汽车透明涂层加速酸蚀-第2部分| PCI杂志

完善的测试程序提供了实验室和现场的相关性

图1

编者注:本系列的第1部分发表在2005年6月的PCI杂志上。

几十年来，汽车涂料暴露在酸雨中的腐蚀形式发生了降解。因此，开发了一些程序来模拟和加速这种类型的退化。这些程序未能准确模拟在产品使用环境中产生的蚀刻，因为它们缺乏再现这种退化类型所需的关键现场组件。

2002年，巴斯夫和Q-Lab公司(原Q-Panel实验室产品)开发了一种在实验室中再现酸蚀的新工艺。该程序被称为巴斯夫加速酸蚀测试(BAAT)，是同类测试中首次提供与涂料实际使用性能良好相关性的测试。这种前所未有的相关性水平是通过将所有临界应力(包括湿度、紫外线、湿度、适当的酸溶液和水平标本方向)纳入曝光周期而实现的。自成立以来，BAAT程序一直被用作汽车透明涂层的筛选工具。

目前正在进行的研究旨在改进和证实与现场结果的相关性，并优化测试程序。首先，调整了原始BAAT的温度设置，以提高实用性。接下来，使用现代仪器进行了新的评估技术，以进一步量化暴露结果。最后，额外的户外暴露确定了以下结果:在布朗特岛的不同地点之间的结果没有显著差异，涂层板可以互换用于实际的汽车罩，水平方向提供了最佳的蚀蚀结果。总的来说，这项研究为汽车行业提供了一种实用、可行的测试方法，以取代杰克逊维尔暴露测试，而不牺牲相关性。

历史背景
酸蚀的描述

在20世纪80年代，酸雨事件对汽车涂层的破坏成为一个问题。经销商和买家都抱怨涂层上形成的环形或“水点”蚀刻。这些蚀刻是由酸雨中的水蒸发和剩余的酸浓度与透明涂层产生酸水解反应引起的。这将导致裂缝和涂料的损失，形成一个水点的形状(图1)。

图2

布朗特岛曝光

由于佛罗里达州杰克逊维尔的布朗特岛是北美最严重的酸蚀环境之一，因此它是年度现场测试的基准暴露地点，以评估汽车涂料的耐酸蚀性。汽车原始设备制造商及其供应商每年在杰克逊维尔测试大量的引擎盖，面板和筋膜。典型的测试周期是从每年的6月到9月，在这段时间内，试样在不同的时间被评定腐蚀损伤。这是通过使用标准面板作为指导的视觉评估方法来完成的(图2)。

虽然布朗特岛暴露具有实际测试的好处，但在产品开发方面，该程序存在重大限制。局限性包括单一地点的不方便、测试的时间范围狭窄以及每年结果的可变性。认识到这些局限性，巴斯夫和Q-Lab公司联手开发了一种测试方法，可以实现加速、真实和可重复的酸蚀结果。

巴斯夫加速酸性试验(BAAT)开发

在开发这种巴斯夫/Q-Lab联合测试方法之前，人们曾多次尝试开发实验室技术来预测汽车透明涂层的耐蚀性(例如，梯度棒测试，酸点测试等)。这些测试都不包括影响汽车透明涂层蚀刻的所有环境因素(湿度、紫外光、试样方向、酸性溶液)。

巴斯夫认识到需要一个现实的、实验室加速的酸蚀测试程序，并开始量化关键元素。他们意识到，许多关键的测试参数可以在现有的氙弧设备中再现，因为这些室提供了一个很好的模拟阳光的全光谱。

然而，在历史上，氙测试器是垂直安装测试样品的。喷到试样上的液体往往会迅速流走。Q-Lab公司的Q-Sun氙气试验室将样品安装在近水平方向，从而使该单元具有几个设计优势。具体来说，喷到样本上的液体往往会停留很长一段时间，然后慢慢变干，形成一个类似于杰克逊维尔现场测试中看到的斑点的水点。因此，Q-Sun的水平标本安装系统对于再现杰克逊维尔水平标本上看到的酸雨效应特别有用。

图3

量化曝光环境

根据从佛罗里达州杰克逊维尔的暴露条件监测中收集的数据，使用包括温度、降雨、露水、湿度、方向和光线在内的关键环境条件来为新测试开发相应的应力。巴斯夫还根据在杰克逊维尔观测到的酸雨化学成分开发了模拟酸雨解决方案。同时，对Q-Sun氙气试验箱进行了改造，增加了零度标本安装平面和双喷系统，可自动喷射纯去污水或模拟酸雨溶液。经过一些爱迪生的研究，一个优化的曝光周期被开发出来。

表1

酸蚀评估程序

作为测试开发的一部分，开发了一个可视化评估程序。表1列出了评分量表的详细摘要。

图4

巴斯夫加速酸试验相关结果

一旦所有的关键参数组合成一个测试方法，一系列的曝光结果进行比较。在Q-Sun中200小时后，相对的等级顺序很好地建立起来，并且在整个暴露期间保持不变。然后将这些结果与2001年和2002年杰克逊维尔室外数据进行比较(图3)。

400小时后发现,修改Q-Sun产生两个正确的斯皮尔曼等级次序(ρ= 1.0)和大约相同级别的蚀刻后14周的2001杰克逊维尔曝光(图4)。700小时巴斯夫加速酸试验结果在本质上是相同的2002年杰克逊维尔数据(图4)。当时认为,2001年代表佛罗里达州的平均一年,因此,BAAT时间定在420小时的暴露。当然，每个赛季都会看到不同的结果，相关的测试时间可以修改。

图5

一项新的研究

现在，巴斯夫加速酸性测试已经开发和使用了几年，新的研究和测试已经完成，以提高与室外应用的相关性，并更好地量化腐蚀等级。具体来说，在五种透明涂层系统上研究了暴露部位、样品取向和样品类型之间的相关性。此外，还开发了更精确的技术来补充视觉评分。

图6

增强评估技术

在此之前，仅使用视觉评级将现场结果与加速酸蚀结果进行比较。为了进一步量化蚀刻损伤，使用各种仪器研究了蚀刻涂层的形貌。使用扫描电子显微镜(SEM)技术比较了多种涂层技术的蚀刻损伤(图5)。然后使用轮廓仪确定蚀刻深度。2022世界杯八强水位分析通过这两种技术分析表面后，与野外暴露相比，BAAT测试显示出非常相似，但更严重的结果。

第三种方法是EDXS，用于检查现场测试和BAAT测试之间降解机制的相似性。该测试的结果表明，机理相似，在BAAT测试的技术中，二氧化硅水平升高(见图6中圈出的峰值)。更高的水平表示更严重的蚀刻水平。2022世界杯八强水位分析这些结果支持了SEM和轮廓仪的结论。

这些方法的结果证实了BAAT早期工作所得到的结论。现场试验与加速试验之间有显著的相关性。

图7

扩大户外活动
地点比较

布朗特岛上有几个暴露点。为了确定两个站点的结果之间是否存在显著差异，使用五种不同的透明涂料进行了比较。2004年季节的蚀刻数据是从两个地点的各种罩的暴露中收集的。通过分析腐蚀等级，发现两个站点之间几乎完全相关(图7)。

图8

方位比较

室外测试的另一个重要考虑因素是面板的朝向。取向对相关性的影响一直存在争议。从逻辑上讲，45°或90°方向与室外蚀刻暴露没有良好的相关性。此外，现场测试证实，在这些角度上几乎没有蚀刻发生。

在杰克逊维尔，暴露在室外的面板和部件定位在水平方向角或接近水平方向角(0°- 5°)。为了确定哪个方向能产生最好的酸蚀效果，在相同的五种透明涂层系统上进行了扩展的室外测试。在评估面板取向之间的相关性时考虑了两个因素:等级顺序和严重程度。虽然两个方向给出了非常相似的相对排名，但在面板上蚀刻发生的速率上可以看到差异。0°面板比5°面板显示出更严重的腐蚀(图8)。

图9

罩和面板测试的相关性

布朗特岛目前有多种暴露标本的方法。一个是通过使用钢板，另一个是在实际的汽车引擎盖上。将0°面板的腐蚀等级与暴露位置B的罩上的腐蚀等级进行比较，显示出良好的相关性(图9)。这是令人鼓舞的，因为准备和暴露面板的时间和成本要低得多，但结果相同。

表2

改进的巴斯夫加速酸试验

自以前的报告以来，已经做了进一步的工作来修改周期，以增强相关性和易用性。

温度的影响

在各个实验室之间的循环测试中，确定一些实验室很难在黑暗/喷雾循环中保持38°C。这是因为实验室在不同的环境温度下运行，从而影响了测试人员实现和保持编程条件的能力。为了弥补这一限制，研究人员在50°C的光照阶段和40°C的黑暗/喷涂阶段进行了大量的测试。该测试继续产生适当类型的损伤和clearcoat技术之间的适当关系。2022世界杯八强水位分析因此，修改后的循环目前被提议作为测试酸蚀的新ASTM标准(表2)。

图10

测试持续时间和相关性

风化力的年变异性导致蚀刻结果在年与年之间的差异。为了确保BAAT测试持续时间与各种季节性结果相关，进行了额外的工作，将测试持续时间与2004年和2005年的野外暴露数据相关联。在5个透明涂层系统上分别进行了400小时和700小时的BAAT。然后将蚀刻评级结果与暴露地点b的结果进行比较。虽然在两个测试持续时间之间取得了类似的排名，但700小时测试显示出与该特定年份的现场暴露结果的最佳相关性(图10)。

当前的状态

自2002年最初开发的巴斯夫加速酸性测试以来，已经进行了一系列的改进。