使用QUV/spray材料老化測試儀對木材塗層進行耐候老化測試

老化測試背景

/spray材料老化測試儀(yi) 對木材塗層進行加速老化，通過模擬外部塗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，並使塗層經受比冷凝方法大得多的熱衝(chong) 擊，從(cong) 而非常接近自然老化。本文研究了在這種QUV試驗方法下各種外牆木器塗料的性能。

介紹

用於(yu) 室外木製品如外牆板、甲板和門的塗料需要獨特的性能，如優(you) 異的光穩定性、高柔韌性和凍/融循環性能。開發了新的水性(WB)紫外光固化無共溶劑聚氨酯分散體(ti) (PUD ),以提供優(you) 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(yi) 模擬室外木器塗料的室外老化的老化結果。

輻射固化分散體(ti)

在過去十年中，各種各樣的產(chan) 品已經在木材塗料市場上商業(ye) 化。這些係統中最有前途的環保技術是水性紫外光固化PUD。UV-PUD的化學結構非常類似於(yu) 由硬鏈段和軟鏈段組成的常規PUD的化學結構。每個(ge) 部分的設計都有廣泛的原材料可供選擇，從(cong) 而優(you) 化了各種各樣的性能。在大多數情況下，高性能軟鏈段有助於(yu) 一定的柔韌性，而二(聚)異氰酸酯和短鏈二醇有助於(yu) 硬度和電阻。已經報道了幾種引入丙烯酸雙鍵的途徑。根據我們(men) 的經驗，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(jin) 連接到鏈的末端，或者將聚氨酯與(yu) 丙烯酸單體(ti) 或低聚物物理共混。丙烯酸單體(ti) /低聚物的使用可能帶來額外的工業(ye) 衛生問題和穩定性問題。

以PUD為(wei) 基礎的塗料在木器塗料市場展現出很好的增長機會(hui) 。這種塗料的關(guan) 鍵特性是其與(yu) 傳(chuan) 統聚氨酯塗料的相似性，即施工方法、幹燥時間和性能屬性。

重均分子量高於(yu) 200000的紫外光固化水分散體(ti) ；這比由不飽和丙烯酸酯和反應性稀釋劑組成的傳(chuan) 統的100%固體(ti) UV體(ti) 係高許多倍，這是一個(ge) 非常顯著的優(you) 點。這就是為(wei) 什麽(me) 水性體(ti) 係需要更少的自由基交聯來獲得所需的性能。這一特性為(wei) 各種傳(chuan) 統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(yu) 傳(chuan) 統低分子量丙烯酸低聚物相關(guan) 的皮膚刺激危險。

紫外線固化

在光引發劑的存在下，紫外輻射引發塗料固化。它可以通過自由基或陽離子機製。許多供應商提供多種型號和類型的紫外線固化設備。通常，固化係統由高壓電源、控製麵板和固化頭組成。在UV固化中通常使用兩(liang) 種類型的燈，即常規弧光燈和微波燈。燈的光譜輸出可以通過用各種微量金屬摻雜燈來調節。每盞燈都有以納米波長測量的特定輸出。配方師麵臨(lin) 的挑戰是將光引發劑的吸收與(yu) 燈的光譜輸出相匹配，以固化塗層，尤其是在高填充/著色係統中。期望的結果是可以滿足幾個(ge) 市場標準的高度交聯的膜。此外，UV塗料是環保的——大多數係統通常不含溶劑，因此排放物(VOC/VHAP)和可燃性不是問題。

用於(yu) 外牆塗料的水性紫外光固化聚氨酯

可UV固化的PUD可以滿足外牆塗料的苛刻性能要求。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顯示了當配製基於(yu) 可紫外線固化的PUD的透明塗料時可獲得的性能範圍:

基於(yu) UV可固化PUD的配方易於(yu) 修改以滿足各種應用方法，例如刷塗、常規噴塗、無氣噴塗、真空塗布和輥塗。傳(chuan) 統的水性添加劑可用於(yu) 改善表麵潤濕、消泡、抗粘連和表麵外觀性能。與(yu) 傳(chuan) 統的UV固化塗料相比，UV固化PUD的低光引發劑需求提高了成本效率。標準的紫外線吸收劑和光穩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(jia) 比，增強特定的性能要求。

耐候木製品塗料

術語“木製品”用於(yu) 定義(yi) 建築行業(ye) 的各種製造部件。這些組件用於(yu) 室內(nei) 和室外應用，如窗戶，門和成型。根據其最終用途，內(nei) 外牆塗料可能有完全不同的性能要求。

例如，一些高端窗戶製造商提供10年的外窗耐久性保修。所用的麵漆通常是非常高性能的塗料，因為(wei) 它們(men) 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(wei) 它們(men) 的高性能。

環境法規在不斷變化，以減少工廠排放和配方塗料中的VOC。這些命令可以在聯邦、州甚至地方一級強製執行。例如，南海岸空氣質量管理區(SCAQMD)針對透明和有色封閉漆、麵漆和底漆製定了1136規則。揮發性有機化合物的限量將降至250克/升。下表說明了幾個(ge) 組織方案:

木製品製造商要求他們(men) 的塗料供應商提供低VOC、高生產(chan) 率和高性能的塗料。基於(yu) UV-PUD的木器塗料的配方可以低於(yu) 150克/升，並提供優(you) 異的應用和性能。

陽光固化塗料

UV塗料主要用於(yu) OEM工廠，這些工廠需要非常快的生產(chan) 速度和優(you) 秀的性能。最近已經進行了工作來開發可以通過自然陽光進行紫外線固化的WB紫外線塗料配方。這項技術正在探索在DIY室外木器塗料市場的潛在應用。除了木器塗料，這項技術也適用於(yu) 其他市場領域，如室外混凝土塗料。

太陽發出UVA、UVB和UVC波段的紫外線輻射，但由於(yu) 大氣層臭氧層的吸收，到達地球表麵的紫外線輻射中有98.7%是UVA。由於(yu) UV PUD的高分子量，有可能配製出既能物理幹燥又能在來自太陽的直接UVA輻射下光聚合的塗料。這是通過將WB UV PUD與(yu) 選擇的光引發劑結合使用來實現的，所述光引發劑在315 - 400 nm的UVA範圍內(nei) 具有明顯的吸收峰。

陽光固化塗料肯定有其局限性，特別是需要陽光直射來光聚合塗膜。基於(yu) 賓夕法尼亞(ya) 州匹茲(zi) 堡多雲(yun) 條件下進行的發育篩查。發展表麵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麵硬度和穿透硬度特性。製備一種配方，該配方由可紫外固化的PUD、熱塑性PUD、光引發劑和水基配方中使用的典型表麵活性劑和消泡劑組成。製劑的固體(ti) 體(ti) 積為(wei) 約24%固體(ti) ，VOC小於(yu) 1磅。/gal。將液體(ti) 塗料以8密耳的濕度施塗到玻璃板上，形成1.5-2.0密耳的幹燥厚度(約37微米)。對幾塊玻璃板進行塗覆，以評估如下各種固化方法:

1.發射UVA、UVB和UVC的高強度燈(汞燈)

2.僅(jin) 發射UVA的低強度燈(4分鍾曝光時間)

3.賓夕法尼亞(ya) 州匹茲(zi) 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塗膜表麵硬度特性。令人驚訝的是，對於(yu) 各種UV固化方法，包括陽光固化，在1天、3天和5天時，表麵硬度非常相似。暗室麵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天後硬度繼續顯著增加，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塗膜的完全固化性能。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中的結果顯示了基於(yu) 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，直射陽光膜的表麵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，結果顯示各種UV固化方法的性能非常相似。與(yu) 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(wei) “Arwood”(一種可靠的木材塗層人工老化測試)的廣泛的歐洲木材項目獲得批準，以開發一種用於(yu) 木材塗層的標準人工老化方法。該項目涉及十個(ge) 木材研究所和四個(ge) 工業(ye) 夥(huo) 伴。該項目的主要目的是在短時間內(nei) 評估室外木器塗料的耐久性，並證明其與(yu) 自然老化的良好相關(guan) 性。

在用不同的塗層係統、木材基材和人工老化條件進行了多次循環暴露試驗後，確定了一種標準方法。該研究項目的結果導致以下結論。

UVA-340熒光紫外燈非常適合模擬陽光的降解效應

必須包括冷凝和噴水，以模擬老化過程中水分的不同方麵

根據“Arwood”項目的結論，選擇了帶熒光UVA燈的QUV/spray材料老化測試儀(yi) 來評估各種木材塗料配方。該裝置通過模擬外部塗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現的含水量以上，並使塗層經受比冷凝方法大得多的熱衝(chong) 擊，從(cong) 而非常接近自然老化。

QUV/spray材料老化測試儀(yi) 冷凝係統的一個(ge) 重要特征是，麵板實際上形成了試驗箱的側(ce) 壁，並提供了將熱水蒸汽保持在試驗箱內(nei) 的封閉。在冷凝循環期間，水由水盤下麵的加熱元件加熱。水蒸氣充滿試驗箱，平衡時達到100%的濕度。水蒸氣不斷凝結在測試板上，測試板通過木質基材背麵的室內(nei) 空氣保持在較低的溫度。冷凝水從(cong) 測試板上流出，並流回水盤中。

噴水主要用於(yu) 清除表麵的降解物質，並產(chan) 生頻繁的冷衝(chong) 擊。噴水也模擬外部塗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。噴淋係統由12個(ge) 噴嘴(每側(ce) 6個(ge) )和相關(guan) 管道、控製裝置和排水管組成。噴嘴安裝在紫外線燈之間。當QUV噴淋時，燈是關(guan) 著的。QUV/spray材料老化測試儀(yi) 的設計如圖4所示。

選擇UVA-340燈泡是因為(wei) 它們(men) 的紫外線波長與(yu) 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、規格和持續時間如下:

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

總持續時間為(wei) 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，無溫度控製，噴淋過程中7升/分鍾的水

（3）50°C下進行3.75小時冷凝

陽光固化塗料配方

設計並實施了一個(ge) 項目來評估各種日光固化WB UV木器塗料的耐候性。主要目的是使用為(wei) 室外木器塗料設計的QUV/spray材料老化測試儀(yi) 測試塗料性能。為(wei) 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(ye) 木材防腐劑預處理的3″×12″鬆木基材組成。測試前，用刷子塗覆塗層，並讓其在陽光直射下固化至少7天。測試塗料僅(jin) 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(ye) 白色染色劑的一些混合和覆蓋塗層。對每種製劑評價(jia) 了下列包衣係統:

1.三層透明自封

2.一層商業(ye) 白色著色劑，然後是兩(liang) 層透明著色劑

3.兩(liang) 層商業(ye) 白色著色劑，外加25%的透明塗層

表4給出了測試的UV固化透明塗層係統的概述。

老化測試結果

每隔500小時對5個(ge) 塗層係統進行評估。表5顯示了直接在鬆木基材上的透明塗層的60%光澤保持率。如表5所示，各種塗層的保光性差別很大。沒有任何UV-A或HAL的對照係統(A)顯示出最差的光澤保持性能。塗料體(ti) 係B和D表現出中等的保光性能。基於(yu) UV PUD和選擇的UVA和HAL的塗料體(ti) 係C和E表現出優(you) 異的保光性能。

除了保光性能之外，還評價(jia) 了塗層的一般外觀性能。這些評估包括顏色、塗層開裂、滲色、基底開裂和發黃。這些性質以視覺標度從(cong) 0(無變化)到5(嚴(yan) 重變化或影響)進行評級。表6顯示了一般外觀效果的結果。第六列是指定等級的總和，較低的數字表示性能較好的係統。基於(yu) 視覺缺陷，塗層係統B、C和E提供了較佳的總體(ti) 性能。

如暴露2000小時後的δE結果所示，係統B、C和E提供了優(you) 異的不泛黃性能。將透明塗層塗覆在白色汙漬上，以評價(jia) 透明塗層而不是木材基材的實際泛黃。係統A和D表現出最差的總體(ti) 性能，尤其是如第4欄所示的較差的滲透性能。

應該注意的是，第5欄中的木材開裂等級僅(jin) 基於(yu) 木材基材，可能不是實際塗層的一個(ge) 因素。一套複製的麵板被送到佛羅裏達州，以評估為(wei) 期2年的自然老化。績效結果將每3個(ge) 月評估和報告一次。

結論

1.UV固化水分散體(ti) 具有非常高的分子量，能夠在沒有UV的情況下實現成膜性能，並且需要少得多的自由基交聯來獲得期望的性能。這一特性為(wei) 包括陽光養(yang) 護在內(nei) 的各種傳(chuan) 統和獨特的養(yang) 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(you) 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。透明和有色塗層都是可能的。

3.基於(yu) UV可固化PUD的配方易於(yu) 修改以滿足各種應用方法，例如常規噴塗、無氣噴塗、真空塗布和輥塗。傳(chuan) 統的水性添加劑可用於(yu) 改善表麵潤濕、消泡、抗粘連和表麵外觀性能。

4.基於(yu) 加速老化測試，明確推薦加入紫外線吸收劑和光穩定劑。不同類型的紫外線吸收劑和/或光穩定劑在總體(ti) 耐候性能方麵表現出差異，應在配方中進行測試。

5.環境法規在不斷變化，以減少工廠排放和配方塗料中的VOC。基於(yu) UV固化PUD的塗料可以滿足這些新的嚴(yan) 格的環境法規。