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使用QUV/spray材料老化测试仪对木材涂层进行耐候老化测试

发布于:2022-09-21
相关标签: QUV紫外老化

老化测试背景

QUV/spray材料老化测试仪对木材涂层进行加速老化,通过模拟外部涂层木材的典型侵蚀和清洁,将木材的含水量提高到加速试验程序中的典型含水量以上,并使涂层经受比冷凝方法大得多的热冲击,从而非常接近自然老化。本文研究了在这种QUV试验方法下各种外墙木器涂料的性能。

介绍

用于室外木制品如外墙板、甲板和门的涂料需要独特的性能,如优异的光稳定性、高柔韧性和冻/融循环性能。开发了新的水性(WB)紫外光固化无共溶剂聚氨酯分散体(PUD ),以提供优异的室外耐候性、高柔韧性、增强的耐水性以及对木材和塑料等困难基材的改善的粘合性。本文将描述WB UV PUD的独特固化能力、属性和性能,以及使用QUV/spray材料老化测试仪模拟室外木器涂料的室外老化的老化结果。

辐射固化分散体

在过去十年中,各种各样的产品已经在木材涂料市场上商业化。这些系统中最有前途的环保技术是水性紫外光固化PUD。UV-PUD的化学结构非常类似于由硬链段和软链段组成的常规PUD的化学结构。每个部分的设计都有广泛的原材料可供选择,从而优化了各种各样的性能。在大多数情况下,高性能软链段有助于一定的柔韧性,而二(聚)异氰酸酯和短链二醇有助于硬度和电阻。已经报道了几种引入丙烯酸双键的途径。根据我们的经验,最好的聚合物性能可以通过沿着聚氨酯链引入双键来获得,而不是将丙烯酸单元仅连接到链的末端,或者将聚氨酯与丙烯酸单体或低聚物物理共混。丙烯酸单体/低聚物的使用可能带来额外的工业卫生问题和稳定性问题。

图1:紫外光固化聚氨酯分散体的结构单元

以PUD为基础的涂料在木器涂料市场展现出极好的增长机会。这种涂料的关键特性是其与传统聚氨酯涂料的相似性,即施工方法、干燥时间和性能属性。

重均分子量高于200000的紫外光固化水分散体;这比由不饱和丙烯酸酯和反应性稀释剂组成的传统的100%固体UV体系高许多倍,这是一个非常显著的优点。这就是为什么水性体系需要更少的自由基交联来获得所需的性能。这一特性为各种传统和独特的固化方法提供了可能性。这些高分子量聚合物还减少了与传统低分子量丙烯酸低聚物相关的皮肤刺激危险。

紫外线固化

在光引发剂的存在下,紫外辐射引发涂料固化。它可以通过自由基或阳离子机制。许多供应商提供多种型号和类型的紫外线固化设备。通常,固化系统由高压电源、控制面板和固化头组成。在UV固化中通常使用两种类型的灯,即常规弧光灯和微波灯。灯的光谱输出可以通过用各种微量金属掺杂灯来调节。每盏灯都有以纳米波长测量的特定输出。配方师面临的挑战是将光引发剂的吸收与灯的光谱输出相匹配,以固化涂层,尤其是在高填充/着色系统中。期望的结果是可以满足几个市场标准的高度交联的膜。此外,UV涂料是环保的——大多数系统通常不含溶剂,因此排放物(VOC/VHAP)和可燃性不是问题。

用于外墙涂料的水性紫外光固化聚氨酯

可UV固化的PUD可以满足外墙涂料的苛刻性能要求。这些新材料由高端脂肪族二(聚)异氰酸酯和精选多元醇组成,具有坚韧的弹性。表1显示了可紫外线固化的PUD的典型性能:

固体含量

约40%在水中供应

粘度

< 50秒(福特4号杯)

pH

7.0 – 8.0

颗粒大小

50 nm - 150 nm (Horiba)

表2显示了当配制基于可紫外线固化的PUD的透明涂料时可获得的性能范围:

紫外线照射前的硬度-摆锤
(ASTM D4366-95)

10-20 sec

紫外线照射后的硬度-摆锤
(ASTM D4366-95)

60-100 sec

薄膜清晰度

很好

伸长率 ISO 527-2

30-80%

拉伸强度 ISO 527-2

1600-4000 psi

阻断,0.15 Kg/cm2, 16 hr 50℃

4

基于UV可固化PUD的配方易于修改以满足各种应用方法,例如刷涂、常规喷涂、无气喷涂、真空涂布和辊涂。传统的水性添加剂可用于改善表面润湿、消泡、抗粘连和表面外观性能。与传统的UV固化涂料相比,UV固化PUD的低光引发剂需求提高了成本效率。标准的紫外线吸收剂和光稳定剂可以加入到配方中,以改善室外耐久性和光泽保持性。加入丙烯酸乳液可以提高性价比,增强特定的性能要求。

耐候木制品涂料

术语“木制品”用于定义建筑行业的各种制造部件。这些组件用于室内和室外应用,如窗户,门和成型。根据其最终用途,内外墙涂料可能有完全不同的性能要求。

例如,一些高端窗户制造商提供10年的外窗耐久性保修。所用的面漆通常是非常高性能的涂料,因为它们需要非常高的耐候性、保光性和柔韧性。使用双组分(2K)聚氨酯是因为它们的高性能。

环境法规在不断变化,以减少工厂排放和配方涂料中的VOC。这些命令可以在联邦、州甚至地方一级强制执行。例如,南海岸空气质量管理区(SCAQMD)针对透明和有色封闭漆、面漆和底漆制定了1136规则。挥发性有机化合物的限量将降至250克/升。下表说明了几个组织方案:

组织

克/升

VOC

450

OTC

340

DE,NJ,MD,NY,PA,VA

340

CARB SCM -

STAPPA/ALAPCO

250

SCAQMD

250

木制品制造商要求他们的涂料供应商提供低VOC、高生产率和高性能的涂料。基于UV-PUD的木器涂料的配方可以低于150克/升,并提供优异的应用和性能。

阳光固化涂料

UV涂料主要用于OEM工厂,这些工厂需要非常快的生产速度和卓越的性能。最近已经进行了工作来开发可以通过自然阳光进行紫外线固化的WB紫外线涂料配方。这项技术正在探索在DIY室外木器涂料市场的潜在应用。除了木器涂料,这项技术也适用于其他市场领域,如室外混凝土涂料。

太阳发出UVA、UVB和UVC波段的紫外线辐射,但由于大气层臭氧层的吸收,到达地球表面的紫外线辐射中有98.7%是UVA。由于UV PUD的高分子量,有可能配制出既能物理干燥又能在来自太阳的直接UVA辐射下光聚合的涂料。这是通过将WB UV PUD与选择的光引发剂结合使用来实现的,所述光引发剂在315 - 400 nm的UVA范围内具有明显的吸收峰。

阳光固化涂料肯定有其局限性,特别是需要阳光直射来光聚合涂膜。基于宾夕法尼亚州匹兹堡多云条件下进行的发育筛查。发展表面硬度所需的阳光直射量低得惊人。

利用各种固化方法进行实验以评估表面硬度和穿透硬度特性。制备一种配方,该配方由可紫外固化的PUD、热塑性PUD、光引发剂和水基配方中使用的典型表面活性剂和消泡剂组成。制剂的固体体积为约24%固体,VOC小于1磅。/gal。将液体涂料以8密耳的湿度施涂到玻璃板上,形成1.5-2.0密耳的干燥厚度(约37微米)。对几块玻璃板进行涂覆,以评估如下各种固化方法:

1.发射UVA、UVB和UVC的高强度灯(汞灯)

2.仅发射UVA的低强度灯(4分钟曝光时间)

3.宾夕法尼亚州匹兹堡的阳光直射。(水平曝光)

4.黑暗的房间——没有灯光

图2显示了使用摆式硬度计的涂膜表面硬度特性。令人惊讶的是,对于各种UV固化方法,包括阳光固化,在1天、3天和5天时,表面硬度非常相似。暗室面板显示了无紫外线照射对硬度的显著影响。阳光固化板在5天后硬度继续显著增加,而其他紫外线固化方法的硬度增加非常轻微。

图2显示了使用摆式硬度计的涂膜表面硬度特性,图3中的结果显示了基于所用固化方法类型的适度不同的硬度值

还进行显微硬度测试以测量涂膜的完全固化性能。使用金刚石压头穿透薄膜1.5微米深度,以测量穿透硬度。图3中的结果显示了基于所用固化方法类型的适度不同的硬度值。阳光固化膜在最初和7天时具有较低的穿透硬度性能。然而,如图2和图3所示,直射阳光膜的表面硬度和穿透硬度随着时间的推移不断增加。

除了硬度性能之外,还评估了耐溶剂性,结果显示各种UV固化方法的性能非常相似。与UV固化膜相比,放置在暗室中的膜显示出显著较低的耐溶剂性。

QUV/spray材料老化测试仪

1996年,一项名为“Arwood”(一种可靠的木材涂层人工老化测试)的广泛的欧洲木材项目获得批准,以开发一种用于木材涂层的标准人工老化方法。该项目涉及十个木材研究所和四个工业伙伴。该项目的主要目的是在短时间内评估室外木器涂料的耐久性,并证明其与自然老化的良好相关性。

在用不同的涂层系统、木材基材和人工老化条件进行了多次循环暴露试验后,确定了一种标准方法。该研究项目的结果导致以下结论。

UVA-340荧光紫外灯非常适合模拟阳光的降解效应

必须包括冷凝和喷水,以模拟老化过程中水分的不同方面

根据“Arwood”项目的结论,选择了带荧光UVA灯的QUV/spray材料老化测试仪来评估各种木材涂料配方。该装置通过模拟外部涂层木材的典型侵蚀和清洁,将木材的含水量增加到加速试验程序中通常发现的含水量以上,并使涂层经受比冷凝方法大得多的热冲击,从而非常接近自然老化。

QUV/spray材料老化测试仪冷凝系统的一个重要特征是,面板实际上形成了试验箱的侧壁,并提供了将热水蒸汽保持在试验箱内的封闭。在冷凝循环期间,水由水盘下面的加热元件加热。水蒸气充满试验箱,平衡时达到100%的湿度。水蒸气不断凝结在测试板上,测试板通过木质基材背面的室内空气保持在较低的温度。冷凝水从测试板上流出,并流回水盘中。

喷水主要用于清除表面的降解物质,并产生频繁的冷冲击。喷水也模拟外部涂层木材典型的腐蚀和清洁。喷雾和/或冷凝的任何组合都可以编程。喷淋系统由12个喷嘴(每侧6个)和相关管道、控制装置和排水管组成。喷嘴安装在紫外线灯之间。当QUV喷淋时,灯是关着的。QUV/spray材料老化测试仪的设计如图4所示。

选择UVA-340灯泡是因为它们的紫外线波长与直射阳光相似。UVA-340灯的光谱输出如图5所示。

图4 QUV/spray材料老化测试仪; 图5 UVA-340灯的输出光谱

老化研究的方法、规格和持续时间如下:

QUV/spray材料老化测试仪- ASTM G-154-06,测试7,测试详情如下:

总持续时间为2000小时

灯泡类型:UVA–340灯泡

辐照度:1.55

条件:

(1)60°C下进行8小时紫外线照射

(2)进行0.25小时喷水,无照明,无温度控制,喷淋过程中7升/分钟的水

(3)50°C下进行3.75小时冷凝

阳光固化涂料配方

设计并实施了一个项目来评估各种日光固化WB UV木器涂料的耐候性。主要目的是使用为室外木器涂料设计的QUV/spray材料老化测试仪测试涂料性能。为了评估紫外线吸收剂(UV-A)、受阻胺光清除剂(HAL)和/或粘合剂的效果,进行了几种配方变化。

测试板由用商业木材防腐剂预处理的3″×12″松木基材组成。测试前,用刷子涂覆涂层,并让其在阳光直射下固化至少7天。测试涂料仅由透明配方组成,对UVA、HAL和粘合剂进行了改变。还测试了商业白色染色剂的一些混合和覆盖涂层。对每种制剂评价了下列包衣系统:

1.三层透明自封

2.一层商业白色着色剂,然后是两层透明着色剂

3.两层商业白色着色剂,外加25%的透明涂层

表4给出了测试的UV固化透明涂层系统的概述。

A

不含UVA或HAL的UV-PUD

B

同时拥有UVA和HAL的UV-PUD

C

同时拥有UVA和HAL的UV-PUD

D

UV-PUD/亚克力,同时具有UVA和HAL

E

带有UVA/HAL组合的UV-PUD

老化测试结果

每隔500小时对5个涂层系统进行评估。表5显示了直接在松木基材上的透明涂层的60%光泽保持率。如表5所示,各种涂层的保光性差别很大。没有任何UV-A或HAL的对照系统(A)显示出最差的光泽保持性能。涂料体系B和D表现出中等的保光性能。基于UV PUD和选择的UVA和HAL的涂料体系C和E表现出优异的保光性能。

图5 显示了直接在松木基材上的透明涂层的60%光泽保持率

除了保光性能之外,还评价了涂层的一般外观性能。这些评估包括颜色、涂层开裂、渗色、基底开裂和发黄。这些性质以视觉标度从0(无变化)到5(严重变化或影响)进行评级。表6显示了一般外观效果的结果。第六列是指定等级的总和,较低的数字表示性能最好的系统。基于视觉缺陷,涂层系统B、C和E提供了最佳的总体性能。

表6显示了一般外观效果的结果

如暴露2000小时后的δE结果所示,系统B、C和E提供了优异的不泛黄性能。将透明涂层涂覆在白色污渍上,以评价透明涂层而不是木材基材的实际泛黄。系统A和D表现出最差的总体性能,尤其是如第4栏所示的较差的渗透性能。

应该注意的是,第5栏中的木材开裂等级仅基于木材基材,可能不是实际涂层的一个因素。一套复制的面板被送到佛罗里达州,以评估为期2年的自然老化。绩效结果将每3个月评估和报告一次。

结论

1.UV固化水分散体具有非常高的分子量,能够在没有UV的情况下实现成膜性能,并且需要少得多的自由基交联来获得期望的性能。这一特性为包括阳光养护在内的各种传统和独特的养护方法提供了可能性。

2.新型水性UV固化无共溶剂PUD提供了优异的室外耐候性、高柔韧性以及对木材和塑料等困难基材的改进粘合性。透明和有色涂层都是可能的。

3.基于UV可固化PUD的配方易于修改以满足各种应用方法,例如常规喷涂、无气喷涂、真空涂布和辊涂。传统的水性添加剂可用于改善表面润湿、消泡、抗粘连和表面外观性能。

4.基于加速老化测试,明确推荐加入紫外线吸收剂和光稳定剂。不同类型的紫外线吸收剂和/或光稳定剂在总体耐候性能方面表现出差异,应在配方中进行测试。

5.环境法规在不断变化,以减少工厂排放和配方涂料中的VOC。基于UV固化PUD的涂料可以满足这些新的严格的环境法规。