室外风化必须验证加速测试| 2011-05-01 | PCI杂志

室外测试对于加速测试的验证是必不可少的。

目前，所有的风化测试都是使用室外暴露地点或室内加速测试设备完成的。这两种主要的测试类型是不一样的。加速试验是在实验室中使用受控的人工光源进行的，而自然风化是在有真实阳光但所有曝光参数都不受控制的大型室外场地进行的。表1给出了室外和加速试验的比较。摆在我们面前的选择是，是使用模拟条件下的快速受控曝光法，还是以逼真性著称的慢速非受控测试法。对许多人来说，选择的是速度而非实质。

表1点击放大

当决定遵循哪种类型的测试程序时，可能会有一些“心理”因素无意中影响结果。为了对测试做出更明智和可靠的选择，我们需要了解这些偏见，或者我们可能称之为风化神话。注意:神话是一个未经证实的传说，一个故事已经存在了很长时间，它本身就具有真实性。

风化的神话

神话# 1:加速测试100%可重复。事实上，加速测试和其他测试一样多变。事实上，即使是在最严格的测试中，加速风化作用也会在结果中产生很大的变化。同一设备的重复试验和不同实验室的可重复试验可能有很大差异。ASTM委员会G03(1)在20世纪90年代进行了一次大型循环试验，发现几种设备的结果差异可能高达30%。通过正确的操作可以减少这种差异。

神话# 2:任何退化都是好的。事实是，错误的退化模式是不好的结果。如果加速试验不能再现真实世界或室外试验中的失效模式，则不应采用加速试验。例如，如果涂层在室外通常表现为中度白垩化，但在加速测试中表现为严重开裂，这表明发生了不同的失效机制，因此结果是没有意义的。加速试验箱必须产生与室外相同的失效类型。

神话# 3:室外风化需要5年才能提供有用的数据。事实上，户外测试可以在12个月内获得有用的数据。虽然可能需要等5年才能发现5年的降解情况，但在接触的头12个月就可以获得许多有用的信息，例如区分好材料和坏材料。事实是，通过正确的实验设计和丰富的评估，可以获得有意义的数据，大大增加加速数据的置信度。

谬论# 4:风化试验数据绝对可靠。事实是，没有一个单一的测试会产生完全的相关性。有许多材料规格要求暴露单个测试样品，并设置了合格/不合格阈值。例如，如果3.0 DE单位的色差是标准，那么2.9的值通过，但3.1不合格。然而，我们知道颜色测量设备的可变性是这样的，任何色差小于1de单位的比较都是没有意义的。人类感知的极限也不超过1.0 DE。

误区5:排名数据是弱数据。事实是，如果应用得当，排名数据可以是强大的。有一种观点认为，非参数统计(如排名)没有任何用处，因为它们基于不太强大的技术。如果应用得当，排序数据可以用来证明我们在风化作用中测试的许多假设。排名数据与主观评价中产生的数值数据效果很好。

不可预见的问题

作为测试行业，我们面临的问题是，许多公司只对其材料进行加速风化测试。188金宝搏bet官网户外测试要么被赋予二等地位，要么被简单地忽略。将新材料推向市场的时间压力迫使缩短了开发周期，这影响了耐久性测试。现在大多数产品开发都是根据加速测试的结果来完成的，许多材料规格也会接受只有加速测试结果的材料。

只使用加速测试可能会出现不可预见的问题。主要的结果是，该材料的配方是为了抵抗人工气候。随着测试、重新配制和重新测试的循环不断进行，最终的结果是一种材料可以承受模拟和受控环境的暴露。当在实验室中通过测试的材料在最终使用环境中失效时，可能会导致现场故障。

加速试验在预测室外情况时并非100%可靠。寻找一种具有完美相关性的通用测试方法，就相当于我们行业对圣杯的追求。相关因素不能从一种材料转移到任何其他材料，也不能根据协议转移到不同的室外气候。如果我们能在加速测试中确定完全一致，唯一需要再次进行室外风化的是我们与新的气候进行比较。但即使是在假定没有任何变化的情况下进行重复测试，也会得出不同的结果。只使用加速测试意味着在试图确定材料的真实可靠性时要冒很大的风险。

相关

为了老化试验的目的，ASTM G 113对相关性的定义如下:(3)“室外试验和加速试验结果之间的一致性”。因此，加速试验的结果应该与室外试验的结果相匹配。大多数针对这一难以捉摸的目标的研究都集中在加速测试上，但很明显，相关性的关键在于室外测试。没有室外风化作为基准，就无法为加速试验提供固定的比较。

成本

令人惊讶的是，不做户外测试的主要借口之一是成本因素。这应该是最不值得担心的问题，虽然这可能不是一个技术问题，但我们确实认识到，由于认为风化测试昂贵的误解，许多重要的技术问题没有得到解决。应该考虑的是不测试的成本。

表2点击放大

表2比较了一个典型的户外测试的成本和不做测试的成本。为了每年节省高达1000美元的预付款，你可能会冒着损害公司声誉的风险，还可能面临数百万美元的保修更换费用，以及潜在的诉讼。室外风化试验的小额投资应与不进行试验的潜在成本进行比较。

注:这些数字仅具代表性，并不反映任何特别收费。这些服务的不同商业供应商之间，以及商业服务和自己进行测试之间的测试成本可能不同。

循环条件

我们看到许多报告表明相关性差的原因之一是风化室中的风化因素与室外环境中的不同。腔室内的条件可以在表3中的任何条件之间循环，但有许多因素缺失。

表3点击放大

从表3可以看出，大多数加速风化试验装置都包含三个基本的风化因素。右边的柱状图显示，影响室外风化的因素还有很多。每一个新的因素都为更多相关的交互提供了可能性。

周期时间比较

即使我们只看户外和加速测试中出现的这些因素，在周期计时上也有差异。对于室外测试，我们每天处理一个复杂的循环，而在加速设备中，我们每天处理多个复杂的重复循环。表4总结了循环条件的差异。

表4点击放大

周期率比较

与室外环境每天只有一个循环相比，加速试验中可能有多达12个完整的循环。一段时间以来，我们已经知道，周期性照射往往比稳态照射更严重。从一种稳定状态到另一种稳定状态的转换使材料处于压力下并导致退化。因此，循环中更快的周转应该增加材料的降解，因为它受到更多可能导致降解的条件的影响。在现实中，这可能是真的，也可能不是。

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随着条件的变化，暴露的物质将试图与周围环境保持平衡。例如，如果材料是湿的，而大气是干燥的，材料就会变得更干燥，或者如果将冷的材料放在温暖的环境中，它就会开始升温。环境包含着比物质变化更快的可能性。如果材料在条件变化之前没有平衡到条件，材料将永远不会达到稳定状态(图1)。所有材料都有不同的适应周围条件变化的速率。188金宝搏bet官网因此，在同样的曝光中，很可能有些材料会平衡，有些则不会。188金宝搏bet官网有些材料不188金宝搏bet官网会完全达到稳态。

如果被测材料没有达到与周围大气的稳态平衡，这种效应就不会渗透到材料的深处。短周期只会对表层有影响。为了达到试样的内部，有必要延长循环时间，以使整个材料处于暴露条件的影响下(图2)。

图2点击放大

这种差异可以用“腔室因子”一词来概括。这意味着风化装置内部的变化条件不能与室外相匹配，除非循环时间和斜坡速率与室外相同。如果变化的条件与室外不匹配，对材料的影响就会不同。

由此我们可以得出以下结论。首先，很明显，风化室无法与户外的复杂性相匹配。在户外有更多的变量，周期时间有明显的不同。第二，因此，封闭的房间和开放的空间可能不会产生相同的结果。

加速测试设计

一旦我们理解了加速测试的缺点，我们就可以计划创建加速风化测试程序的方法。这是一个更大的承诺，而不是简单地把一些标本塞进我们找到的第一个有额外空间的加速风化装置。下面是一个计划的基本大纲，可以遵循它来获得最好的测试周期。

加速试验条件和周期应采用先模拟后加速的计划来制定。

确定极端风化因素，例如最高和最低温度、最大辐照度、相对湿度范围等。

确定材料的反应率。当从50% RH的大气移动到100% RH的大气时(以及相反的方向)，水分含量的变化率是多少?

根据物料达到稳态条件确定最小循环时间。

考虑一个不平衡的循环(如SAE J2527)来代替相同的、旧的重复(如102/18循环)。

一旦一个测试方法显示出了一些前景，就可以重复测试以证明可重复性。

通过一次增加一个参数的坚固性测试，可以用来确定加速度的极限。

加速度有多大?

图3点击放大

当你在模拟测试中加速度为零时，你可以期望接近100%的一致性。随着加速程度的增加，明显的反应是一致度会相应下降。在理想的测试中，一致和加速之间会有直接的关系，但典型的情况是存在阈值。在这里，对于一定的加速度，一致性仍然很好，但随后急剧下降(图3)。这是由于其中一个影响因素超过了临界点。

户外风化

您如何确保在有意义的时间框架内获得良好的数据?室外试验的设计必须在试验开始前正确完成。您的室外风化程序也需要一些提前规划。在开始曝光前必须确定测试目标。下面列出了一些良好的实践，以最大限度地提高相关性的成功机会。

尽快开始测试。

使用多个副本。

定期和经常评估。

每次测试至少有五个评估间隔。

使用对照或参考标本。

建立材料降解基线。

通常12到24个月就够了。

样本矩阵

典型的实验材料变量阵列是不平衡的。这将导致问题，因为需要将大量原始数据分成组才能看到模式的发展。多年来，我们一直听说进行外部暴露试验的正确方法是尽可能多地、尽可能快地暴露标本。如果没有正确的计划，在测试结束时收集的大量数据可能会使所有结果看起来都是随机的。我们对新测试方法的期望评估可能类似于下面的汽车涂料示例。

颜色:红、蓝、绿、黄、黑、白、灰(7个)

基材:钢、铝、塑料(3)

粘合剂:粘合剂A、粘合剂B (2)

颜色:反光，哑光，有光泽(3)

面漆:聚酯，硅胶(2)

样本数量是所有变量的倍数，在本例中为7 × 3 × 2 × 3 × 2 = 252。252的总数被认为是室外暴露测试的平均测试，但对于许多研究来说，这个样本集太大了，无法在加速测试中暴露。然后我们可以考虑部分样本集，这减少了样本的数量。从上面的计划中提取的一个较小的矩阵可能是这样的。颜色3，基材2，粘合剂1，颜色涂层1，面漆2为3 × 2 × 1 × 1 × 2 = 12的变量总数。这个集合可以被测试，如果结果是有希望的，那么矩阵的其余部分就可以被评估。

平衡设计

样本矩阵必须是平衡的，这样才能进行有意义的比较。为了得到有意义的结论，单个结果需要分组，为了正确地做到这一点，所有样本类型必须在所有测试中表示。

每个变量必须在每个测试中。

每次试验使用相同数量的试样。

在每次测试中使用相同数量的暴露时间。

自始至终使用相同的评估技巧。

评估时间表不必是均匀分布的。在测试的早期阶段安排更多的评估是可以接受的。这可能是实现更大数量变化的时候。复制的使用是最重要的。太多的试验都是用单一的样本来代表每个变量。测试结束时，是分析数据的时候，不是发现暴露的样本不够的时候。

更多的样本有助于更好的数据分析。

每种类型中至少有三个允许进行平均值、中位数和标准偏差计算。

样本越多，结果之间的差异越小。

参考资料188金宝搏bet官网

参考材料，也称为对照188金宝搏bet官网材料，是比较加速试验和室外试验的宝贵工具。参考或控制材料是具有已知性能的材料，这可以用来验证加速试验是否产生了正确的失效类型。使用参考材料来比较不同的测试或不同的暴露。加速测试只有在与室外暴露产生相同类型的退化时才有用。通过将任何测试的终点基于对照材料的降解量，我们可以判断其他材料是更好还是更差。188金宝搏bet官网

参考物质的结果可以用来“归一化”结果。188金宝搏bet官网如果我们知道在室外设定的时间范围内控制材料有一定程度的退化，我们可以用它来确定在加速装置中的时间等于在室外的时间。当从一个测试到另一个测试或从一个暴露到另一个暴露，达到这一点的时间量发生变化时，我们总是可以使用参考物质的响应来重置时间刻度。

另一个“最佳实践”方法是总是暴露一个好的和一个坏的“控制”材料。当测试中只包含一种控制材料时，它应该在包的中间有一个降解终点。也就是说，控制材料不应该是性能最好的，也不应该是性能最差的。这有时很难预测，所以更可靠的方法是包括两种对照材料。188金宝搏bet官网如果你将一种相对较好的控制材料和一种相对较差的控制材料结合在一起，就更容易确保它们的结果在组中的某个位置，这也有总是知道两个控制之间的“差异”的优势。

当我们谈论加速风化或室外风化的控制或参考材料时，这种材料是您自己的产品之一。188金宝搏bet官网这种材料不是那些标准的参考材料，如蓝色羊毛，或聚苯乙烯芯片。188金宝搏bet官网你的参考材料应该经常测试，或者在最终使用环境中应该有大量关于其已知性能的数据。

重复测试

这是最重要的，但经常被忽视，但您必须重复测试。这将通过确保重复性来证明测试方法是正确的。我们需要重复测试的数据来显示测试中固有的可变性。两种材料在性能上的差异必须大于测试本身的可变性，才有可能确切地说存在真正的差异。188金宝搏bet官网开发标准测试的第二步是证明它可以再次进行。最后，最好的做法是看看另一个实验室或另一个技术人员是否可以复制该测试。

未知数

确定并测量测试时将出现的未知因素。这是风化试验的一个事实，我们应该预料到意外。因此，当意外事件发生时，做好记录并保存数据。也许有一段时间，奇怪的数据揭示了一种模式。如果一个测试与另一个测试或室外测试与加速测试之间发生了不同的情况，这可能意味着存在不同的失败机制。

收集数据

为了正确地检查测试，我们的建议是确保在测试范围内至少有五个评估间隔。如果初始条件是这些区间中的一个，那就意味着我们需要其他四组结果。在作者看来，这是正确跟踪退化所需的最小数据集数量。应遵循以下三条规则。

表5点击放大

了解你的退化模式。这将确保当结果出来时，只有正确的退化类型是可以接受的。

所有测试的降解结果必须相同。如果在不同的测试中得到不同的失败模式，则该测试无效。如果在室外发现裂纹，并且在加速试验中出现起泡，则重新创建了错误的失效模式。

评估所有已知的退化模式。仅通过一种失败模式来判断测试并不是一个好的实践。在大多数情况下，通常有多种退化症状。仅对一种故障模式进行测试可能会阻止我们按照上面的规则2查看是否存在问题。保留所有原始数据，特别是在测试仪器色差时。

选择一种最能满足你需要的评估方式。表5比较了不同评估类型的优点。

表6中描述的测量技术是可以在风化试样上进行的分析类型的一个样本。无损检测可用于评定表面性能，具有所需试样较少的优点。破坏性测试将确定材料的固有性能，但由于在评估过程中试样被破坏，最初需要更多的试样。188金宝搏bet官网

表6点击放大

加速因子

加速度因子是最广泛要求的信息。我们经常被问到“在佛罗里达的风化室里待几个小时等于一年?”或“在欧洲生活多少年等于在佛罗里达生活一年?”我们无法回答这些问题，但我们可以就如何在特定测试中确定特定样本的这些数字提供说明。以下列表是如何确定您自己的加速度因子的指南。如何计算加速度因子的例子可以在时间退化曲线一节中找到。

创建加速因子的步骤总结:

使用时间与退化曲线;

比较加速和户外;

检查达到相同降解量的时间;

通过排名或比较手段进行验证;

如果结果相同，则计算加速度因子(AF);

AF =室外时间/加速时间。

数据分析

在一般的风化学领域，有两种检验数据的好方法。

图4点击放大

时间衰减曲线
如上所述，这种技术只需要随时间跟踪降解结果。把这些点画在图上，我们就能看到曲线的形状。并非所有的退化都是线性的。事实上，大多数退化曲线都显示出一段稳定时期，然后在某一时刻退化显著增加。通过比较同一组材料在加速和室外试验中的降解曲线，我们可以确定以下内容:188金宝搏bet官网

曲线的形状相似吗?这告诉我们失效机制是否相同。

在试验过程中，试样的相对性能会发生变化吗?这告诉我们，当我们对测试进行比较时，我们必须小心。

图5点击放大

测试的总体持续时间是否正确?在测试中确定性能差异的最有利点是存在最大分离的地方。样本之间的差异越大，意味着我们可以更容易、更有信心地得出相对性能排名。

图6点击放大

图4和图5中的时间退化图可用于生成图6中的加速度因子计算。图4、图5和图6中显示的数据只是如何进行这种计算的一个例子。

试验比较良好的另一个迹象是，所有单独的试样具有大致相同的加速因子。如果因素不同，这将说明加速试验不能很好地模拟室外暴露。

统计分析

情商。点击放大

所有的测试结果都应该通过某种形式的统计分析进行审查。正确的统计数据会告诉你所有你需要从考试中知道的重要事情。

测试方法真实吗?

测试结果可靠吗?

加速度因子是多少?

情商。点击放大

虽然有许多统计方法可用，但推荐两种简单而强大的统计方法。(4)平均值(学生t)的比较见式1，等级相关(斯皮尔曼rho)的比较见式2，由ASTM委员会G03推荐，可在ASTM G 169中找到。

最佳实践测试

表7点击放大

当开始您的风化测试时，您有许多选项可供选择。最佳实践是运行几个室外测试和几个加速测试，并使用上面的统计数据来确定哪种测试方法能提供最真实的结果。表7列出了当前户外和加速测试的技术可能性。

使用不同的室外位置来确保所有潜在的故障模式都得到了检查。当您发现哪种测试方法是最合适的，您可以使用该程序进行未来的测试。

注意:如果材料配方有任何变化，应重新验证测试曝光条件。当材料发生变化时，它对暴露条件的反应也会发生变化。使用对照标本，与新材料一起重新曝光。

表8点击放大

表8显示了一个可能的综合室外加速测试程序。在这种情况下，我们做了以下假设。该材料是一种汽车外部涂料，表现出光泽损失和颜色变化。制造商希望对这种材料的性能有五年的保修期。对该材料的早期测试表明，可以在改进的SAE J2527测试中重现失效模式。有一个新的指令来降低生产涂层的成本，测试实验室将确定更新和更便宜的配方是否与现有产品具有相同的耐久性。

把它们放在一起

室外试验对于加速试验的验证至关重要。室外试验可与加速暴露同时进行，使用正确的评价和统计分析可增加从加速试验中得出的结论的可信度。实验室加速测试是研究人员在开发新产品时可用的最有用的工具之一，但为了将错误结论的风险降至最低，需要实际的基线数据。没有人愿意在试样没有像加速试验预测的那样表现时感到惊讶。室外测试必须验证加速风化。

本文在由PCI杂志和芝加哥涂料技术学会主办的2010年涂料趋势与技术会议上发表。