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當(dāng)涂層受紫外光照射發(fā)生老化時，常常更加不耐腐蝕。上世紀(jì)九十年代初，ISO和ASTM就發(fā)布了綜合老化腐蝕試驗方法。當(dāng)前，該方法仍被視為確定工業(yè)防護涂層實用性的zui有效的試驗方法。
本文回顧了不同工業(yè)防護涂層體系目前進行該試驗的結(jié)果，包括較低VOC有機化合物涂層，如水性丙烯酸涂層和硅基涂層。此外，一些行業(yè)專家針對腐蝕/老化試驗提出了他們的見解，同時推薦針對特殊應(yīng)用而開發(fā)改進的試驗循環(huán)。
背景
加速腐蝕試驗是用于測試耐腐蝕性能的一個很好方法。在加速試驗中，相比實際使用環(huán)境，實驗室暴露條件與實際環(huán)境越接近，得到的數(shù)據(jù)則越有用。
傳統(tǒng)的、應(yīng)用zui廣泛的加速腐蝕方法是鹽霧法，即在35°C下連續(xù)噴霧，鹽溶液濃度為5%。該試驗方法（ASTM B117）在1914年左右應(yīng)用于腐蝕試驗。即使長期以來人們都知道傳統(tǒng)鹽霧法不能zui大程度地模擬實際使用環(huán)境，然而在很多材料規(guī)范中它都被列為*試驗方法。
上世紀(jì)六十年代初，工程師和科學(xué)家們就嘗試建立循環(huán)腐蝕試驗方法，以更準(zhǔn)確地預(yù)估出材料的腐蝕性。相比傳統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)暴露方法，循環(huán)腐蝕試驗更具有現(xiàn)實意義。由于實際暴露環(huán)境通常包括潮濕和干燥兩種條件，因此應(yīng)模擬這些自然循環(huán)條件進行實驗室加速試驗。研究證明，采用循環(huán)腐蝕試驗，材料的相對腐蝕率、結(jié)構(gòu)和形態(tài)與戶外更接近。因此，相比傳統(tǒng)的鹽霧試驗，循環(huán)腐蝕試驗通常與戶外環(huán)境具有更好的相關(guān)性。[A]
目前已設(shè)計開發(fā)出多種不同的循環(huán)腐蝕試驗方法。簡單循環(huán)法（如prohesion，該方法尤其適用于測定工業(yè)防護涂層）包括鹽霧和干燥條件之間的循環(huán)。更精密的方法則需要采用包含多個步驟的循環(huán)，除鹽霧和干燥外，還包括靜置、潮濕、飽和濕度或其它條件。這些試驗均采用潮濕/干燥循環(huán)，以開發(fā)模擬更接近戶外循環(huán)條件的實驗室條件。綜合老化腐蝕試驗方法是循環(huán)試驗的一種，由Sherwin Williams公司的研究人員于上世紀(jì)八十年代開發(fā)出，用于檢測工業(yè)防護涂層。
綜合老化腐蝕試驗
Sherwin Williams研究人員通過prohesion試驗研究三種涂層體系，發(fā)現(xiàn)prohesion方法無法區(qū)分以下涂層體系的耐腐蝕性（醇酸（鉻酸鋅防銹劑） – 醇酸外涂層；丙烯酸乳膠（偏硼酸鋇防銹劑）– 丙烯酸乳膠外涂層；環(huán)氧聚酰胺（磷酸鋅防銹劑） – 環(huán)氧聚酰胺外涂層）。[B]
理論上，因紫外光曝曬，涂層的老化會相應(yīng)降低耐腐蝕性能，因此需要開發(fā)設(shè)計出新的綜合老化腐蝕試驗方法。新的試驗方法綜合了prohesion（ASTM G85）和QUV紫外光曝曬兩種試驗方法（ASTM G154）。
在進行了新的綜合老化腐蝕循環(huán)試驗后，三個涂層體系的性能排序與實際使用環(huán)境的排序保持一致（見表1）。同時發(fā)現(xiàn)，綜合老化腐蝕方法，相比僅使用prohesion方法或傳統(tǒng)鹽霧方法，產(chǎn)品的總腐蝕程度和形態(tài)與戶外情況更接近。
表1：Sherwin Williams戶外與實驗室暴露的排序關(guān)系
| 曝曬條件 | 排序（到zui差） |
戶外— 海洋環(huán)境 | 乳膠>醇酸樹脂> 環(huán)氧 |
戶外— 工業(yè)環(huán)境 | 乳膠=醇酸樹脂> 環(huán)氧 |
傳統(tǒng)鹽霧方法 | 環(huán)氧> 醇酸樹脂> 乳膠 |
Prohesion方法 | 乳膠=醇酸樹脂 = 環(huán)氧 |
綜合老化腐蝕試驗循環(huán) | 乳膠>醇酸樹脂> 環(huán)氧 |
Sherwin Williams的研究員Brian Skerry總結(jié)認(rèn)為，綜合老化腐蝕試驗的排序結(jié)果與戶外的排序結(jié)果zui為接近。但也不難推斷出，曝曬溫度、試驗時間和循環(huán)順序與zui終應(yīng)用環(huán)境相同。[C, D]
綜合老化腐蝕試驗循環(huán)的試驗條件
綜合老化腐蝕試驗循環(huán)包括一周的prohesion試驗和一周的QUV加速老化試驗交替進行，試驗條件如表2所示。一般試驗持續(xù)約2000h。
表2：綜合老化腐蝕試驗循環(huán)的試驗條件
腐蝕循環(huán)（1周，Q-Fog CCT試驗箱） | QUV循環(huán)（1周） | |
試驗循環(huán) | 在25°C（或室溫）下噴霧1h； 35°C下干燥1h*
| 60°C下，UVA-340燈管，紫外光曝曬4h； 50°C下冷凝4h（純水） |
試驗條件說明 | * 干燥：通過往試驗箱內(nèi)輸送新鮮空氣，來進行干燥，這樣在3至4個小時內(nèi)，樣品上所有可見的水滴均可烘干。 | Prohesion溶液配方：0.05%NaCl+0.35%硫酸銨； 溶液酸度：pH 5.0 - 5.4； 通常試驗時間：2,000h |
經(jīng)過深入研究，證明綜合老化腐蝕試驗循環(huán)可對水性涂層的性能進行有效等級評估。該新方法于上世紀(jì)九十年代中期被ISO19977-1&2和ASTM D5894標(biāo)準(zhǔn)采用。顏色和光澤保持率數(shù)據(jù)均在ASTM D5894標(biāo)準(zhǔn)的測試方案中有所說明。
綜合老化腐蝕試驗方法的驗證
克利夫蘭涂層學(xué)會（CCS）、鋼結(jié)構(gòu)油漆委員會（SSPC）和幾家制造商已對綜合老化腐蝕試驗進行了深入研究。研究已證明，相比其它加速腐蝕試驗，該試驗方法可更真實模擬表面腐蝕形貌、腐蝕產(chǎn)物形成和涂層性能差異。采用綜合試驗法得出的試驗結(jié)果與戶外評估結(jié)果更接近（見表3）。
鋼結(jié)構(gòu)油漆委員會（SSPC）對15個不同涂層體系進行了試驗，包括醇酸、丙烯酸、環(huán)氧和聚氨酯體系。SSPC比較了綜合老化腐蝕試驗、傳統(tǒng)鹽霧試驗、采用5%NaCl溶液的循環(huán)鹽霧試驗、prohesion試驗和兩種循環(huán)浸泡試驗的結(jié)果與戶外31個月腐蝕的結(jié)果。
表3：不同試驗循環(huán)和實際海洋環(huán)境的相關(guān)性
| 實驗室試驗方法 | 與嚴(yán)酷海洋環(huán)境的相關(guān)系數(shù) |
傳統(tǒng)鹽霧試驗 | –0.11 |
Prohesion試驗 | 0.07 |
循環(huán)浸泡試驗 | 0.48 |
循環(huán)浸泡與紫外光曝曬綜合試驗 | 0.61 |
綜合老化腐蝕試驗 | 0.71 |
SSPC研究確認(rèn)，綜合老化腐蝕試驗對戶外海洋暴露腐蝕的模擬。[E,F]
克利夫蘭涂料技術(shù)學(xué)會（CSCT）研究了多個實驗室加速腐蝕試驗與嚴(yán)酷戶外應(yīng)用環(huán)境的相關(guān)性。研究的加速試驗包括鹽霧（ASTM B117）、潮濕-干燥循環(huán)（5%鹽溶液）、prohesion和綜合老化腐蝕試驗。戶外試驗場包括新澤西州、北卡羅萊納州海岸、佛羅里達州、加利福尼亞內(nèi)陸、加利福尼亞海岸、俄亥俄州、密蘇里州及俄勒岡州。試驗樣品是以冷軋鋼板為底材的9種涂層。
評估方法采用ASTM方法，評估漏電、生銹、起泡、絲狀腐蝕和鏡面光澤等項目。用spearman相關(guān)系數(shù)來比較戶外結(jié)果與實驗室結(jié)果。
比較起泡和表面生銹程度時，CSCT發(fā)現(xiàn)ASTMB117鹽霧法與戶外環(huán)境相關(guān)性不大。采用5%NaCl溶液的潮濕-干燥試驗法比B117鹽霧法的相關(guān)性稍好。綜合老化腐蝕試驗與大多數(shù)戶外試驗場的相關(guān)性較好。[G]
美國國家公路與運輸協(xié)會（AASHTO）進行15個綜合老化腐蝕試驗循環(huán)，對于鋼鐵表面（如橋梁）的富鋅底漆的涂層體系進行評估。如Corbett所說：“ASTMB117（常被稱作“鹽霧”法），是腐蝕試驗*的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，有些人認(rèn)為該標(biāo)準(zhǔn)已過時，而傾向于使用ASTM D5894標(biāo)準(zhǔn)。ASTMD5894是循環(huán)腐蝕試驗方法，包括腐蝕試驗和紫外光曝曬，該方法與‘現(xiàn)實世界’環(huán)境條件更接近。”[H]
綜合老化腐蝕試驗方法的修改
對于大氣腐蝕的模擬，ASTM D5894被*為是對傳統(tǒng)鹽霧試驗（B117）的實質(zhì)性改進。然而很難用一種試驗方法充分模擬在復(fù)雜環(huán)境中（如內(nèi)陸煉油廠）使用的涂層耐腐蝕性能。“在選擇試驗方案之前，*步是要定義涂層的使用環(huán)境。”[I]
多年來，許多研究人員對綜合老化腐蝕試驗方法進行修改，以適用于特定材料或應(yīng)用。以下為幾個相關(guān)示例：
荒漠工業(yè)環(huán)境是非常特殊的一種情況。實踐證明，在科威特等工業(yè)區(qū)的條件下，涂層老化似乎比在西方國家更迅速，這些國家開發(fā)大部分涂層體系。在對11個工業(yè)涂層體系的研究中，將來自科威特工業(yè)地帶的五個區(qū)域的兩年半的數(shù)據(jù)及相關(guān)涂層性能與主要工業(yè)環(huán)境條件進行了比較。
實驗室試驗包括了對早期綜合老化腐蝕試驗方案進行的修改。采用了不同的循環(huán)和方案，以便更好地模擬科威特的工業(yè)環(huán)境。實驗室試驗綜合了采用5%NaCl溶液和3000ppm硫酸溶液進行100h的鹽霧試驗，然后室溫下干燥16h，再在QUV中60°C下紫外光照12h，40°C下冷凝12h。研究人員發(fā)現(xiàn)該試驗循環(huán)可提供與科威特工業(yè)環(huán)境相關(guān)性*的條件。[J]
集裝箱出租商協(xié)會（IICL）針對集裝箱涂層已采用更新的綜合老化腐蝕試驗方法進行試驗。由于集裝箱需要在海上運輸?shù)奶攸c，從而延長了腐蝕的潮濕時間（試驗規(guī)定在30°C下噴霧4h，在40°C下干燥2h）。[K]
美國聯(lián)邦公路管理局發(fā)現(xiàn)ASTM D5894標(biāo)準(zhǔn)的“合理的試驗方法”是針對較熱氣候的，從而開發(fā)了針對較冷氣候的包含凍/融循環(huán)的更新暴露程序。其變更還包括了測試橋梁涂層的機械應(yīng)力和考慮了熱循環(huán)。低溫暴露后，進行紫外光和冷凝循環(huán)，zui后進行鹽霧和干燥循環(huán)。該循環(huán)條件參見法國標(biāo)準(zhǔn)NF T34–600–1997的附錄B。[L]
Rohm & Haas公司對ASTMD5894試驗稍加修改，采用較低的冷凝和紫外光曝曬溫度。針對其涂層，Rohm & Hass“發(fā)現(xiàn)該循環(huán)試驗的結(jié)果與戶外暴露的結(jié)果更接近。”[M, N]
結(jié)論
在開發(fā)20年后，工業(yè)專家仍一致認(rèn)為，綜合老化腐蝕試驗方法是測試易受光照影響發(fā)生退化的涂層耐腐蝕性的zui有效方法。該方法已經(jīng)過一系列的相關(guān)加速和戶外試驗結(jié)果的驗證。[O]
研究人員通過修改ASTM和ISO中的方法，加入酸性溶液、進行凍/融循環(huán)和其它調(diào)整，開發(fā)出與產(chǎn)品的zui終使用環(huán)境更接近的試驗條件，對試驗結(jié)果進行了成功驗證。
Sherwin Williams公司的Skerry 對此進行了的總結(jié)：“雖然強烈推薦（綜合老化腐蝕試驗方法），但這個實驗方法并不是的。相關(guān)性的量化、試驗循環(huán)條件以及試驗步長因素優(yōu)化方面，還有待進一步改善。盡管如此，該方法仍是目前zui可行的試驗方法。它提供了多種可能性，使我們能針對特定用戶需求進行個性化修改。”[P]
鳴謝
特別感謝GaryCornell對本文的大力協(xié)助。
相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)：
1.ASTM B117, Method of Salt Spray (Fog) Testing
2.ASTMG85, ‘Practice for modified salt spray (fog) testing’
3.ASTMG154, ‘Practice for operating fluorescent light apparatus for exposure ofnon-metallic materials’ E
4.ASTMD5894–05, ‘Standard practice for cyclic salt fog/UV exposure of painted metal,alternating exposures in a fog/dry cabinet and a UV/condensation cabinet’
5.ISO-11997–1,‘Determination of resistance to cyclic corrosion conditions – Part 1: Wet (salt fog)/dry/humidity’
6.ISO-11997–2,‘Paints and varnishes – determination of resistance to cyclic corrosionconditions – Part 2: Wet (saltfog)/dry/humidity/UV light’
