測試儀模擬室外木器涂料的室外老化的老化結(jié)果。

輻射固化分散體

在過去十年中，各種各樣的產(chǎn)品已經(jīng)在木材涂料市場上商業(yè)化。這些系統(tǒng)中最有前途的環(huán)保技術(shù)是水性紫外光固化PUD。UV-PUD的化學(xué)結(jié)構(gòu)非常類似于由硬鏈段和軟鏈段組成的常規(guī)PUD的化學(xué)結(jié)構(gòu)。每個部分的設(shè)計都有廣泛的原材料可供選擇，從而優(yōu)化了各種各樣的性能。在大多數(shù)情況下，高性能軟鏈段有助于一定的柔韌性，而二(聚)異氰酸酯和短鏈二醇有助于硬度和電阻。已經(jīng)報道了幾種引入丙烯酸雙鍵的途徑。根據(jù)我們的經(jīng)驗，較好的聚合物性能可以通過沿著聚氨酯鏈引入雙鍵來獲得，而不是將丙烯酸單元僅連接到鏈的末端，或者將聚氨酯與丙烯酸單體或低聚物物理共混。丙烯酸單體/低聚物的使用可能帶來額外的工業(yè)衛(wèi)生問題和穩(wěn)定性問題。

以PUD為基礎(chǔ)的涂料在木器涂料市場展現(xiàn)出很好的增長機會。這種涂料的關(guān)鍵特性是其與傳統(tǒng)聚氨酯涂料的相似性，即施工方法、干燥時間和性能屬性。

重均分子量高于200000的紫外光固化水分散體；這比由不飽和丙烯酸酯和反應(yīng)性稀釋劑組成的傳統(tǒng)的100%固體UV體系高許多倍，這是一個非常顯著的優(yōu)點。這就是為什么水性體系需要更少的自由基交聯(lián)來獲得所需的性能。這一特性為各種傳統(tǒng)和獨特的固化方法提供了可能性。這些高分子量聚合物還減少了與傳統(tǒng)低分子量丙烯酸低聚物相關(guān)的皮膚刺激危險。

紫外線固化

在光引發(fā)劑的存在下，紫外輻射引發(fā)涂料固化。它可以通過自由基或陽離子機制。許多供應(yīng)商提供多種型號和類型的紫外線固化設(shè)備。通常，固化系統(tǒng)由高壓電源、控制面板和固化頭組成。在UV固化中通常使用兩種類型的燈，即常規(guī)弧光燈和微波燈。燈的光譜輸出可以通過用各種微量金屬摻雜燈來調(diào)節(jié)。每盞燈都有以納米波長測量的特定輸出。配方師面臨的挑戰(zhàn)是將光引發(fā)劑的吸收與燈的光譜輸出相匹配，以固化涂層，尤其是在高填充/著色系統(tǒng)中。期望的結(jié)果是可以滿足幾個市場標(biāo)準(zhǔn)的高度交聯(lián)的膜。此外，UV涂料是環(huán)保的——大多數(shù)系統(tǒng)通常不含溶劑，因此排放物(VOC/VHAP)和可燃性不是問題。

用于外墻涂料的水性紫外光固化聚氨酯

可UV固化的PUD可以滿足外墻涂料的苛刻性能要求。這些新材料由高端脂肪族二(聚)異氰酸酯和精選多元醇組成，具有堅韌的彈性。表1顯示了可紫外線固化的PUD的典型性能:

表2顯示了當(dāng)配制基于可紫外線固化的PUD的透明涂料時可獲得的性能范圍:

基于UV可固化PUD的配方易于修改以滿足各種應(yīng)用方法，例如刷涂、常規(guī)噴涂、無氣噴涂、真空涂布和輥涂。傳統(tǒng)的水性添加劑可用于改善表面潤濕、消泡、抗粘連和表面外觀性能。與傳統(tǒng)的UV固化涂料相比，UV固化PUD的低光引發(fā)劑需求提高了成本效率。標(biāo)準(zhǔn)的紫外線吸收劑和光穩(wěn)定劑可以加入到配方中，以改善室外耐久性和光澤保持性。加入丙烯酸乳液可以提高性價比，增強特定的性能要求。

耐候木制品涂料

術(shù)語“木制品”用于定義建筑行業(yè)的各種制造部件。這些組件用于室內(nèi)和室外應(yīng)用，如窗戶，門和成型。根據(jù)其最終用途，內(nèi)外墻涂料可能有完全不同的性能要求。

例如，一些高端窗戶制造商提供10年的外窗耐久性保修。所用的面漆通常是非常高性能的涂料，因為它們需要非常高的耐候性、保光性和柔韌性。使用雙組分(2K)聚氨酯是因為它們的高性能。

環(huán)境法規(guī)在不斷變化，以減少工廠排放和配方涂料中的VOC。這些命令可以在聯(lián)邦、州甚至地方一級強制執(zhí)行。例如，南海岸空氣質(zhì)量管理區(qū)(SCAQMD)針對透明和有色封閉漆、面漆和底漆制定了1136規(guī)則。揮發(fā)性有機化合物的限量將降至250克/升。下表說明了幾個組織方案:

木制品制造商要求他們的涂料供應(yīng)商提供低VOC、高生產(chǎn)率和高性能的涂料?；赨V-PUD的木器涂料的配方可以低于150克/升，并提供優(yōu)異的應(yīng)用和性能。

陽光固化涂料

UV涂料主要用于OEM工廠，這些工廠需要非?？斓纳a(chǎn)速度和優(yōu)秀的性能。最近已經(jīng)進行了工作來開發(fā)可以通過自然陽光進行紫外線固化的WB紫外線涂料配方。這項技術(shù)正在探索在DIY室外木器涂料市場的潛在應(yīng)用。除了木器涂料，這項技術(shù)也適用于其他市場領(lǐng)域，如室外混凝土涂料。

太陽發(fā)出UVA、UVB和UVC波段的紫外線輻射，但由于大氣層臭氧層的吸收，到達地球表面的紫外線輻射中有98.7%是UVA。由于UV PUD的高分子量，有可能配制出既能物理干燥又能在來自太陽的直接UVA輻射下光聚合的涂料。這是通過將WB UV PUD與選擇的光引發(fā)劑結(jié)合使用來實現(xiàn)的，所述光引發(fā)劑在315 - 400 nm的UVA范圍內(nèi)具有明顯的吸收峰。

陽光固化涂料肯定有其局限性，特別是需要陽光直射來光聚合涂膜?；谫e夕法尼亞州匹茲堡多云條件下進行的發(fā)育篩查。發(fā)展表面硬度所需的陽光直射量低得驚人。

利用各種固化方法進行實驗以評估表面硬度和穿透硬度特性。制備一種配方，該配方由可紫外固化的PUD、熱塑性PUD、光引發(fā)劑和水基配方中使用的典型表面活性劑和消泡劑組成。制劑的固體體積為約24%固體，VOC小于1磅。/gal。將液體涂料以8密耳的濕度施涂到玻璃板上，形成1.5-2.0密耳的干燥厚度(約37微米)。對幾塊玻璃板進行涂覆，以評估如下各種固化方法:

1.發(fā)射UVA、UVB和UVC的高強度燈(汞燈)

2.僅發(fā)射UVA的低強度燈(4分鐘曝光時間)

3.賓夕法尼亞州匹茲堡的陽光直射。(水平曝光)

4.黑暗的房間——沒有燈光

圖2顯示了使用擺式硬度計的涂膜表面硬度特性。令人驚訝的是，對于各種UV固化方法，包括陽光固化，在1天、3天和5天時，表面硬度非常相似。暗室面板顯示了無紫外線照射對硬度的顯著影響。陽光固化板在5天后硬度繼續(xù)顯著增加，而其他紫外線固化方法的硬度增加非常輕微。

還進行顯微硬度測試以測量涂膜的完全固化性能。使用金剛石壓頭穿透薄膜1.5微米深度，以測量穿透硬度。圖3中的結(jié)果顯示了基于所用固化方法類型的適度不同的硬度值。陽光固化膜在最初和7天時具有較低的穿透硬度性能。然而，如圖2和圖3所示，直射陽光膜的表面硬度和穿透硬度隨著時間的推移不斷增加。

除了硬度性能之外，還評估了耐溶劑性，結(jié)果顯示各種UV固化方法的性能非常相似。與UV固化膜相比，放置在暗室中的膜顯示出顯著較低的耐溶劑性。

QUV/spray材料老化測試儀

1996年，一項名為“Arwood”(一種可靠的木材涂層人工老化測試)的廣泛的歐洲木材項目獲得批準(zhǔn)，以開發(fā)一種用于木材涂層的標(biāo)準(zhǔn)人工老化方法。該項目涉及十個木材研究所和四個工業(yè)伙伴。該項目的主要目的是在短時間內(nèi)評估室外木器涂料的耐久性，并證明其與自然老化的良好相關(guān)性。

在用不同的涂層系統(tǒng)、木材基材和人工老化條件進行了多次循環(huán)暴露試驗后，確定了一種標(biāo)準(zhǔn)方法。該研究項目的結(jié)果導(dǎo)致以下結(jié)論。

UVA-340熒光紫外燈非常適合模擬陽光的降解效應(yīng)

必須包括冷凝和噴水，以模擬老化過程中水分的不同方面

根據(jù)“Arwood”項目的結(jié)論，選擇了帶熒光UVA燈的QUV/spray材料老化測試儀來評估各種木材涂料配方。該裝置通過模擬外部涂層木材的典型侵蝕和清潔，將木材的含水量增加到加速試驗程序中通常發(fā)現(xiàn)的含水量以上，并使涂層經(jīng)受比冷凝方法大得多的熱沖擊，從而非常接近自然老化。

QUV/spray材料老化測試儀冷凝系統(tǒng)的一個重要特征是，面板實際上形成了試驗箱的側(cè)壁，并提供了將熱水蒸汽保持在試驗箱內(nèi)的封閉。在冷凝循環(huán)期間，水由水盤下面的加熱元件加熱。水蒸氣充滿試驗箱，平衡時達到100%的濕度。水蒸氣不斷凝結(jié)在測試板上，測試板通過木質(zhì)基材背面的室內(nèi)空氣保持在較低的溫度。冷凝水從測試板上流出，并流回水盤中。

噴水主要用于清除表面的降解物質(zhì)，并產(chǎn)生頻繁的冷沖擊。噴水也模擬外部涂層木材典型的腐蝕和清潔。噴霧和/或冷凝的任何組合都可以編程。噴淋系統(tǒng)由12個噴嘴(每側(cè)6個)和相關(guān)管道、控制裝置和排水管組成。噴嘴安裝在紫外線燈之間。當(dāng)QUV噴淋時，燈是關(guān)著的。QUV/spray材料老化測試儀的設(shè)計如圖4所示。

選擇UVA-340燈泡是因為它們的紫外線波長與直射陽光相似。UVA-340燈的光譜輸出如圖5所示。

老化研究的方法、規(guī)格和持續(xù)時間如下:

QUV/spray材料老化測試儀- ASTM G-154-06，測試7，測試詳情如下：

總持續(xù)時間為2000小時

燈泡類型:UVA–340燈泡

輻照度:1.55

條件:

（1）60°C下進行8小時紫外線照射

（2）進行0.25小時噴水，無照明，無溫度控制，噴淋過程中7升/分鐘的水

（3）50°C下進行3.75小時冷凝

陽光固化涂料配方

設(shè)計并實施了一個項目來評估各種日光固化WB UV木器涂料的耐候性。主要目的是使用為室外木器涂料設(shè)計的QUV/spray材料老化測試儀測試涂料性能。為了評估紫外線吸收劑(UV-A)、受阻胺光清除劑(HAL)和/或粘合劑的效果，進行了幾種配方變化。

測試板由用商業(yè)木材防腐劑預(yù)處理的3″×12″松木基材組成。測試前，用刷子涂覆涂層，并讓其在陽光直射下固化至少7天。測試涂料僅由透明配方組成，對UVA、HAL和粘合劑進行了改變。還測試了商業(yè)白色染色劑的一些混合和覆蓋涂層。對每種制劑評價了下列包衣系統(tǒng):

1.三層透明自封

2.一層商業(yè)白色著色劑，然后是兩層透明著色劑

3.兩層商業(yè)白色著色劑，外加25%的透明涂層

表4給出了測試的UV固化透明涂層系統(tǒng)的概述。

老化測試結(jié)果

每隔500小時對5個涂層系統(tǒng)進行評估。表5顯示了直接在松木基材上的透明涂層的60%光澤保持率。如表5所示，各種涂層的保光性差別很大。沒有任何UV-A或HAL的對照系統(tǒng)(A)顯示出最差的光澤保持性能。涂料體系B和D表現(xiàn)出中等的保光性能?；赨V PUD和選擇的UVA和HAL的涂料體系C和E表現(xiàn)出優(yōu)異的保光性能。

除了保光性能之外，還評價了涂層的一般外觀性能。這些評估包括顏色、涂層開裂、滲色、基底開裂和發(fā)黃。這些性質(zhì)以視覺標(biāo)度從0(無變化)到5(嚴(yán)重變化或影響)進行評級。表6顯示了一般外觀效果的結(jié)果。第六列是指定等級的總和，較低的數(shù)字表示性能較好的系統(tǒng)。基于視覺缺陷，涂層系統(tǒng)B、C和E提供了較佳的總體性能。

如暴露2000小時后的δE結(jié)果所示，系統(tǒng)B、C和E提供了優(yōu)異的不泛黃性能。將透明涂層涂覆在白色污漬上，以評價透明涂層而不是木材基材的實際泛黃。系統(tǒng)A和D表現(xiàn)出最差的總體性能，尤其是如第4欄所示的較差的滲透性能。

應(yīng)該注意的是，第5欄中的木材開裂等級僅基于木材基材，可能不是實際涂層的一個因素。一套復(fù)制的面板被送到佛羅里達州，以評估為期2年的自然老化?？冃ЫY(jié)果將每3個月評估和報告一次。

結(jié)論

1.UV固化水分散體具有非常高的分子量，能夠在沒有UV的情況下實現(xiàn)成膜性能，并且需要少得多的自由基交聯(lián)來獲得期望的性能。這一特性為包括陽光養(yǎng)護在內(nèi)的各種傳統(tǒng)和獨特的養(yǎng)護方法提供了可能性。

2.新型水性UV固化無共溶劑PUD提供了優(yōu)異的室外耐候性、高柔韌性以及對木材和塑料等困難基材的改進粘合性。透明和有色涂層都是可能的。

3.基于UV可固化PUD的配方易于修改以滿足各種應(yīng)用方法，例如常規(guī)噴涂、無氣噴涂、真空涂布和輥涂。傳統(tǒng)的水性添加劑可用于改善表面潤濕、消泡、抗粘連和表面外觀性能。

4.基于加速老化測試，明確推薦加入紫外線吸收劑和光穩(wěn)定劑。不同類型的紫外線吸收劑和/或光穩(wěn)定劑在總體耐候性能方面表現(xiàn)出差異，應(yīng)在配方中進行測試。

5.環(huán)境法規(guī)在不斷變化，以減少工廠排放和配方涂料中的VOC?；赨V固化PUD的涂料可以滿足這些新的嚴(yán)格的環(huán)境法規(guī)。