尽管大多数材料的研究和开发周期中进行测试,调查显示,风化的主要原因测试均满足规范要求进行购买材料。本文旨在提供一些技术深度的人主要是运行常规测试方法来满足需求,相信这些知识将常规用户受益。
辐射能事件在直接和地球表面扩散组件可以被归类在不同波长的紫外线(UV),可见和红外(IR)。放射量,定义和公式。气候在降解过程中发挥着关键作用。不同气候会影响材料的方式不同。两个基准风化研究包括亚热带沙漠气候。本文还将讨论如何获得几个答案,决定在一个测试或评估的结果。
你为什么测试?
这个问题是问在几年前的一项调查来确定为什么公司测试。近三分之二的受访者表示,他们只是“因为我们有测试。“这意味着,为了出售他们的材料,他们需要买家来证明材料户外条件的性能。大多数这样做测试是为了严格的企业、行业或政府规范。没有数据支持新配方的性能或流程买方只是不同意购买材料。这说明测试标准和规范的重要性,推而广之,了解如何正确地进行他们的重要性。其他调查反应包括需要材料的竞争对手相比,大概是为了促进销售和营销活动的公司。虽然几乎所有的测试是在某些方面相关的研究和开发,大约10%的测试完全是出于这些目的,而另外10%的测试,以确保他们的材料满足保修索赔,或其他要求。
答案来自风化测试
“我的材料比较如何?“材料排名技术通常比较新配方时执行“已知”或控制材料。理解风化测试应用程序和评估技术应该使一个精确等级材料性能,在耐久性方面,成本等。“已知的材料”之前测试和表征,这样他们的表现很好理解和记录。这些可能包括标准参考材料开发的一个行业,如聚苯乙烯参考芯片或蓝色羊毛材料,或者可能是一个旧配方开发的一个特定的材料内部的一个特定的组织。加速测试,主要关心的是相关性,实验室的测试结果比较,发生在材料的实际最终使用环境。风化测试可能允许一个理解和辨别材料的寿命可能失败的机制。了解这些过程可能导致材料科学家开发新配方和过程,抑制这些机制。优化配方可能测试的主要因素,然而新的表面处理方法或节约成本的过程也可能在风化试验评估。实现高度的相关性因素至关重要,准确使用寿命预测,风化的终极目标的测试。必须确定相关因素和加速因素为每个类型的实证材料。
风化因素
天气的三个主要因素导致降解材料是光能量(太阳辐射),水、热(温度)。这不仅仅是“多少”(定量方面)的每一个现在和将最终导致降解材料,同样重要的是定性等方面不同的波长的光,不同阶段的水分,和实际温度循环。水接触可能发生在许多形式或阶段,每个可能的贡献不同退化过程。虽然材料的温度可以显著影响其降解的速率,温度循环会造成机械应力,进而可能引发更多类型的退化比长时间的高温,本身,尤其是在复合系统。协同效应的温度、湿度和辐射使研究风化和可预测性测试非常困难。光(辐射能)
地球白天通常被认为在三个主要的波长乐队。委员会根据CIE(国际E 'clairage) 85年出版,日光名义上由295至3000纳米波长的能量(1 x - 9米)。295至385纳米波长的紫外线(UV)部分被认为是太阳光谱,包括4 - 6%的总能量。一般的紫外线部分频谱,进一步分为a (315 - 385 nm)和UV - b (280 - 315 nm)范围内。平流层的臭氧吸收消除可测辐射能量低于295海里。可见辐射(人眼检测的能量)在385年和780纳米之间,占大约45%的太阳光谱。近一半的能源来自太阳的包含在太阳光谱的近红外(N-IR)部分超出780海里。陆地在波长的阳光和每个波长乐队将略有不同的百分比取决于纬度、海拔高度和大气条件。此外,定义打破之间的紫外和可见光谱的一部分要取决于信息的来源。一些人认为的紫外线部分频谱在295 - 400纳米之间。虽然这可能被视为一个微不足道的一点,它必须被理解在计算辐射暴露剂量,无论是户外或实验室测试。之间的差异范围295 - 385和295 - 400可能高达10%,这可能是非常重要的,当试图预测材料的使用寿命估计。
光子能量增加而减少太阳辐射的波长。这些短的波长通常包含足够的能量来打破化学键的聚合物结构涂层。随着化学结构变化,外观和物理性质的材料也将改变,导致物理或化学降解称为风化。结果中包含的更高能量光谱的紫外线部分的讨论是最重要的材料退化。在光化学是一个复杂的问题,超出了本文的范围,有两个重要的定律,我们必须注意:
·材料可能只是受其吸收波长的辐射的影响。
·光化学变化只发生如果辐射能吸收足够强大打破化学键(或改变)。
为理解这些概念作为基础的光化学过程发生材料被风化,更重要的是,从这些过程如何保护材料。
直接和散射辐射
直接辐射是没有被散布到达地球表面的任何组件的气氛。对于辐射测量,这是定义为辐射能在6º立体角的视野集中在太阳圆盘。扩散辐射能是已经被大气散射,因此,达到接触表面角在180º飞机。因此可以认为一个暴露水平表面接收直接和散射太阳辐射。这有时被称为总,或太阳辐射全球。通常暴露标本在自然条件在一定程度的倾斜,朝向太阳作为一种手段,提高入射太阳辐射,或更好地模拟最终使用条件。除了辐射收到以上,一些辐射反射地球表面辐射(有时称为反照率),达到标本的表面。地球表面的辐射反射量取决于地面覆盖。裸露的岩石,沙子和砾石将反射的辐射能比绿草覆盖的表面。水或雪将反映出一个更大数量的辐射能。扩散比直接辐射能到达地球表面的强烈受气象条件的影响。水蒸气(湿度)和污染将会增加大量的辐射能扩散组件中找到。因此,直接辐射能随气候的数量。中央亚利桑那的沙漠位置更高比例的辐射能直接组件,由于空气湿度在沙漠中显著低于南佛罗里达等亚热带环境中。位置与更高水平的污染如洛杉矶的经验直接辐射能的数量急剧下降。更短的波长的能量更容易分散。因此,紫外线直接组件的比例总是会少总太阳辐射。
直接和分散的辐射能的讨论是很重要的在考虑接触角在一个特定的气候。因为高湿度的亚热带气候,如南佛罗里达州,晴天约50%的紫外线辐射扩散。在佛罗里达州很多天不明确,这将导致一个更大比例的辐射扩散组件。因此,为了最大化入射太阳辐射,标本在南佛罗里达等亚热带的气候应该暴露在一个角度接近水平,如5º。相反,亚利桑那州沙漠气候,如将更大比例的紫外线辐射能直接组件(高达75%)。最辐射能在一个日历年度收到标本暴露纬度角附近的网站——一个取向,促进直接的接近垂直入射太阳能组件。
太阳辐射测量
有两种主要类型的辐射计用于测量太阳辐射。那些测量总太阳辐射(紫外线+可见+ IR)被称为日射强度计。他们测量辐射180º立体角的视野。其他类型的辐射计是TUVR,代表总紫外线辐射仪,顾名思义,措施紫外线的总量。因为不同数量的直接和漫射光的辐射能在不同的接触角,有必要在角度测量太阳辐射,对应于常见的接触角。明智的讨论的辐射能的测量,需要首先定义一些术语用于测量和计算辐射能暴露剂量收到标本。辐射计测量辐照度,瞬时入射辐射的水平。辐照度的定义是辐射通量的事件定义的表面积,和通常表示在单位W / m²。有必要表明辐照度测量的光谱范围或计算的值,如295 - 3000 nm(太阳能)或295 - 385海里(紫外线)。Narrow-wavelength间隔的光谱辐照度的测量,通常在风化标准和文献引用,表示在单位W / m²·nm。
风化测试更重要的是辐射暴露的概念,表达J / m²,的时间积分(光谱)辐照度。大多数辐射暴露剂量测量kJ / m2或MJ / m²。另一个计量单位,兰利,很少使用,定义只能应用于太阳辐射总量,而不是人工光源。一个兰利等于1克卡每平方厘米。一个兰利等于0.04184 MJ / m²(295 - 3000海里)。根据定义,一个“兰利的紫外线”并不存在。
水(水分)
根据其阶段,水分会影响涂层接触不同。水分可以采取的形式湿度、露水、雨、雪、霜、雹,根据环境温度,都对材料物理和/或化学的影响。吸水率由湿度和直接合成材料和涂料湿润是一个diffusion-controlled过程。这个表面的水化层产生体积膨胀,机械应力在地下一层干燥的地方。随后具有时期,解吸的水从表面层次将导致体积收缩。水化的趋势内部层抵抗收缩会导致表面应力开裂。水化和脱水状态之间的振动可能导致应力性骨折。根据扩散率在各种有机材料,可能需要数周或数月达到水分平衡。
冻融循环也导致另一个物理效应。由于水结冰时体积膨胀,吸收水分的材料,特别是在涂布硬纸板系统,导致扩张和强调,导致剥落、开裂和剥落涂层。当画材料开始天气发展薄膜降解材料表面(粉化),本身成为地下一层的保护。然而,当雨水冲走记录层“新”的表面暴露在风化的流浪元素,从而加速降解涂层材料。雨,也定期洗灰尘和污染物的表面,有影响的长期恶化的速度是由频率决定的。降温降雨,特别是在一段阳光,可能导致表面温度急剧变化,这可能会导致进一步的物理降解材料。冰雨,或冰雹,也可能会导致物理降解涂料由于强劲的动能与它的影响有关。
任何形式的,水分是重要的风化从几个观点。水分可以看到的化学效应的粉化二氧化钛(TiO2)着色涂料和聚合物。光化学地改变聚合物的结构,要么有或没有化学氢或氢氧根离子的参与,但实际物理释放材料表面增强,如果不是造成的,化学的循环作用吸收水分。水分也可以作为pH值调整器,尤其是当考虑酸雨的影响,这可能会导致许多涂层的腐蚀。
温度
太阳辐射的影响材料显著影响材料的温度。光的破坏性的影响通常是加速在升高的温度下由于二级反应速率的增加。反应速率与温度每上升10°C约两倍,尽管这可能不是真正的所有材料或在测量身体或外观的变化。在高温下分子有更大的流动性。反应可能发生在更高的温度下发生的税率很低或根本没有在较低的温度。在阳光下物体的表面温度通常比空气的温度高得多。太阳能吸收率是密切相关的颜色,不同的白色材料从约20%至90%为黑人材料;因此,不同的颜色样品不同温度将达到曝光。因为塑料的导热系数和热容基质通常是低,涂层表面可获得更高的温度比大部分的材料。样品的表面温度,吸收红外辐射的函数,随材料的颜色,和环境空气温度和各自的波动在曝光,扮演一个角色在材料降解率。
周日发生在太阳辐射和季节性变化。温度循环会造成机械应力,尤其是在不同温度系数的材料组成的复合系统的扩张。温度和它的周期也与水紧密联系的形式。降低温度会导致水凝结材料如露水,而温度上升导致蒸发,突然降雨会导致热应力。最后,热的结合和吸收太阳辐射可能导致聚合物组分(如增塑剂)挥发出的系统。一辆汽车的仪表盘是这方面的一个例子。乙烯基的皮肤覆盖一个仪表板必须含有可塑剂,使拟合聚合物柔软non-planar形状的面板。由于接触,这种添加剂可能散发出聚合物和沉积的盖玻片接触盒子。随着时间的推移,这种挥发过程(塑化剂)的损失导致乙烯皮肤变得脆弱。随后的极端温度循环可能导致开裂和变形等物理退化。
在考虑光的角色时,湿度和温度的风化暴露标本,重要的是要理解,这些因素共同表现为协同作用。例如,如果一个材料暴露一个,甚至两个因素,很可能发生退化将像一个材料暴露在户外条件下,所有三个因素存在和在降解过程中发挥作用。
气候
在查看气候的世界地图,很明显,根据纬度,气候模式,地形和地理特征,有各种各样的气候。世界气象组织(WMO)已经确定了七大世界各地的气候。两个最重要的气候(或标准)风化测试是亚热带环境,如南佛罗里达,和沙漠环境,如墨西哥北部和美国西南部。其他气候,如极地,热带雨林,潮湿的内消旋热,潮湿的微热,未分化的高地,有时用作风化试验站点为特定的应用程序。在大多数情况下,亚热带和沙漠环境是全世界公认的最严重的气候材料暴露在户外的预期的最终用途的应用程序。二次影响的天气,就像气体和污染物,不能被忽略,因为它们可能导致材料的退化。气体和污染物是酸雨的主要成分,这可能启动全新的反应。高度工业化地区的远程运输机载酸性粒子是一个考虑,酸雨是主要的元素推动风化过程影响广泛的材料。
污垢和灰尘可能交互影响风化过程本身。这些包括紫外线辐射的衰减紫外线吸收污垢,机载油脂、等导致的保护材料,和不受欢迎的,半永久的清漆,可能photo-polymerized暴露表面的材料。
霉菌,霉菌等微生物和植物制剂在材料退化可能发挥重要作用,特别是在热带和亚热带的气候,尽管他们可能不是通常认为是风化的因素。
自然的行为可能不会直接导致风化过程发生。然而,自然的行为如厄尔尼诺、拉尼娜现象以及火山活动可能会影响气候条件,进而导致不同的降解率。
为什么在这些基准测试的气候?
暴露在潮湿、亚热带气候的南佛罗里达首次在1930年代和1920年代进行油漆行业越来越关注产品的耐候性,使这一领域的一个重要历史户外测试区域。最大的独立测试站点位于区域被认为是一个内陆位置,因此看不到任何不良腐蚀性沿海的影响。在亚利桑那州的沙漠环境,更高的极端温度被认为是导致汽车内饰材料更高的压力比其他任何世界的气候。独立测试网站也位于迈阿密以外的区域或凤凰都市地区工业和城市污染降到最低。季节性变化存在于亚热带和沙漠环境。变化的数量将取决于接触角和气候,特别是大气条件引起不同比例的直接和散射辐射。因为很高比例的直接辐射能在沙漠环境,如亚利桑那州,季节性变化高5º暴露在这个位置。暴露在5º在佛罗里达州由于散射紫外线相对恒定的水蒸气。暴露在纬度角(26日在南佛罗里达州和亚利桑那州34ºº)导致最小化季节性变化,因为太阳是接近垂直的表面在整个一年。亚利桑那州45º接触是最优的,因为高直接梁组件,佛罗里达州和整体减少紫外线45º由于辐射能的扩散。
尽管大量的紫外线辐射能是受到暴露在亚利桑那州样品,它不应该假定亚利桑那州是一个严酷的气候对所有材料。由于更大气水分,南佛罗里达可以非常有效的降解涂料。因此,越来越多的涂料比亚利桑那沙漠在这种环境下进行测试。然而,亚利桑那州的干燥气候,与极端的昼夜温度循环,已经被证明是非常有效的降解室内汽车材料和许多其他聚合物。综合评估,通常很多公司来测试他们的材料在亚热带沙漠气候,因为这些极端的影响会导致不同类型的降解过程。
风化试验站点需要监视和归档所有主要的气象资料。WMO-specified外壳用于房子所需要的环境温度和相对湿度设备是双顶,基本上两块木头外壳的顶部,有一个小空气之间的空间。这是为了抑制任何直接辐射能从外壳的屋顶。外壳必须自然吸气,让风流动通过住房。此外,外壳必须安装在一个特定的高度离地面,反射太阳辐射不影响环境温度或相对湿度。风速和风向传感器、湿度传感器、雨量数据、湿时间传感器,和特殊放射设备都连接到一个数据采集系统连续监测的重要气象参数。(参见侧栏)
参考黑色面板温度设备通常用于控制温度在实验室风化仪器。促进相关研究,例如,在室外温度得到曝光,黑色面板(和白色面板)的温度也是常见的测量。因为太阳能吸收率高的黑漆,这些设备被用作参考温度,可能是经历的最高温度标本暴露。黑色面板的建设和应用涂层的质量像ASTM G151规定标准。
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