钢结构防腐涂料作为一种常用的涂料，在使用时其涂层容易受到太阳辐照而老化失效。研究涂料老化所用到的试验方法有两种，即人工加速老化试验和自然气候老化试验。人工加速老化试验虽然试验周期短，但不能完全准确的模拟自然气候环境所有因素，数据结果跟实际自然气候暴晒试验的结果会出现数据失真。而自然气候暴晒试验的试验周期过长，不具备老化评价的时效性。因此，将自然暴晒试验和人工老化试验相结合的方法来研究涂料的老化性能是目前材料老化研究研究的发展方向。本文对于钢结构防腐涂料在氙灯老化光源下进行的人工加速老化试验以及在广东省汕尾陆河自然暴晒场进行的自然老化试验的基础上，探讨建筑涂料在自然暴晒试验和人工加速老化试验的相关性，再预算涂料使用寿命，已得到涂料质量控制的目的。
1 实验部分
1.1涂层试板的制备
钢结构防腐涂料选自广东省广州市某涂料有限公司的市面销售产品，产品名称为易涂超耐候环氧树脂面漆，颜色为灰色，涂料涂覆在尺寸为150 mm×70 mm（用于人工加速老化试验）和140mm×250mm（用于自然气候暴晒试验）的镀锌钢板上。
1.2试验设备
氙灯人工加速老化试验箱（型号：Ci5000）：美国ATLAS公司；BYK 4520多角度光泽度计：德国BYK-Gardner公司；CR10色差计：日本KONICA MOINLTA公司。
1.3 试验方法
1.3.1自然气候暴晒试验
本项目所有自然气候老化试验均是在广州合成材料研究院有限公司自然曝晒试验场完成，曝晒场地处广东省汕尾市陆河县新田镇联安村，北纬 23度16分，东经115度38分，位于北回归线以南，属于亚热带乡村湿热气候类型，是典型的广东地区自然气候环境。曝晒场地条件符合 GB/T 9276和 SAE J1976的有关规定。所用曝晒装置为无背板固定45°角曝晒架，试样面朝正南方向，并与地平线成45°角。涂料样板曝晒期限为两年，并以三个月为周期进行检测。
1.3.2人工加速老化试验
在人工加速老化箱中按照国家标准GB/T 1865-2009进行人工加速老化试验，试验条件为：辐照度(340 nm)：0.51w/m2；相对湿度:(40～60)％；黑标温度:(65±2)℃；降雨周期:18 min/102 min(喷水时间/不喷水时间)。每五百小时对涂膜的各项耐老化性能进行测试。
1.4性能测试
按照GB/T 9754-2007测量涂层85°镜面光泽，按照 GB/T 1766-2008评价涂层失光等级；依据ISO 7724.3-1984测量涂层色差变化，按照 GB/T 1766-2008评价涂层变色等级进；采用傅里叶变换衰减全反射红外光谱测定涂层红外光谱，考察表层分子结构的变化。扫描次数为32，分辨率为4 cm-1，扫描范围600～4 000 cm-1。
2 结果与讨论
2.1老化前后涂层光泽的变化
对人工加速老化6000h后钢结构防腐涂料的涂层光泽进行考察，每500小时测量一次，结果如图1所示。
图1 涂膜失光率随人工老化时间的变化
从图1中可以看出，钢结构防腐涂料老化3000h后失光率为8%，失光等级为1级。随着老化时间的继续延长，钢结构防腐涂料在老化6000 h时，失光率达到52%，出现严重失光，失光等级达到4级。
图2 涂膜失光率随自然老化时间的变化
图2为自然老化过程中涂层失光率的变化情况，从图2中可以直观的看出，钢结构防腐涂料在陆河自然暴晒场自然老化一年后出现了1级很轻微的失光。当自然老化两年后，钢结构防腐涂料出现轻微失光，失光率达到11%，失光等级为1级。钢结构防腐涂料的自然老化规律均表现出和人工加速老化相似的老化规律。
2.2老化前后涂层色差的变化
对人工加速老化9000h后建筑外涂涂料涂层的色差进行考察，每500小时测量一次，结果如图3所示。
图3 涂层色差随人工老化时间的变化曲线
从图3中可以看出，氙灯老化1000 h的钢结构防腐涂膜试板的色差△E*为0.7，失光等级无变化，都为0级，说明钢结构防腐涂膜具有耐老化性能。当氙灯老化时间达到8500 h时，钢结构防腐涂料的色差△E*为9.7，变色等级已达到4级，涂层表面出现较大失光，涂层失效。
图4 涂膜色差随自然老化时间的变化曲线
图4为涂膜色差随自然老化时间的变化曲线，从图4中可以看出，钢结构防腐涂料老化自然气候老化两年后色差△E*为5.2，变色等级为2级轻微变色。钢结构防腐涂料的耐老化性相对较弱。在自然气候老化出现中出现和氙灯人工加速老化相似的规律。
2.3自然暴晒和人工老化相关系数的计算
根据样品在自然气候暴露试验中的太阳辐照总量（表1中的总辐照量）与人工加速老化试验中的辐照度，计算太阳辐照度相等的情况下，自然暴晒两年相当于实验室中人工加速老化试验的时间，计算公式如公式1所示：
公式1中，Ti为人工加速老化试验的时间，单位为小时（h）；Hg为自然气候暴露试验中的太阳辐照总量，单位为焦每平方米(MJ/m2 )；R为温度修正系数；60%为300～800 nm的波长范围内太阳辐照量所占总辐照量的百分数；Ei为氙灯老化试验箱使用Boro/Boro滤镜组合时，其发射的光谱波长范围在300～800nm的辐照度，单位为瓦每平方米(W/m2)；3600秒=1小时。
监测两年的太阳辐照总量Hg＝（4926+4883）×106 J/m2；温度修正系数R=67%；氙灯光照辐射强度Ei＝550 W/m2；计算得到Ti=1991.7 h；即得到实验室人工加速老化1992小时相当于湿热气候环境中的自然暴露两年，实验室人工老化996小时相当于广东地区气候环境中暴晒老化一年。不同涂料类型是否能够应用这一计算公式推断其实验室人工老化996小时相当于户外自然暴晒一年，还需计算不同涂料类型这两个老化试验方法之间的相关系数。
根据所得评估结果的数据，计算钢结构防腐涂料自然户外曝晒与氙灯试验室加速测试方法之间的相关系数(spearman)。该相关系数是通过两中不同的老化方法对同一种试验进行测试所得试验结果之间的相关性，并计算自然气候暴露和人工加速老化试验的相关系数，计算公式如公式2所示：
公式2中，rs为相关系数；n为人工加速老化试验（X）和自然气候暴露试验（Y）这两个因素各自的元素个数，即试验的样品重复数；di为两个因素（X、Y）中每一个样品按升幂排序后 Xi、Yi的排位数之间的差值；rs的绝对值越接近1，两种老化试验方法的相关性越强。按照上述公式1中计算得出的实验室老化大约2000小时相当于自然气候暴晒两年，再根据上节中结果，钢结构防腐涂料人工老化2000 h后的色差变化△E*为2.5，自然暴晒老化两年后的色差变化△E*为2.6。每种老化试验方法各投七个平行样，每个样品的色差变化△E*的数据结果和排序如表1所示。
表1 钢结构防腐涂料人工加速和自然暴露后的色差变化△E*排序表
结合表中数据依据公式2所述的spearman相关系数的计算公式 rs=1-6×[(6-5)2+(2-1)2+(1-2)2+(4-3)2+(7-7)2+(5-6)2+(3-4)2]/7×(72-1) =0.89，得出自然气候暴露和人工加速老化试验的相关系数rs为0.89，同理得到，996×0.89=886小时，对于钢结构防腐涂料，实验室内人工加速老化886小时相当于广东地区自然气候中暴晒老化一年。
3 结论
钢结构防腐涂料同时进行自然气候老化试验和人工加速老化试验，实时监控老化过程，每个检查周期内对涂层宏观性能的数据结果进行测定，根据两种老化试验的数据结果，计算得出涂料自然户外曝晒与实验室人工加速测试方法之间的相关系数为0.89，表明人工老化与自然暴露的结果相关性比较好，即钢结构防腐涂料的实验室内人工加速老化大约886小时相当于自然气候暴露一年。这种研究方法为耐候性涂膜老化方法研究提供技术基础，对改善涂料的生产技术和提高涂料的应用价值等提供的技术指导，也为建立实验室与户外自然暴晒试验的相互对比和预测涂料使用寿命提供基础依据。
作者：彭军、郄晶晶、朱家俊、伦伟灿
（广州合成材料研究院有限公司，广东广州510665）
来源：《第22届水性技术年会暨2024绿色发展论坛》论文集
