汽車原始設(shè)備制造商、涂層材料供應(yīng)商和老化專家聯(lián)合進(jìn)行了一系列研究，旨在改進(jìn)老化測(cè)試協(xié)議。經(jīng)過(guò)十年的研究，結(jié)果是新發(fā)布的ASTM測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)D7869，該標(biāo)準(zhǔn)已被證明為各種汽車和航空航天涂層技術(shù)中出現(xiàn)的幾種失效機(jī)制提供了與佛羅里達(dá)戶外測(cè)試結(jié)果非常好的相關(guān)性。這種新方法驗(yàn)證了加速測(cè)試可以準(zhǔn)確復(fù)制室外氣候影響的想法，但通往這一結(jié)果的漫長(zhǎng)道路表明，與自然環(huán)境相關(guān)聯(lián)從來(lái)都不是一個(gè)簡(jiǎn)單的命題。
本文討論的研究集中在四個(gè)方面:
1.汽車工業(yè)中的氙弧方法是專門為在一個(gè)制造商的兩種型號(hào)中運(yùn)行而編寫的。認(rèn)識(shí)到這種方法扼殺了創(chuàng)新，并且這些車型在市場(chǎng)上的停產(chǎn)引發(fā)了對(duì)新車型測(cè)試再現(xiàn)性的質(zhì)疑，克萊斯勒在汽車工程師協(xié)會(huì)(SAE)的領(lǐng)導(dǎo)下努力實(shí)施基于性能的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)允許使用符合規(guī)定測(cè)試條件的任何試驗(yàn)箱設(shè)計(jì)。
2.福特研究了自然陽(yáng)光和常用氙弧濾光器之間的光譜不匹配的作用，以及它們?cè)诩铀倮匣瘻y(cè)試中對(duì)準(zhǔn)確再現(xiàn)光氧化的影響。一種新的過(guò)濾器在氙弧室工業(yè)中實(shí)施，并且是ASTM D7869所要求的。
3.汽車涂料材料供應(yīng)商BASF和Bayer以及Q-Lab聯(lián)合研究了佛羅里達(dá)室外環(huán)境和氙弧試驗(yàn)箱中水分的重要性。顯而易見，現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)在模擬室外吸濕方面表現(xiàn)不佳。
4.福特再次介入，擴(kuò)大了對(duì)水分的研究，并使用早期開發(fā)的新濾光片，為氙弧測(cè)試儀創(chuàng)建了一個(gè)新的測(cè)試周期，該測(cè)試周期準(zhǔn)確地再現(xiàn)了所有由老化引起的退化機(jī)制。新的循環(huán)結(jié)合了普通熒光紫外標(biāo)準(zhǔn)的濕氣暴露和以前氙弧標(biāo)準(zhǔn)中常見的快速循環(huán)的新組合。
在回顧以前的工作時(shí)，本文將探討21世紀(jì)初老化科學(xué)的狀態(tài)，以及在通向新的突破性試驗(yàn)方法的漫長(zhǎng)道路上所克服的技術(shù)和組織挑戰(zhàn)。
在20世紀(jì)70年代，大多數(shù)汽車涂料通過(guò)碳弧或熒光UVB燈技術(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室氣候測(cè)試。雖然這些光源不能提供與太陽(yáng)光紫外線部分的精確匹配，但測(cè)試提供了當(dāng)時(shí)在汽車行業(yè)占主導(dǎo)地位的涂層技術(shù)與室外氣候的良好相關(guān)性。然而，20世紀(jì)80年代涂層技術(shù)的變化要求與陽(yáng)光有更好的光譜匹配。
結(jié)果，碳弧測(cè)試被氙弧測(cè)試取代，UVA-340燈被開發(fā)用于熒光紫外試驗(yàn)箱。1989年，美國(guó)汽車工程師學(xué)會(huì)(SAE)發(fā)布了汽車行業(yè)氙弧老化的首個(gè)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，分別為內(nèi)部和外部材料的J1885和J1960。這些測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)是為兩個(gè)特定的水冷氙弧試驗(yàn)箱模型編寫的，這兩個(gè)模型設(shè)計(jì)有一個(gè)垂直燈和旋轉(zhuǎn)樣品架。雖然氙氣測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)開始主導(dǎo)汽車認(rèn)證協(xié)議，但熒光紫外測(cè)試儀在進(jìn)行研發(fā)或一般質(zhì)量控制的實(shí)驗(yàn)室中激增，在這些實(shí)驗(yàn)室中，UVA和更老的UVB技術(shù)都被采用，并且直到今天仍然如此。
早期的氙弧試驗(yàn)雖然比早期的碳弧試驗(yàn)有了很大的改進(jìn)，但在預(yù)測(cè)長(zhǎng)期耐久性方面作用有限。盡管使用這些早期SAE標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)試結(jié)果通常與佛羅里達(dá)戶外的顏色和光澤損失結(jié)果相關(guān)良好，但對(duì)于許多重要的退化模式，例如昂貴的分層問(wèn)題，它們并不相關(guān)良好。正因?yàn)槿绱耍眠@些實(shí)驗(yàn)室方法預(yù)測(cè)真實(shí)世界性能的嘗試經(jīng)常失敗。簡(jiǎn)而言之，這些基于硬件的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)的結(jié)果與室外測(cè)試結(jié)果或一些不滿意的客戶的體驗(yàn)沒有很好的關(guān)聯(lián)。
氙弧老化技術(shù)顯示出巨大的前景，因?yàn)樗哂芯_再現(xiàn)陽(yáng)光的潛力，但第一個(gè)SAE標(biāo)準(zhǔn)的一個(gè)后果是技術(shù)創(chuàng)新被扼殺，使得很難改善實(shí)驗(yàn)室和室外老化之間的相關(guān)性。特定于硬件的標(biāo)準(zhǔn)為技術(shù)進(jìn)步制造了市場(chǎng)障礙。試驗(yàn)箱設(shè)計(jì)缺乏多樣性意味著現(xiàn)狀基本上沒有受到挑戰(zhàn)。室外和實(shí)驗(yàn)室氣候試驗(yàn)之間的不良相關(guān)性因此被標(biāo)準(zhǔn)制度化。
認(rèn)識(shí)到這種方法阻礙了創(chuàng)新，以克萊斯勒為首的一些原始設(shè)備制造商和涂料供應(yīng)商創(chuàng)造了一種新的“基于性能”的方法，通過(guò)發(fā)布SAE標(biāo)準(zhǔn)J2412和J25271打破了創(chuàng)新僵局?；谛阅艿臉?biāo)準(zhǔn)依賴于對(duì)測(cè)試環(huán)境條件的全面技術(shù)描述，而不是指定特定的設(shè)備和列出所需的設(shè)置。環(huán)境條件是任何基于性能的標(biāo)準(zhǔn)的支柱，編寫這些環(huán)境條件的技術(shù)描述比特定于硬件的方法更困難。
對(duì)這些SAE標(biāo)準(zhǔn)的爭(zhēng)議集中在平面陣列、空氣冷卻氙弧試驗(yàn)箱的使用上。舊標(biāo)準(zhǔn)要求使用旋轉(zhuǎn)架室，該旋轉(zhuǎn)架室具有氙燈的水冷卻功能，一些業(yè)內(nèi)人士擔(dān)心平面陣列室會(huì)產(chǎn)生與旋轉(zhuǎn)架設(shè)計(jì)不同的結(jié)果。業(yè)內(nèi)的其他人想知道新設(shè)計(jì)的旋轉(zhuǎn)架測(cè)試儀是否能提供與其前輩相同的結(jié)果。
為了提供一種客觀且科學(xué)有效的方法來(lái)確定市場(chǎng)上可用的不同模型產(chǎn)生了與這些特定標(biāo)準(zhǔn)相似的結(jié)果，SAE標(biāo)準(zhǔn)J2413被開發(fā)出來(lái)。該標(biāo)準(zhǔn)要求試驗(yàn)箱必須證明符合規(guī)定的試驗(yàn)條件、重復(fù)性、再現(xiàn)性以及標(biāo)準(zhǔn)參考材料在一定范圍內(nèi)的降解，并且在試驗(yàn)箱內(nèi)具有可接受的均勻性水平?？芍貜?fù)性是指在一個(gè)室內(nèi)的多次測(cè)試中獲得相似的結(jié)果，而再現(xiàn)性是指在多個(gè)室內(nèi)獲得相似的結(jié)果。
為了解決有關(guān)室內(nèi)一致性的問(wèn)題，Q-Lab邀請(qǐng)了由BASF和ACT Laboratories運(yùn)營(yíng)的ISO 17025認(rèn)證實(shí)驗(yàn)室的參與，進(jìn)行了有史以來(lái)關(guān)于該主題的最大規(guī)模的研究。目標(biāo)是比較各種標(biāo)準(zhǔn)參考和其他常見汽車材料的降解均勻性。三個(gè)不同的旋轉(zhuǎn)架氙弧模型和一個(gè)平面陣列模型是研究的一部分。為了便于說(shuō)明，這兩種配置的示意圖復(fù)制自圖1中的原始研究。
旋轉(zhuǎn)架設(shè)計(jì)的主要優(yōu)點(diǎn)是樣品可以圍繞光源自動(dòng)旋轉(zhuǎn)，有效地消除了左右條件的可變性。然而，這種設(shè)計(jì)并沒有消除從上到下可能存在的可變性。如下所述，最新氙弧標(biāo)準(zhǔn)建議在旋轉(zhuǎn)試管架室的垂直方向上重新定位樣品。在平面陣列測(cè)試儀(也稱為靜態(tài)陣列測(cè)試儀)中，應(yīng)手動(dòng)重新定位樣品，以減少曝光區(qū)域不均勻性的影響。在發(fā)表的研究中，平面陣列裝置中的測(cè)試在有和沒有樣本重新定位的情況下進(jìn)行。
表1中的研究結(jié)果表明，平面陣列和旋轉(zhuǎn)氙燈試驗(yàn)箱的一致性相似。正如預(yù)期的那樣，在平面陣列測(cè)試儀中手動(dòng)重新定位樣品提高了均勻性。有趣的是，即使沒有重新定位，在某些情況下，平面陣列的均勻性也優(yōu)于旋轉(zhuǎn)機(jī)架的均勻性。這項(xiàng)研究指出，結(jié)果包括測(cè)量和材料的可變性。
預(yù)計(jì)到SAE J2412和J2527的發(fā)布，克萊斯勒試圖使用J2413協(xié)議來(lái)比較平面陣列測(cè)試儀、Q-Lab的Q-SUN Xe-3-HS和Atlas Ci65A的結(jié)果，Atlas Ci65A是舊SAE標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的兩個(gè)旋轉(zhuǎn)齒條試驗(yàn)箱之一。它為這項(xiàng)研究選擇了37種汽車外部級(jí)材料和參考材料，并選擇了BASF的密歇根州Southfield實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行測(cè)試。
第一輪測(cè)試發(fā)現(xiàn)了平面陣列和旋轉(zhuǎn)支架測(cè)試器之間的一些退化差異，特別是在一些塑料樣品中。對(duì)原因的調(diào)查揭示了一些細(xì)微的設(shè)計(jì)差異，而這些差異在基于性能的標(biāo)準(zhǔn)中并沒有體現(xiàn)出來(lái)。首先，平面陣列測(cè)試器使用陽(yáng)極氧化鋁黑色面板溫度計(jì)，而旋轉(zhuǎn)支架測(cè)試器使用涂漆不銹鋼制成。盡管最終溫度讀數(shù)非常相似，但每個(gè)傳感器的響應(yīng)速度卻有顯著差異。與涂漆鋼板相比，當(dāng)使用鋁黑面板時(shí)，塑料材料在測(cè)試循環(huán)的過(guò)渡期間達(dá)到更高的溫度。此外，標(biāo)準(zhǔn)中沒有規(guī)定相對(duì)于氣流的試驗(yàn)箱空氣溫度傳感器的位置，但這被證明是影響樣品溫度和降解結(jié)果的一個(gè)非常重要的因素。
最后，平面陣列測(cè)試器比旋轉(zhuǎn)架輸送了更多的水。這是因?yàn)樾D(zhuǎn)架具有一組噴嘴，在架的每次旋轉(zhuǎn)過(guò)程中，這些噴嘴噴射樣品幾秒鐘。平面陣列被編程為每分鐘噴射20秒，這導(dǎo)致更多的水被輸送到樣本。這一事實(shí)在創(chuàng)建最新氙弧老化標(biāo)準(zhǔn)的研究中被證明是至關(guān)重要的。
在對(duì)平面陣列進(jìn)行一些設(shè)計(jì)修改后，包括將噴射時(shí)間減少到每分鐘5秒，進(jìn)行了第二輪測(cè)試。從第一輪中選擇樣本，包括在兩個(gè)測(cè)試器中表現(xiàn)出差異的所有樣本，在兩個(gè)測(cè)試器中獲得非常相似結(jié)果的一些樣本，以及已知對(duì)熱或濕氣敏感的新樣本。這一輪顯示了兩個(gè)測(cè)試者之間很好的相關(guān)性。這證明了平面陣列測(cè)試儀可以產(chǎn)生與旋轉(zhuǎn)架測(cè)試儀非常相似的結(jié)果，并且基于性能的標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)施不需要犧牲測(cè)試結(jié)果的再現(xiàn)性。
這些第一批基于性能的汽車標(biāo)準(zhǔn)在新舊時(shí)代都根深蒂固。測(cè)試周期保持不變，結(jié)果預(yù)計(jì)與舊標(biāo)準(zhǔn)下運(yùn)行的測(cè)試相似。Chrysler論文的作者指出，該項(xiàng)目的目標(biāo)是讓平面陣列測(cè)試儀實(shí)現(xiàn)與旋轉(zhuǎn)支架測(cè)試儀相同的退化，但不一定與室外氣候相匹配。這是基于硬件的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)代的延續(xù)。
新的基于性能的標(biāo)準(zhǔn)的重要性在于，氣候試驗(yàn)箱的用戶可以自由選擇最適合其特定需求的設(shè)計(jì)，并且行業(yè)對(duì)新方法持開放態(tài)度。然而，這些標(biāo)準(zhǔn)并沒有解決室外老化相關(guān)性的挑戰(zhàn)。氙弧老化室的供應(yīng)商被迫妥協(xié)他們的設(shè)計(jì)，以便測(cè)試結(jié)果與舊方法相當(dāng)。這些折衷包括使用不能產(chǎn)生與太陽(yáng)光光譜較佳匹配的濾光器。
大約在同一時(shí)間，克萊斯勒和其他SAE參與者正在創(chuàng)建新的基于性能的標(biāo)準(zhǔn)，福特正在研究提高氙弧老化暴露和室外老化之間的相關(guān)性。它進(jìn)行了研究，檢查了不同氙弧濾光器系統(tǒng)的光譜截止波長(zhǎng)對(duì)光氧化率的影響，并與南佛羅里達(dá)暴露進(jìn)行了比較。研究表明，在截止波長(zhǎng)處，即使很小的光譜不匹配也會(huì)在光氧化中產(chǎn)生顯著的差異，從而導(dǎo)致錯(cuò)誤的測(cè)試結(jié)果。
福特和其他公司的研究人員使用指紋技術(shù)檢查光聲傅里葉變換紅外(PAS-FTIR)光譜的數(shù)據(jù)。他們首先確定了紅外光譜中–OH和–NH區(qū)域的四個(gè)峰，這四個(gè)峰由于老化作用而移動(dòng)。這些峰值分別被稱為a、b、c和d。計(jì)算峰a與峰b的高度之比，即c與d之比。這些比率是相互對(duì)照繪制的。其結(jié)果是一條具有給定斜率的線，代表了老化降解反應(yīng)的平衡。可以將任何給定的加速試驗(yàn)產(chǎn)生的斜率與室外暴露產(chǎn)生的斜率進(jìn)行比較，該斜率可以稱為暴露的光氧化指紋。這兩個(gè)指紋越接近，重現(xiàn)光氧化的加速試驗(yàn)就越準(zhǔn)確。
汽車行業(yè)常用的氙弧光學(xué)濾光器系統(tǒng)有石英/硼、擴(kuò)展UV - Q/B、硼/硼或日光–B/B等名稱。前兩種系統(tǒng)允許的波長(zhǎng)比自然陽(yáng)光短得多。后兩者傳輸?shù)牟ㄩL(zhǎng)也比自然陽(yáng)光短，但不匹配不太嚴(yán)重。福特的一些早期工作證明了低于自然陽(yáng)光截止波長(zhǎng)的短波長(zhǎng)紫外線能量的存在如何導(dǎo)致不切實(shí)際的光氧化，這可能產(chǎn)生誤導(dǎo)性的測(cè)試結(jié)果。假陽(yáng)性或假陰性可能是由舊的基于硬件的氙標(biāo)準(zhǔn)及其隨后的基于性能的重寫中固有的光譜不匹配問(wèn)題造成的。
圖2顯示了一些早期工作的結(jié)果。菲涅爾陽(yáng)光集中器使用自然陽(yáng)光和鏡子來(lái)產(chǎn)生高輻照度曝光。因?yàn)樗褂玫氖亲匀魂?yáng)光，所以與真實(shí)的室外環(huán)境的光譜不匹配可以忽略不計(jì)。這種特殊的光源產(chǎn)生了一個(gè)很好的指紋匹配自然南佛羅里達(dá)曝光。還顯示了其他常見光源，包括SAE氙弧標(biāo)準(zhǔn)中使用的光源。
福特研究了市場(chǎng)上其他常見的“日光”濾光器，其中一些比日光B/B (boro/boro)更符合自然日光截止。因?yàn)閬?lái)自這些過(guò)濾器的光氧化指紋不能提供足夠接近的匹配，福特尋求一種改進(jìn)的光學(xué)過(guò)濾器。
3M公司將一種光學(xué)過(guò)濾器帶入了主流，這是一個(gè)很好的選擇。盡管這種類型在老化工業(yè)中是新出現(xiàn)的，但它已經(jīng)在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中用于測(cè)試藥物化合物對(duì)日光誘導(dǎo)的紅斑的作用。福特使用這種濾光片進(jìn)行了測(cè)試，發(fā)現(xiàn)它的光氧化指紋與南佛羅里達(dá)的結(jié)果更匹配。參見圖3和圖4。
汽車工業(yè)中基于性能的氙弧試驗(yàn)方法新時(shí)代的早期成功是ASTM D7356的出版，使用氙弧曝光裝置加速汽車清漆酸性腐蝕老化的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法。根據(jù)BASF和Q-Lab進(jìn)行的研究，該測(cè)試?yán)眯碌钠矫骊嚵袦y(cè)試儀來(lái)重現(xiàn)汽車透明涂層在佛羅里達(dá)州杰克遜維爾的酸雨環(huán)境中暴露一個(gè)夏天時(shí)發(fā)生的酸蝕刻4。一個(gè)Q-SUN Xe-3-HS模型被修改為包括一個(gè)二次噴射系統(tǒng)，以將稀酸溶液輸送到樣品。平面陣列設(shè)計(jì)對(duì)這項(xiàng)研究很重要，因?yàn)樗试S稀酸溶液緩慢干燥成濃縮的液滴，從而降解透明涂層。巴斯夫觀察到，該領(lǐng)域的酸腐蝕故障幾乎只發(fā)生在水平表面，如發(fā)動(dòng)機(jī)罩和行李箱，很少發(fā)生在垂直表面，如門和擋泥板，因此平面陣列測(cè)試儀，稍加修改后具有水平樣品表面，是在實(shí)驗(yàn)室重現(xiàn)酸腐蝕的合理選擇。這種新方法在幾百個(gè)小時(shí)內(nèi)模擬了杰克遜維爾暴露的季節(jié)，對(duì)于需要實(shí)驗(yàn)室方法來(lái)加快產(chǎn)品開發(fā)并降低現(xiàn)場(chǎng)故障和客戶不滿風(fēng)險(xiǎn)的供應(yīng)商來(lái)說(shuō)，這是一個(gè)突破。
雖然這項(xiàng)研究集中在一個(gè)特定的故障機(jī)制，該項(xiàng)目是一個(gè)更好的加速老化測(cè)試發(fā)展的墊腳石。從組織的角度來(lái)看，該項(xiàng)目延續(xù)了克萊斯勒研究期間開始的一些工作關(guān)系，并延續(xù)到后來(lái)的研究中。該項(xiàng)目還吸引了更多的研究伙伴。從技術(shù)角度來(lái)看，測(cè)試周期的開發(fā)需要仔細(xì)分析發(fā)生降解的濕度環(huán)境，見表2。在隨后的研究中復(fù)制了將室外潮濕環(huán)境轉(zhuǎn)化為氙弧試驗(yàn)箱條件的方法，并將開發(fā)的試驗(yàn)循環(huán)要素納入改進(jìn)的一般老化循環(huán)中。見表3。特別是，在最初應(yīng)用酸溶液后，該循環(huán)開始于一段延長(zhǎng)的黑暗期。
在酸性蝕刻項(xiàng)目接近尾聲時(shí)，巴斯夫與拜耳合作，對(duì)室外濕度進(jìn)行研究。拜耳公司在佛羅里達(dá)州杰克遜維爾的布朗特島擁有一個(gè)老化暴露場(chǎng)所。汽車涂料行業(yè)的兩家供應(yīng)商想要確定涂層在佛羅里達(dá)環(huán)境中吸收了多少水分，導(dǎo)致水分吸收的條件，以及SAE標(biāo)準(zhǔn)(舊J1960和新J2527)是否重復(fù)了這些機(jī)制。理論上，SAE標(biāo)準(zhǔn)沒有準(zhǔn)確模擬室外濕度，這就是為什么有時(shí)在佛羅里達(dá)室外結(jié)果和現(xiàn)場(chǎng)報(bào)告中看到的氣泡、分層和開裂沒有在氙弧試驗(yàn)中重現(xiàn)的原因。
Q-Lab在20世紀(jì)70年代進(jìn)行了類似的濕潤(rùn)時(shí)間(TOW)研究。這些研究建立在20世紀(jì)60年代Q-Lab和克利夫蘭涂料協(xié)會(huì)開發(fā)的克利夫蘭冷凝測(cè)試儀(QCT)的基礎(chǔ)上。這些研究表明，在佛羅里達(dá)環(huán)境中，油漆過(guò)的面板在超過(guò)50%的時(shí)間里表面保持液態(tài)水。此外，潮濕的主要原因是露水的形成，而不是下雨。最初的QUV加速老化測(cè)試儀是作為QCT的擴(kuò)展而設(shè)計(jì)的。熒光紫外老化室的冷凝功能是該技術(shù)在20世紀(jì)70年代和80年代被涂料行業(yè)廣泛采用的主要原因。在21世紀(jì)的第一個(gè)十年中，氙弧測(cè)試的大部分進(jìn)展都是由于追求實(shí)現(xiàn)與熒光紫外測(cè)試儀相似的濕度性能。
巴斯夫和拜耳的研究發(fā)表為“汽車OEM涂層加速老化的缺陷”，通過(guò)開發(fā)測(cè)量涂層吸水質(zhì)量的技術(shù)，進(jìn)一步發(fā)展了這兩項(xiàng)研究。此外，研究人員能夠?qū)⑺奈蘸歪尫排c環(huán)境溫度、相對(duì)濕度和降雨量相關(guān)聯(lián)。這是通過(guò)使用記錄面板質(zhì)量隨時(shí)間變化的測(cè)壓元件來(lái)實(shí)現(xiàn)的。他們確定SAE循環(huán)導(dǎo)致的水分吸收明顯少于佛羅里達(dá)環(huán)境。研究人員還指出了與周期3有關(guān)的其他缺陷，如表4所示，并強(qiáng)調(diào)了吸水?dāng)?shù)據(jù)。平均而言，SAE循環(huán)產(chǎn)生的水量約為佛羅里達(dá)潮濕天氣的五分之一。汽車涂層中可能的最大吸濕量可以通過(guò)浸泡試驗(yàn)(延長(zhǎng)浸泡)或標(biāo)準(zhǔn)冷凝暴露(QCT)來(lái)確定。
值得注意的是，這種冷凝暴露是熒光紫外線老化裝置和相關(guān)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)的標(biāo)準(zhǔn)特征。圖5顯示了典型汽車涂層系統(tǒng)中可能的最大吸水量與SAE J2527/J1960中達(dá)到的吸水量的對(duì)比。額外的測(cè)試表明，這種最大吸收量可以通過(guò)在旋轉(zhuǎn)支架測(cè)試器中延長(zhǎng)噴水周期來(lái)復(fù)制，并且在平面陣列測(cè)試器中相對(duì)容易實(shí)現(xiàn)。接下來(lái)的一系列測(cè)試旨在展示如何在佛羅里達(dá)環(huán)境中實(shí)現(xiàn)相似的吸收。參見圖6。
巴斯夫、拜耳和Q-Lab的研究聯(lián)盟需要OEM的支持和領(lǐng)導(dǎo)，以推動(dòng)汽車涂層的耐候性測(cè)試超越有缺陷的SAE標(biāo)準(zhǔn)?？巳R斯勒在推動(dòng)行業(yè)向基于性能的標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展方面發(fā)揮了重要的領(lǐng)導(dǎo)作用，但它正在經(jīng)歷組織變革，這阻礙了它積極參與下一階段的研究。福特公司曾致力于為氙弧老化室開發(fā)一種改進(jìn)的濾光器，并介入提供領(lǐng)導(dǎo)。
議程上的第一項(xiàng)是通過(guò)創(chuàng)建一個(gè)將涂層中的水分吸收與天氣條件相關(guān)聯(lián)的模型，并將其應(yīng)用于氙弧老化室，將水分研究向前推進(jìn)了一步。該模型將為該計(jì)劃的后續(xù)步驟提供信息。這一階段研究的目標(biāo)是確定這些房間能夠輸送多少水分，然后開發(fā)測(cè)試周期，實(shí)現(xiàn)與佛羅里達(dá)州面板相當(dāng)?shù)乃治铡?/p>
在平面陣列測(cè)試儀中測(cè)量供水量非常簡(jiǎn)單。一個(gè)帶有量杯的特殊樣品托盤可以直接捕捉水噴霧。然而，這種技術(shù)在旋轉(zhuǎn)臺(tái)架試驗(yàn)中是無(wú)效的。在嘗試了幾種方法來(lái)測(cè)量旋轉(zhuǎn)架氙弧測(cè)試儀中水輸送的數(shù)量和均勻性后，發(fā)現(xiàn)在兩種類型的試驗(yàn)箱中使用海綿都是有效的，如新ASTM D7869中所規(guī)定的。
這些研究的一些主要結(jié)論如下:
1.每分鐘的噴涂時(shí)間需要在平面陣列測(cè)試器中增加，以實(shí)現(xiàn)涂層中類似于佛羅里達(dá)測(cè)試結(jié)果的水分吸收。噴涂時(shí)間以前已經(jīng)大大減少，以達(dá)到與運(yùn)行舊SAE標(biāo)準(zhǔn)的旋轉(zhuǎn)架結(jié)果相匹配的結(jié)果。
2.旋轉(zhuǎn)架有可能在涂層中獲得與佛羅里達(dá)結(jié)果相似的水分吸收。這需要在循環(huán)開始時(shí)沒有輻照的長(zhǎng)時(shí)間噴霧步驟。
3.由于吸水的重要性，氙弧測(cè)試儀中噴水系統(tǒng)的校準(zhǔn)方法需要包括在未來(lái)的涂層標(biāo)準(zhǔn)中。
4.使用標(biāo)準(zhǔn)化海綿是在氙弧老化室中校準(zhǔn)噴水系統(tǒng)的最有效方法
5.噴水的不均勻性和其他因素使得樣品必須在旋轉(zhuǎn)架室中重新定位，這是未來(lái)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)的要求。在大多數(shù)標(biāo)準(zhǔn)中，樣品在平面陣列測(cè)試儀中的重新定位已經(jīng)是一項(xiàng)要求。
6.包括帶有輻照度的噴水步驟會(huì)造成涂層不切實(shí)際的退化，因此應(yīng)該避免。
然后，福特監(jiān)督了一系列循環(huán)測(cè)試，以創(chuàng)建一個(gè)有效的測(cè)試周期。在這個(gè)漫長(zhǎng)的項(xiàng)目階段，加入研究團(tuán)隊(duì)的有本田、阿特拉斯和波音，本田曾獨(dú)立地做過(guò)類似的工作。這些公司的加入對(duì)于這項(xiàng)研究產(chǎn)生的任何測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)獲得廣泛的行業(yè)支持非常重要。波音公司還將不同的涂層技術(shù)引入該項(xiàng)目，將范圍擴(kuò)大到汽車工業(yè)之外。
樣本集包括106種組合，包括:
多種顏色:黑色、白色、藍(lán)色、紅色
水性和溶劑型底漆
溶劑型透明涂層
不同的分層系統(tǒng)
有和沒有穩(wěn)定器的系統(tǒng)
許多涂層系統(tǒng)是專門為揭示某些失效模式而配制的。其他配方含有穩(wěn)定劑，因此預(yù)計(jì)不會(huì)出現(xiàn)故障模式。該設(shè)計(jì)的目的是評(píng)估加速老化試驗(yàn)循環(huán)的假陽(yáng)性和假陰性結(jié)果。表5顯示了樣本集的代表性樣本來(lái)說(shuō)明這一點(diǎn)。
為了評(píng)估這些涂層，研究人員綜合運(yùn)用了視覺和分析技術(shù)。顏色和光澤讀數(shù)，由儀器進(jìn)行，伴隨著視覺評(píng)估，以尋找物理缺陷。與早期的福特研究一樣，PAS-FTIR用于測(cè)量光氧化。為了測(cè)量紫外吸收劑在某些涂料體系中的遷移，使用了紫外顯微光譜。這項(xiàng)測(cè)試需要從面板上沖壓出一個(gè)1厘米的圓盤，并執(zhí)行一個(gè)艱苦的程序來(lái)隔離涂層膜以進(jìn)行測(cè)量。
所有標(biāo)本都在南佛羅里達(dá)的一個(gè)試驗(yàn)場(chǎng)暴露了至少兩年。汽車面板每6個(gè)月返回同一實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行評(píng)估。每3個(gè)月評(píng)估一次航空航天涂層的顏色和光澤。
加速測(cè)試在Atlas Ci4000和Ci5000旋轉(zhuǎn)架氙弧測(cè)試室和Q-Lab的平面陣列Q-SUN Xe-3-HS中進(jìn)行。研究中總共使用了6個(gè)旋轉(zhuǎn)支架和4個(gè)平面陣列試驗(yàn)箱。此外，根據(jù)SAE J1960/J2527，在Ci35中測(cè)試了一些樣品。對(duì)曝光進(jìn)行定時(shí)，以在340 nm下達(dá)到最小3000 kJ/m2。
最初的SAE方法在預(yù)測(cè)許多涂層的顏色和光澤損失方面顯示了可接受的準(zhǔn)確性。該循環(huán)中的缺陷導(dǎo)致其不能再現(xiàn)光氧化、開裂、起泡和分層。因此，這項(xiàng)研究主要集中在這些領(lǐng)域。如上所述，早期的Ford工作已經(jīng)確定了氙弧老化室中常用的濾光器和陽(yáng)光之間的光譜失配是老化循環(huán)期間光氧化不準(zhǔn)確再現(xiàn)的主要原因。如上所述，開發(fā)了一種改進(jìn)的濾光器用于老化應(yīng)用，并在本研究中使用。
圖7、8和9顯示了佛羅里達(dá)州典型日的濕度和輻照度循環(huán)、舊的SAE循環(huán)和ASTM D7869公布的新循環(huán)的示意圖。這個(gè)新循環(huán)代表了實(shí)驗(yàn)室老化循環(huán)中兩種常用方法的混合。在熒光紫外測(cè)試器(如QUV氣候試驗(yàn)箱)中，長(zhǎng)時(shí)間的潮濕和光照交替是很常見的，因?yàn)樵摷夹g(shù)起源于涂層起泡的冷凝測(cè)試器?？焖傺h(huán)旨在將室內(nèi)典型的每日暴露壓縮到幾個(gè)小時(shí)內(nèi)，這是許多氙試驗(yàn)循環(huán)的共同特征，包括最初的SAE循環(huán)。
在這項(xiàng)研究中，12小時(shí)的噴水黑暗步驟，然后12小時(shí)的無(wú)噴水輻照能夠在佛羅里達(dá)暴露后表現(xiàn)出這些失效模式的涂層中產(chǎn)生起泡和分層。這一結(jié)果證明了在實(shí)驗(yàn)室中重現(xiàn)水分吸收的重要性。該循環(huán)不能在戶外試驗(yàn)中經(jīng)歷這種失效模式的涂層中重現(xiàn)裂紋。在福特的這些后續(xù)研究中，研究人員采用了詳盡的迭代方法，調(diào)整了長(zhǎng)時(shí)間噴涂和輻照循環(huán)以及快速光/暗/噴涂/溫度循環(huán)的周期，以優(yōu)化所有涂層類型的所有失效模式的相關(guān)性。這些實(shí)驗(yàn)持續(xù)了幾年。ASTM D7869公布的最終周期如表6所示
新的循環(huán)顯示出與南佛羅里達(dá)戶外測(cè)試結(jié)果的良好相關(guān)性，測(cè)試了所有降解模式和所有涂層系統(tǒng)。第一次，一次曝光就正確預(yù)測(cè)了顏色和光澤喪失、起泡、開裂、附著力喪失和光氧化的戶外結(jié)果。另一種降解模式，即紫外線吸收劑的消耗，在新的周期中得到了很好的再現(xiàn)，但沒有以與化學(xué)降解相同的速度發(fā)生。
一個(gè)非常有趣的發(fā)現(xiàn)是“溫度和干濕循環(huán)的頻率也與佛羅里達(dá)的暴露程度成比例?！币粋€(gè)典型的佛羅里達(dá)日導(dǎo)致8.4千焦暴露在340納米的輻射中。最初的SAE循環(huán)(J1960/J2527)導(dǎo)致每個(gè)應(yīng)力循環(huán)3.9 kJ。新方案的結(jié)果是每個(gè)應(yīng)激循環(huán)9.9千焦，比SAE循環(huán)更接近自然條件。換句話說(shuō)，在降解涂層的自然老化因素的整體模擬方面，新循環(huán)優(yōu)于SAE J2527。
新協(xié)議不僅能更好地模擬自然氣候，而且速度更快。如果是基于輻射劑量的測(cè)試，兩個(gè)測(cè)試差不多。然而，從時(shí)間上看，新協(xié)議比J2527快40%。這是因?yàn)樾轮芷诒扰f周期使用更高的輻照度，并且輻照度的總持續(xù)時(shí)間比以前稍長(zhǎng)。
然而，新的測(cè)試并沒有提供一個(gè)通用的加速系數(shù)，也就是通常被老化專家稱為“神奇數(shù)字”的系數(shù)本研究中計(jì)算了加速因子。對(duì)于汽車涂料，它們的范圍從8到16。換句話說(shuō)，一個(gè)月的新協(xié)議測(cè)試相當(dāng)于南佛羅里達(dá)8到16個(gè)月的戶外測(cè)試。對(duì)于通常沒有透明涂層的航空涂層，加速系數(shù)要小得多，大約為3到4。對(duì)于不了解材料室外性能的人來(lái)說(shuō)，使用這種方案時(shí)，假設(shè)加速系數(shù)會(huì)有很大的誤差空間。戶外測(cè)試的需求仍有待消除。
實(shí)驗(yàn)室加速老化的技術(shù)水平已經(jīng)得到了發(fā)展。對(duì)于多種涂層系統(tǒng)及其所有關(guān)鍵失效模式，單次實(shí)驗(yàn)室暴露首次能夠與室外暴露精確關(guān)聯(lián)。新協(xié)議比它的前身更好更快。
實(shí)現(xiàn)這一結(jié)果所需的技術(shù)突破包括:
l為氙弧老化室開發(fā)了一種新的濾光器，可以更好地匹配太陽(yáng)光。
l精確測(cè)量涂層的室外吸水量和氙弧老化設(shè)備的水分釋放量的方法
l傳統(tǒng)熒光紫外和氙弧測(cè)試循環(huán)強(qiáng)度的新型組合。熒光紫外測(cè)試通常在長(zhǎng)時(shí)間黑暗潮濕循環(huán)和長(zhǎng)時(shí)間紫外循環(huán)之間交替進(jìn)行，輻照度比最大陽(yáng)光略高。氙測(cè)試通常包括在潮濕和干燥條件下的快速循環(huán)，并在比最大陽(yáng)光略低的輻照度下運(yùn)行。新的氙弧協(xié)議包括在高輻照度下交替進(jìn)行濕循環(huán)和光循環(huán)，以及快速循環(huán)以產(chǎn)生熱應(yīng)力。
與本文關(guān)聯(lián)的產(chǎn)品:
