汽车外部涂料最重要的特性之一是寿命。预测寿命或使用寿命的能力是为原始设备制造商(oem)开发新的汽车涂层技术的关键。虽然暴露测试是在佛罗里达州等自然环境中进行的,但仅将这些测试结果用于汽车涂料开发既不节省成本也不节省时间。



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为了加快产品开发过程,使用加速风化试验来预测涂层技术的寿命,所需时间仅为现场测试所需时间的一小部分。加速系数可高达10倍,即在一年的加速测试中获得相当于10年的现场测试。使用了许多加速测试,包括QUV、SUGA和Weather-Ometer (WOM)。用户(如汽车原始设备制造商)和机构(如SAE, ASTM等)指定了各种规格和许多不同的方法。



表2。点击图片查看大图。
用于测试汽车OEM涂料的常用规格是SAE J1960或SAE J2527(详见表1中的周期细节)。这两种规格的周期是相同的,但可以在不同的加速风化设备上运行。加速方法通常需要特定的光源、优化紫外线曝光的滤光片、特定的明暗时间循环、特定的湿度和湿度控制,以及特定的测试室或被测试部件或面板的温度控制。这些测试方法的典型目标是相对于佛罗里达的夏天加速暴露。与全球其他环境相比,佛罗里达州的高温、潮湿和降雨似乎对汽车涂料造成了最严重的损害,因此它已被确立为风化基准。



图1所示。点击图片查看大图。
虽然这些加速方法在涂料工业中得到了广泛应用,但这些方法存在许多缺陷,可能会给出与实际现场结果不相关的加速结果。188BET竞彩在实际车辆上发现了未在标准批准的加速风化试验中显示的分层失效和湿度引起的开裂失效(图1和图2)。在汽车OEM涂料中看到的结果可能如表2所示。

涂料行业众所周知,这些测试中的光源与阳光并不完全188BET竞彩匹配。人工光源与阳光相比具有不同的强度和波长分布,加速风化与现场试验相比可提供不同的风化结果。福特和3M公司最近的工作有可能缩小这一差距,但还有其他问题需要解决。包括Ford1和GE2在内的许多来源也透露,加速测试中的湿度和水控制是不正确的。通用电气和福特通过将与湿度相关的测试(如水暴露或浸泡测试)与加速风化技术结合起来,与现场测试结果的相关性更好。



图2。点击图片查看大图。

加速风化的因素

虽然目前的工作在正确的轨道上,但仍有许多因素需要控制,以使加速老化测试与汽车OEM涂料的现场结果完全相关。为了控制加速风化的所有因素,必须了解实际的野外条件。考虑到这些加速试验是为匹配佛罗里达州夏季环境而设计的,因此从拜耳材料科学公司安装的气象站收集了佛罗里达州杰克逊维尔整个2004年夏季的天气数据(图3)。气象站在研究期间(2004年5月25日至8月30日)每5分钟测量一次降雨量和pH值、面板温度、露点、相对湿度%、太阳辐射和测压元件输出。188金宝搏bet官网选择这个位置的原因是,人们可以在类似于南佛罗里达的环境中,将这些数据与酸蚀现象和总体天气条件联系起来,大多数现场测试地点都位于南佛罗里达。将这些数据与南佛罗里达州收集的实际数据进行比较,表明在收集数据的时间段内,天气状况具有可比性。一份单独的出版物对该数据与酸蚀现象进行了评估



图3和图4。点击图片查看大图。
基于涂层的风化循环和结果,加速风化试验的几乎每个方面都存在问题。这些因素包括以下因素:

  • 光的强度和分布(似乎有一个最近的解决方案);

  • 测试方向;

  • 水-适量的正确类型的水,适当的温度;

  • 温度-在循环的黑暗和光明部分的适当的最高和最低温度;而且

  • 时间-运行明暗循环的适当时间持续时间,包括加速因子。



    光的强度和分布

    由于福特d1和3M3的工作似乎正在解决灯光问题,所以首先要解决的问题是测试方向。虽然在垂直方向上进行测试在设备设计方面可能具有一些后勤优势,但在现场环境中关联所有类型涂层的结果可能很困难,如果不是不可能的话。例如,主要用于垂直方向的建筑涂料可能与垂直加速试验相关。然而,在汽车涂料中,大多数故障都发生在水平表面,因此很难在垂直测试方向上获得相关性。虽然大多数因素可以在等同于水平的垂直方向上获得,如温度和光照,但可能很难或不可能匹配水平表面的湿度和暴露对垂直方向的测试柜中喷水的影响。还有重力的问题,垂直方向可能会有更多的洗涤动作,但与水平方向相比,更少的洗涤,但更多的水在涂层上和内部。由于方向的真正问题是与控制湿度和水暴露到测试样品的能力有关,必须生成具体的数据来了解如何控制加速测试的这一领域。



    表3。点击图片查看大图。

    虽然各个现场测试地点都报告了相对湿度百分比和湿润时间等数据,但与测试表面接触的总水量(包括雨水和露水)以及涂层内部的总水量作为时间和温度的函数的数据从未被执行现场测试服务的公司获得或报告。为了尝试生成这些数据,在佛罗里达州杰克逊维尔的一个测压元件上暴露了一块9 1/2 x 9 1/2英寸的铝板,记录了可以转换为质量或体积单位的电流输出(假设水的密度为1 g/cm3)。使用铝板来满足测压元件的输出要求,同时具有暴露在水中时保持其几何形状的刚性(图4)。为了确定电流和质量之间的关系,在面板上放置了特定的重量,以得到将电流输出转换为质量单位的方程。在暴露期间每两周进行一次校准,以验证测压元件输出(表3)。

    从2004年5月25日到8月30日,测压元件输出记录为每5分钟一个数据点。虽然有几个事件干扰了测压元件的输出,但从2004年6月30日至8月25日(56天)收集了非常好的数据。来自测压元件的数据实际上可以告诉我们接触面板表面的水的总体积,表面有水的面板的温度,以及面板湿润的时间。风和面板上的碎片等因素干扰了获得涂层内部实际水量的能力。

    在2004年6月30日至8月25日的56天内,测压元件记录的总水重量为41加仑。据了解,其中大部分是相同的水在面板表面停留了一段时间。3个月的户外暴露与约300小时的SAE J1960/J2527暴露相关(这已在巴斯夫通过光氧化测量得到验证),其中大约3加仑的水喷在面板上(约。0.2加仑/平方英寸涂层表面积)基于实验室测量。最大的差异是J1960/J2527在田间白天与光+喷雾循环时接触地表的水量。在现场有很多情况,涂层表面在70 - 120华氏度(约20 - 50摄氏度)的温度下完全被水覆盖,时间长达18小时(典型值为8-12小时)。这些情况通常发生在晚上面板收集露珠时,随着太阳升起和面板温度升高,最终从涂层表面蒸发掉。这发生在很少或没有太阳辐射的情况下。在J1960/J2527中,接近此温度的光+喷涂循环发生在高辐照度值下,仅向涂层表面提供少量的水。



    表4。点击图片查看大图。
    从J1960/J2527风化过程的光循环和暗循环中收集和称重水,并在两个循环前后在分析天平上称重面板,以确定水分吸收。在实际的J1960过程中,通过直观地观察这一步骤,可以明显地看到面板永远不会完全被水覆盖。这导致了一个数量级较少的水的涂层膜的吸收。

    虽然不可能直接比较来自J1960的垂直喷射和水平场曝光,但可以合理地在实验室中进行与准确的现场条件相匹配的水浸泡实验,并将其与J1960工艺的明暗循环中发现的吸水值进行比较。水浸试验结果表明,总吸水率随面板温度和涂层总重量/厚度的增加而增加。在运行J1960/J2527的标准天气计中,在光照加喷雾循环中,涂层膜中所含的最大体积水最多为1%,在黑暗加喷雾循环后,根据水的体积与面涂层层的体积的比值,涂层膜中所含的最大体积水约为3%。与浸泡测试和常规湿度测试相比,该值较低。根据浸泡温度和时间的不同,水平位置的浸泡测试面板可以吸收多达3倍的水量(3-10%)。



    图5和图6。点击图片查看大图。

    温度和时间

    当测压元件面板完全被水覆盖时,评估了与特定现场条件相匹配的各种温度和时间。在环境温度下,当露珠附着在涂层上时,大部分的吸水和湿度相关的损伤发生在8-12小时内。表4和表5显示了一些天气数据,这些数据演示了在白天进入露/暗周期和最终干燥面板的过程。表4的最后三列显示了雨水事件吸水的开始,表5中红色的值显示了显著的变化,例如水最终从面板表面完全蒸发的点。虽然涂层在高温下可以在更短的时间内吸收更多的水,但在50摄氏度及以上的温度下,涂层饱和的时间相当短。然而,即使在这么短的时间内,涂层也能比J1960/J1885的光加喷雾周期吸收更多的水。部分水浸泡数据和吸水数据示例如图5-8所示。



    图7和图8。点击图片查看大图。
    该数据表明,在J1960或J2527加速风化试验中,涂层的水分暴露不足。有可能修改测试周期,以实现适当的吸水,甚至在垂直方向。还需要做更多的工作来确定在相同的测试条件下,垂直和水平面板方向是否能够实现相同的吸收。目标应该是将吸水率与加速风化周期相匹配,与模拟现场条件的可比浸泡数据相匹配。虽然现场与J1960/J2527的湿润时间具有可比性(52 vs. 50%),但J1960/J2527中渗透到涂层膜中的水的量,特别是在光照+喷雾循环中,不足以显示佛罗里达州曝光板和实际车辆中出现的与湿度相关的故障。



    表5所示。点击图片查看大图。

    水的温度

    施用水的温度也必须加以考虑。来自佛罗里达州夏季的数据表明,典型的水温约为20 - 25摄氏度。J1960/J2527中用于喷洒的水温没有特定的控制。巴斯夫加速风化柜的喷水温度从10℃到25℃不等,不同的水温会对面板温度产生随时间变化的影响,也会影响加速装置控制面板温度的能力。当很冷的水喷在热涂层表面时,与室温水喷在同一表面时,会引起更大的应力。此外,由于水温和由此产生的涂层温度较低,水渗透到涂层膜中的情况也会较少。

    pH值

    另一个需要考虑的问题是应用水的pH值。虽然在喷雾应用中使用去离子水进行加速天气测试当然很方便,但不存在去离子水像雨一样落下或凝结成露水这样的事情。野外真正的水有不同的离子浓度和pH值。2004年夏天在杰克逊维尔收集和分析的大部分露水和降雨都是酸性的。收集到的露珠的平均pH值约为6.4,收集到的降雨的平均pH值为6.1。收集到的所有水的平均pH值为6.4,最小pH值为3.6。露珠和雨水中含有酸雨的典型离子,如SO4、NO3、Cl、Na、K、Mg和Ca离子。虽然从机械和后勤的角度来看,使用去离子水以外的水是不方便的,但由于没有使用更能代表佛罗里达环境的水,我们可能会错过水解反应的影响。在实际单位和现场曝光面板上都发现了蚀刻型损伤。使用一些酸性喷雾剂可以复制这种损伤。

    面板温度

    虽然已经讨论了应用水的温度,另一个关键因素是面板温度。2004年夏天在杰克逊维尔测量到的面板最高温度为78.9摄氏度(174华氏度),在三个月的时间里,面板温度超过70摄氏度的时间只有大约6个小时。与此相比,J1960/J2527周期在此温度或以上的时间约为150小时。假设现场平均光照时间为13.5小时,黑暗时间为10.5小时,这将转化为面板温度在70摄氏度或更高时0.5%的光照时间。相比之下,在J1960/J2527流程中大约有50%的时间。这本身就表明,70摄氏度对于加速测试来说可能太高了。然而,有人可能会说,既然最高温度这么高,用它作为加速试验温度是合适的。此外,有记录的数据显示,实际车辆上的实际温度也更高。问题可能不是最高温度,而是温度变化的速度。

    在佛罗里达州的天气数据中,面板的温度表明,每天晚上地表温度下降到环境温度。这个值通常是20-25摄氏度,所以在大约10.5小时的暗周期中,温度应该接近或等于环境温度。对于大多数涂层来说,这将是低机械应力的条件。可能会发生一些小的反应,因为水在晚上的大部分时间里都在电池板上。尽管有这些数据,在J1960/J2527协议中,面板温度从未冷却到环境温度。J1960/J2527在黑暗周期的典型最低温度约为100华氏度(38摄氏度)。虽然众所周知,与面板相比,车辆的实际水平表面冷却到环境温度需要更多的水和更多的时间,但这些表面最终会冷却到环境温度。在J1960/J2527过程中,由于不允许面板冷却到环境温度,在实际现场条件下,涂层上存在不适当的机械应力。虽然已知在较低的温度下,水渗透到涂层膜中的程度是最低的,但J1960/J2527中100华氏度(38摄氏度)的暗加喷雾仍然不足以使涂层膜与水饱和,并产生与湿度相关的缺陷。

    另一个问题是,在J1960/J2527中,光循环期间的喷雾发生在最高温度下,面板仍然被加热,以保持喷雾期间高于环境温度。相比之下,佛罗里达州的天气数据显示,在一场典型的降雨发生前,气温会下降约20摄氏度。通常情况下,云先形成,面板温度在下雨之前下降。J1960/J2527忽略了这个简单的事实。有人可能会说,这是因为可能会有一个瞬间的情况,水会在70摄氏度的温度下击中面板,但在实际的现场条件下,这种情况很少发生。在杰克逊维尔气象站记录的30多个小时的降雨中,面板温度超过100华氏度(38摄氏度)的时间只有10分钟(0.55%)。相比之下,J1960/J2527测试的成功率超过40%。水在较低温度下撞击涂层表面所引起的机械应力要比在较高温度下喷水时小得多。这一数据表明,在稍低的面板温度下需要更多的水,以使足够的水浸入涂层膜中,而不会对涂层产生不自然的机械应力。



    表6所示。点击图片查看大图。

    周期时间

    周期时间也需要解决。一般的天气数据确实显示佛罗里达州夏季有超过50%的光照时间。夏季的平均光照时间为13.5小时,黑暗时间为10小时。也就是说56%是亮的,43%是暗的。这可能表明J1960/J2527中的67/33光/暗周期不适合佛罗里达夏季曝光。J1960/J2527周期的当前加速因子为8:1;这意味着一年的加速暴露大约等于八年的佛罗里达暴露。在这一点上,很难说8:1的加速度因子是否真的可以修改以匹配现场结果。很明显,目前的过程没有反映现场的实际情况。表6总结了这些因素。

    结论

    鉴于这些差异,很明显,需要开发一种新的加速风化暴露测试方法,以便更好地与汽车OEM涂料的实际现场结果相关联。在这些不断变化的日子里,涂料行业在更短的时间内需要更好的产品是必不可少的。188BET竞彩这些产品将需要证明成本效益和改进的性能。为了满足不断增长的行业需求,所使用的每一个实验室测试都需要可靠,并与实际现场结果提供良好的相关性。目前针对汽车涂料的加速老化测试在许多领域确实存在不足,需要解决这些问题,以便能够以高效的方式为行业提供更耐用的涂料。

    致谢:A. St. Pierre, D. Campbell, H. Valatka, D. Barber, M. Garner和P. Jacobs对本文的贡献也得到了认可。