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通过q-lab老化试验箱分析木材涂层老化和预测其耐久性

发布于:2022-09-19
相关标签: QUV紫外老化

摘要

木器涂料的性能分别通过EN927-6和EN927-3的人工气候试验和自然气候试验进行评价。在这两种情况下,暴露后样品的降解主要通过视觉评估来控制,如开裂、剥落、起泡、粉化、霉菌生长。与未暴露的样品相比,这些主观评估按0(无变化)至5(严重变化)的等级进行评级。为了避免降解过程中的主观解释,通过分析方法对木材涂层老化进行了分析。本文报道了通过量热法研究对人工和自然老化的分析。目的是研究两种暴露类型的玻璃转化温度Tg的变化,并找到Tg和木材涂层系统耐久性之间的联系。

在不同类型的老化过程中,醇酸染色剂的玻璃转化温度的变化

在以前的研究项目中,研究木器涂料的自然和人工老化的方法是在醇酸树脂染色剂上开发的。它包括测量聚合物的玻璃转化温度(Tg)随老化时间的变化。Tg是一个有趣的特性,因为它根据聚合物的结构参数而变化,如表1所示。

表1 结构参数对Tg值的影响

不管是什么类型的老化,实验结果表明,玻璃转化温度在老化初期会增加,然后稳定在一个渐进的Tg∞值,如图1所示。这些变化是典型的朝向极限值的指数式增长。为了描述Tg随时间的变化,提出了一个模型如下:

Tg (t) = Tg0 + Tg1 (1-exp(-t/τ ))

其中 Tg = Tg0 当 t=0 和Tg → Tg∞ = Tg0+Tg1 当t→∞

τ是一个时间常数。

图1 Tg的变化与老化时间的关系

由于紫外光和温度的影响,涂层交联继续进行。如表1所解释的,新的键形成导致Tg增加。在所研究的老化期间,由于没有观察到Tg的降低,大分子网络没有发生化学降解。

人工和自然老化可以用三个数据来表征:Tg0、Tg∞和τ。 在三种类型的老化之后,对醇酸污渍的这些数据进行了比较:

巴黎附近12个月的自然老化

在轮毂上进行1300小时的人工气候老化(循环=在蒸馏水中12分钟,在环境大气中27分钟,在6个紫外灯下24分钟,在环境大气中27分钟)

q-lab老化试验箱QUV中进行500小时的人工老化(周期=用UVB-313nm照射5小时,喷水1小时)

结果见表2。

老化

Tg0(℃)

Tg∞(℃)

 Τ(h)

自然

3.8

27.4

714

人工/轮毂

3.8

24.8

60

人工/QUV

6.2

16.5

50

自然老化后,醇酸污渍的最高玻璃转化温度约为27℃。用砂轮进行人工老化后,最高玻璃转化温度约为25 ℃,这与自然老化后获得的玻璃转化温度非常相似。这意味着轮毂再现了在自然老化中观察到的Tg变化。在q-lab老化试验箱QUV中人工老化后,醇酸污渍的最大玻璃转化温度为约16 ℃,这比在自然老化和用轮毂人工老化中获得的值低得多。

自然老化的时间常数τ约为700小时,用轮毂人工老化约为60小时,用q-lab老化试验箱QUV人工老化约为50小时。因此,轮毂将自然老化过程中观察到的现象加速了约12倍,而QUV产生的加速度约为14倍。

此外,所开发的模型允许表达涂层的固化速率

紫外线吸收剂对玻璃转化温度变化的影响 用用3%紫外线吸收剂(羟苯基苯并三唑)改性的相同醇酸着色剂进行了类似的实验。图2显示了使用轮毂进行人工老化的结果示例。

图2:人工老化过程中Tg的变化(轮毂)/紫外线吸收剂的影响

所建议的模型对于含有紫外线吸收剂的醇酸污渍仍然有效:观察到Tg增加,然后稳定,但是数值低于没有紫外线吸收剂的相同涂料的数值。在没有紫外线吸收剂的涂层上可以观察到裂纹,而具有添加剂的涂层是完整的。由于其较低的Tg值,这种材料更加灵活,可以更好地适应木材的尺寸变化。

自然老化周期对玻璃转化温度变化的影响

对于自然老化,暴露时间对Tg变化有影响,最高室外温度和Tg之间的联系如图3和图4所示。

对于自然老化,暴露时间对Tg变化有影响,最高室外温度和Tg之间的联系如图3和图4所示。

在图3中,在老化的第一个月,室外温度高于Tg。聚合物可以继续交联,导致Tg增加。从九月开始,室外温度明显下降。它导致Tg的稳定。低温阻碍了聚合物网络的形成。在图4中,在最初的几个月中,室外温度低于Tg,并使网络保持其状态。这就是Tg变化不大的原因。从三月开始,室外温度的升高使得Tg升高。与之前一样,从9月份开始,室外温度的下降导致Tg趋于稳定。

不同类型涂层在不同类型老化过程中玻璃转化温度的变化

上面建议的模型是在醇酸染色剂上开发的。因此,使用不同类型的涂料(溶剂型和水性)和不同类型的老化进行了进一步的实验,以检查该模型是否可用于所有情况。

表3中描述的五种涂层系统已经应用于樟子松样品。

表3所用的5种涂层说明

将样品暴露于三种不同类型的老化中,并在不同的老化时间进行Tg测量。比较了以下结果:

巴黎附近的自然老化,历时13个月

在1200小时内用轮毂进行人工老化(与上述周期相同)

q-lab老化试验箱QUV进行人工老化:在这种情况下,循环与上述不同,但如下进行:48小时冷冻(-20℃),然后24小时冷凝(45℃),然后在96小时期间(3小时UV-340nm,然后1小时喷雾)。一个周期持续1周,一直重复12周(2016h)。这个循环来自于同期进行的Arwood项目。

已经使用了模型Tg (t) = Tg0 + Tg1 (1-exp(-t/τ))。由于以下计算,实验数据和计算数据之间的距离已经最小化:

实验数据和计算数据之间的距离已经最小化公式

则决定系数r计算如下:

决定系数r计算公式

给出了QUV(图5)和轮毂(图6)人工老化期间系统WB3的结果示例。

图5:QUV WB3涂层系统的Tg变化

对于每个涂层系统,即使使用q-lab老化试验箱QUV,在自然老化中获得的Tg∞值也接近在人工老化中获得的值。因此,这里使用的循环(来自Arwood项目)比之前的循环(5h UV-313nm+1h喷雾)更有趣,可以再现自然老化中发生的情况。

图6:车轮上涂层系统WB3的Tg变化

r²的值表明,该模型很适合所有的涂层,也许除了WB2。

经过一年的自然老化后,对样品的检查没有发现任何缺陷。对其他涂层在自然老化2年后的类似研究表明,出现裂纹的涂层的Tg值高于30℃。因此,通过配制Tg值低于30℃的涂层,可以获得更好的耐久性。

表4比较了不同涂层系统在三种老化类型下的特征数据Tg0、Tg∞和τ

结论

通过测量玻璃转化温度(Tg)研究了不同涂层的自然和人工气候老化。有人建议用一个模型来描述Tg的变化。这种型号似乎适用于大多数涂料。与自然老化相比,验证不同的人工老化循环是有用的。已经显示出Tg和耐久性之间的联系。Tg值越低,耐久性越高。