短波紫外光是暴露在戶外的密封劑大部分損壞的原因。水分也會造成損害，紫外線和水分之間通常存在協(xié)同效應(yīng)。經(jīng)驗表明，單獨抗紫外線或單獨抗?jié)駳獾牟牧显谕瑫r暴露于紫外線和濕氣時通常會失效。第三個考慮因素是溫度。溫度會加快任何化學(xué)反應(yīng)的速度，雖然大多數(shù)光化學(xué)反應(yīng)對溫度不敏感，但任何后續(xù)的連鎖反應(yīng)通常都與溫度有關(guān)。因為戶外暴露很費時間，而且每年和每個地方的天氣都不一樣，所以實驗室加速老化測試儀被廣泛用于研發(fā)、質(zhì)量控制和材料認證。
本研究的目的是確定密封劑的自然老化和加速老化之間是否有任何關(guān)聯(lián)，如果有，哪種加速裝置與自然暴露最相關(guān)。
測試樣品由ASTM委員會關(guān)于建筑密封和密封劑的C-24志愿公司準備和提交。一個獨立的實驗室從參與者那里收集樣本，選擇哪些將被暴露，并編碼，然后轉(zhuǎn)發(fā)給他們進行暴露。每個試樣由密封劑制造商根據(jù)ASTM C-793 (I)制備。樣品尺寸為5 x 1.5 x 0.125英寸。所有樣品都粘附在干凈、裸露的3×6英寸鋁基板上。
測試的密封劑類型包括單組分和雙組分聚氨酯、聚醋酸乙烯酯膠乳、熱塑性橡膠、黑白硅酮、溶劑型丙烯酸和丙烯酸膠乳。密封劑的復(fù)制組暴露于佛羅里達直接老化和兩個加速裝置。以下段落總結(jié)了測試條件。
自然老化
根據(jù)ASTM G-7 (2)進行室外試驗。樣品暴露在佛羅里達州的霍姆斯特德。重復(fù)樣品暴露在45°南，開放式背面安裝(即非絕緣)，時間間隔為6、12和18個月。
QUV老化，UVA-340燈
第二組密封劑按照ASTM G-53 (3)在QUV老化試驗機中暴露。光源是UVA-340燈。測試循環(huán)包括在65°C(149°F)下暴露于紫外線8小時，與在50°C(122°F)下冷凝4小時交替進行。樣品暴露時間分別為250、500、1000和2000小時。
QUV老化，紫外線B-313燈
第三組也在使用UVB-313燈的QUV測試儀中曝光。測試條件與上述相同。
氙弧老化
根據(jù)ASTM G-26 (4)，將最后一組密封劑暴露在Ci 65氙弧中。燃燒器使用硼硅酸鹽內(nèi)部和外部過濾器，并在0.35 W/m2/nm(340nm)下操作。測試循環(huán)包括連續(xù)輻照，每2小時噴水18分鐘。黑色面板溫度為63°C(145°F)。噴水溫度為42攝氏度(108華氏度)。
在每種曝光方法中，紫外線、濕氣和溫度的破壞力是不同的。對這些差異中的每一個都進行了簡要的分析，以便對測試結(jié)果中的差異有所了解。
光源
因為自然陽光中的紫外線被氣團、云量、污染等過濾，自然紫外線照射的量和光譜分布是非常可變的。因為在冬季，太陽在天空的位置較低，所以它被更大的氣團過濾掉了。更短、更具破壞性的紫外線波長在冬天也被過濾掉了。例如，從夏季到冬季，320 nm的紫外線強度變化約為8比1。因此，在冬季，對310 nm以下的紫外線敏感的材料即使有降解，也只是輕微降解。
使用比自然陽光發(fā)出的紫外線波長更短(即更強)的光源是加速最常用的方法之一。然而，如果測試材料的光譜靈敏度主要在這些短波長內(nèi)，結(jié)果可能不自然地嚴重，特別是與對短波紫外線不敏感的材料相比。與陽光匹配良好的光源，尤其是在短波紫外線區(qū)域，速度較慢，但可能與室外結(jié)果有更好的相關(guān)性。
QUV使用不同類型的燈，不同的光譜，用于不同的曝光應(yīng)用。QUV并不試圖復(fù)制陽光本身，只是陽光的破壞性影響。這是有效的，因為短波紫外線會對暴露在戶外的耐用材料造成幾乎所有的損害。熒光測試儀將其發(fā)射限制在光譜的紫外線部分。圖1顯示了UVA-340和UVB-313與夏季正午陽光的對比。
UVA-340于1987年引入，以改善QUV和自然老化之間的相關(guān)性。它已經(jīng)在塑料和涂層上進行了測試，在許多情況下，極大地提高了與這些設(shè)備的相關(guān)性。這種燈可以很好地模擬從大約365納米到295納米截止波長的太陽光。
UVB-313是QUV廣泛使用的光源。就材料完整性和物理特性而言，它與戶外暴露具有良好的相關(guān)性。然而，低于太陽截止點的短波輸出偶爾會導(dǎo)致異常結(jié)果，尤其是顏色保留。
氙弧使用濾光器的組合來減少不需要的輻射。這項研究使用了最常見的組合，硼硅酸鹽內(nèi)部和外部過濾器。圖2顯示了同樣的夏季陽光與帶有boro/boro濾光器的氙弧燈的對比。
潮濕
另一個變量是樣品濕潤的時間。圖3總結(jié)了不同之處。顯示的室外數(shù)據(jù)是研究期間測量的濕度時間(5)。佛羅里達的密封劑大約45%的時間是潮濕的。QUV樣品暴露于大約33%的潮濕時間。氙弧樣品大約15%的時間是濕的。
材料在戶外遇到的大部分潮濕是以露水的形式出現(xiàn)的，而不是降雨。表1顯示了佛羅里達州暴露期間一個典型月份的每日濕潤時間與降雨量的對比。
這對加速模擬具有重要意義。QUV使用相對較長(4小時)的冷凝周期來再現(xiàn)自然產(chǎn)生的水分的影響。氙弧使用短周期(18分鐘)噴水。
溫度
溫度是暴露條件中的第三個變量。加速試驗通常在高于材料正常暴露溫度的溫度下進行，但不會高到導(dǎo)致異常降解。這樣做是因為較高的溫度通常會加快降解速度。
佛羅里達樣品安裝在開放式支架上(即不隔熱)；記錄的最高表面溫度為48攝氏度(110華氏度)。在大多數(shù)實際應(yīng)用中，樣品會被絕緣，導(dǎo)致溫度高達66°c。加速試驗的最高溫度為65°c。因此，加速試驗溫度更接近密封劑在正常使用中可能暴露的最高溫度。
當表面開裂是一個重要因素時，熱沖擊是一個需要考慮的因素。根據(jù)暴露方法的不同，樣品會經(jīng)歷不同的溫度變化率。佛羅里達樣品的主要溫度變化在白天和夜晚之間逐漸發(fā)生。QUV樣品的變化率也是非常緩慢的，因為在一個周期變化后，室需要大約一個小時達到平衡。在水分循環(huán)開始時，將氙弧樣品暴露于直接噴水中，產(chǎn)生高速的溫度變化。
評估暴露的密封劑的視覺退化(開裂、點蝕等)、硬度(硬度計)和柔韌性的變化。
視覺表面退化。暴露結(jié)果中最顯著的差異之一是微生物的生長。在佛羅里達，除了一種密封劑外，所有密封劑都顯示出至少輕微的微生物生長。幾個顯示出顯著甚至嚴重的增長。由于顯而易見的原因，實驗室樣本沒有顯示出微生物生長的跡象。聚醋酸乙烯酯乳膠和溶劑型丙烯酸密封劑上的生長量非常嚴重，其在樣品上的存在可能實際上保護了密封劑免受進一步的紫外線照射(圖4)。
總的來說，QUV比氙弧在再現(xiàn)佛羅里達州暴露的變化方面做得更好，特別是在裂紋和點蝕方面(圖5)。然而，許多密封劑在實驗室中出現(xiàn)起泡或冒泡，但在佛羅里達卻沒有。這可能是由于暴露溫度的差異。除了熱塑性橡膠密封劑，佛羅里達和所有實驗室測試人員的顏色變化幾乎相同。相對于佛羅里達，加速率取決于實驗室暴露的密封劑類型。UVB-313測試顯示了最大范圍的加速率。這可能是由于不同密封劑對UVB-313在295 nm以下的短波紫外線輻射(即日光截止)的敏感度不同。UVA-340和氙弧給出了更一致的加速率結(jié)果。表2給出了每種密封劑類型和每種暴露條件下的視覺變化描述。
硬度。為了確定加速方法預(yù)測硬度變化的程度，根據(jù)AASTM D-2240 (6)在每個暴露時間間隔對每種密封劑進行肖氏A硬度計測量。表3中顯示的數(shù)據(jù)是三個讀數(shù)的平均值，重復(fù)性為2點。由于起泡，一些樣品的精確測量是不可能的。在大多數(shù)情況下，發(fā)生在佛羅里達的變化被加速方法復(fù)制了。ASTM D-2240是一種評估老化影響的有用方法。
靈活性。根據(jù)ASTM C-793，將暴露樣品的柔韌性與未暴露對照進行比較。這種方法要求將樣品冷凍至-26°C，并繞1/2英寸的心軸彎曲。只有一個例外，暴露樣品與未暴露對照的比較顯示沒有差異。如果暴露的樣品表現(xiàn)出粘附力和/或內(nèi)聚力的損失，那么對照樣品也是如此。這表明溫度，而不是暴露于老化，是這個測試中最重要的因素。我們不建議使用低溫試驗來評估老化的影響。
使用1/4英寸的心軸在室溫下重復(fù)該試驗。所有未暴露的對照樣品都通過了測試。然而，許多暴露的密封劑顯示出拉伸痕跡，表明一些內(nèi)聚力的損失(圖6)。此外，熱塑性橡膠和丙烯酸乳膠密封劑中的現(xiàn)有裂縫被拉長。聚乙酸乙烯酯膠乳顯示出部分開裂。除了一個例外(雙組分聚氨酯)，UVA-340和UVB-313 (QUV)的結(jié)果與佛羅里達州的結(jié)果完全一致(表4)。
實驗室和自然老化之間的關(guān)系可能永遠是有爭議的。加速試驗的結(jié)果應(yīng)該小心使用。事實上，不同類型的自然暴露之間的關(guān)系也是有問題的。沒有人真正知道佛羅里達州南5區(qū)的測試圍欄與亞利桑那州或新澤西州的一年建筑有何關(guān)聯(lián)。因此，即使是佛羅里達州也只是給出了實際服務(wù)表現(xiàn)的相對指標。它對實驗室設(shè)備的要求太高了。
對于老化測試儀，有許多參數(shù)必須進行編程:紫外光譜、水分、濕度、溫度和測試周期。因為沒有一個測試周期或設(shè)備可以再現(xiàn)不同氣候、海拔和緯度的室外所有變量，所以人們選擇的加速條件在一定程度上是任意的。為了獲得快速測試結(jié)果，加速測試人員必須經(jīng)?？浯笞匀唤缰邪l(fā)現(xiàn)的自然降解力。顯著不同的材料配方可能以各種方式對這些人為的嚴重應(yīng)力作出反應(yīng)。因此，一般來說，不同類型的密封劑可能表現(xiàn)出不同的加速系數(shù)。事實上，即使在一個單獨的密封劑樣品中，所檢測的不同性質(zhì)也可能有不同的加速率。
表5總結(jié)了本研究中密封劑的自然老化和加速老化之間的相關(guān)性。它不包括微生物的影響。所示的“加速率”是各種測試性能的平均值。在沒有顯示加速率的情況下，要么是測試的性能變化不夠大，要么是變化不夠相似，不足以得出結(jié)論。本總結(jié)僅適用于在佛羅里達特定時間暴露的這一套特定密封劑。基于這些數(shù)據(jù)的推斷應(yīng)該非常小心。
基于上述工作，得出以下結(jié)論。
與佛羅里達相比的加速測試。 盡管加速測試被廣泛用于預(yù)測產(chǎn)品的耐用性，但它的使用也有局限性。對于這項研究中的密封劑，最明顯的是實驗室測試無法重現(xiàn)在佛羅里達看到的微生物生長。此外，實驗室設(shè)備不能再現(xiàn)污染或風(fēng)吹污染物造成的退化。盡管如此，這些測試結(jié)果表明加速老化測試是一種有用的工具?？偟膩碚f，加速試驗和佛羅里達試驗在表面變化(即開裂、點蝕等)、柔韌性和硬度(硬度計)方面有很好的相關(guān)性。然而，不同的通用密封劑類型表現(xiàn)出不同的加速系數(shù)。
QUV紫外老化試驗箱與氙燈老化試驗箱相比
密封劑產(chǎn)生了有些混雜的結(jié)果。在測試的八種類型中，QUV在兩種類型上給出了與佛羅里達州的較佳相關(guān)性，氙弧在一種類型上給出了較佳結(jié)果。他們對其余部分給出了基本相同的結(jié)果。QUV，尤其是UVB-313燈，導(dǎo)致密封劑比氙弧退化得更快。總之，QUV在測試陣列上給出了稍好的結(jié)果。
UVB-313與UVA 340相比。在測試的兩種密封劑中，UVA-340燈比UVB-313燈與佛羅里達的相關(guān)性更好。對于其余的，結(jié)果是相似的。UVA-340比UVB-313慢，但加速率(相對于密封劑類型)更一致?？傊?，UVA-340燈是最有用的與佛羅里達相關(guān)或與一般不同密封劑比較的燈。UVB-313給出更快的結(jié)果，可能對持久配方或QC應(yīng)用最有用。
測試方法和規(guī)范的加速暴露持續(xù)時間。這項研究的結(jié)果表明，對于大多數(shù)密封劑，現(xiàn)有規(guī)范和試驗方法中的暴露要求是不充分的。實際的最短暴露時間是2000-3000小時的加速測試。對于硅樹脂，5000小時可能是一個最小的數(shù)字。
與本文關(guān)聯(lián)的產(chǎn)品:
