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事先测试程序和现场相关性
任何加速实验室测试都必须能够正确地复制和预测在实际现场条件下看到的缺陷的类型、程度和严重性。在过去已经开发了许多测试，可以用来产生特定的缺陷和预测涂层系统的现场性能。例如，Gravelometer已被客户成功使用多年，它使用多种类型的介质来预测汽车涂料可能发生的各种类型的剥落。此外，新开发的腐蚀测试[ASTM D 7356(图5)]与汽车涂料的实际室外酸腐蚀损伤有很好的相关性。
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虽然有许多测试可以预测具有良好的领域相关性的缺陷，但在其他领域，相关性一直很困难。涂料行业中使用的划痕测试方法和设备种类繁多;然而，很难指出一个单独的测试与实际的室外损伤有良好的相关性。许多用于确定涂层开裂潜力的测试不能准确预测室外性能。
似乎没有一个很好的测试来确定涂层对各种来源的昆虫残留物、树液和花粉等材料的整体抗性。在这种类型的测试中，挑战似乎是巨大的。似乎不可能测试所有可能与汽车涂料接触的潜在有机和无机材料。
目前使用的加速风化试验是使用单层丙烯酸树脂和高固体搪瓷开发的。光泽损失和颜色变化/褪色是主要的失效模式，在许多情况下，失效发生在不到两年的户外测试中。基于这些标准，加速方法似乎与室外测试有很好的相关性。如今的涂料更加复杂，其失效模式不仅仅是失去光泽和颜色变化/褪色。目前汽车涂料的预期使用寿命为10年或更长。用于评估失效模式的分析技术在预测涂层失效的能力方面取得了进步。
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当前加速老化测试结果与目前使用的汽车涂料的实际使用/室外测试之间的相关性很差。测试程序没有跟上技术的变化。正如许多先前的作者所提到的，(2)加速风化的整个方法存在问题，包括过滤器、光照使用、温度、湿度、水暴露和每个循环步骤指定的时间。这些问题导致无法正确地产生和预测室外暴露中几乎所有已知的潜在缺陷，包括分层/剥落、开裂、侵蚀、光泽损失/氧化和颜色变化/褪色(图6-7)。
更新的测试开发
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滤光器
加速风化的第一个明显变化是滤光器的开发，它可以成功地匹配阳光的光谱功率分布(SPD)。考虑到阳光的SPD数据存在，挑战在于确定在氙气光通过后产生相同SPD的滤光片组成。福特和3M都成功地与玻璃制造商合作开发了合适的滤光片组合。(3,4)众所周知，使用不复制阳光的光源，以及在比室外更高的辐照度和强度下进行测试，会产生非自然的涂层失效(图8)。尽管最初的想法是，这可能会加速实际故障，事实是，这些非自然的故障导致了成本更高的涂料产品，这些产品的配方实际上不适合真实的暴露条件。
温度控制
加速风化设备在温度方面存在一些局限性。有可能接近并保持在全球许多地区预期的平均面板/零件温度附近(约。70°C)，但设备很难在较低的温度(约。20-25°C)，无需使用冷水机组。话虽如此，在现有风化设备的控制范围内，似乎确实有可能实现加速风化的合理温度剖面。到目前为止，还没有发现任何技术数据支持在汽车涂料加速老化试验中要求在室温(室内)或更低的温度循环。
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水分和湿度要求
在加速风化过程中，多年来很少考虑的是对水和湿度的要求。虽然众所周知，水暴露是室外风化循环的一部分，但业内并没有做出合理的努力来了解或优化加速风化过程中的湿度和水的使用。在过去的几年里，已经收集了大量的背景数据来定义室外的水暴露，以及这与当前加速测试的关系(图9)。(5,6)收集真实的水数据后的挑战是在加速测试中复制相同的效果。这远远超出了控制测试柜中的湿度百分比。必须确定涂层中水的实际量作为时间的函数和水在多层涂层膜中的位置。涂层的不同层可能具有不同程度的渗透性。
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随着加速风化试验的条件越来越接近真实世界的条件，特别是在水暴露的情况下，现在实验室中出现了目前加速风化试验没有出现的故障(图10-12)。其中一个原因是，目前加速风化中的水暴露量很低，而且很可能由于水暴露时间很短，唯一真正暴露于水的是多层涂层的顶层。例如，在由电泳、底漆、底漆和清漆组成的系统中，水只渗透在清漆层内。
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随着水曝光量的增加，薄膜中水分的含量增加，多层涂层中水分的分布也会发生变化。对于汽车涂层系统，水现在可以渗透到所有的涂层，最远可以到达磷酸盐表面。
当水完全渗透到多个涂层时，会产生化学和机械变化。水当然可以参与许多反应，包括酸或碱引起的水解。水还会与涂料配方中的湿度敏感材料相互作用，导致物理缺陷的形成。不同涂层对水的吸收也随时间的变化而不同，在多层涂层中产生了不同的机械膨胀/收缩情况。这些由水引起的力学变化肯定会导致和促成涂层系统缺陷的形成，包括开裂和涂层分层等缺陷。
有许多故障的例子是由于暴露在水的汽车涂层系统。第一个简单的缺陷是涂层的美白，由于涂层具有水溶性成分，使其亲水性质。当水渗透到汽车涂层系统的透明涂层时，就有可能看到这种缺陷。在目前的加速风化方法中，有时可以注意到这种缺陷，因为这些方法中的水暴露确实会导致一些水渗透到透明涂层层。
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另一种类型的失效是与湿度敏感性和水与底漆膜的相互作用有关。在这种情况下，水渗透到底漆层，并与底漆膜中的水溶性成分相互作用。这种相互作用的结果是，缺陷在底漆层中形成，并最终在上层透明漆层中产生应力。透明涂层最终通过开裂来减轻其自身的内应力(图13)。目前的加速风化方法基本上无法检测到这一缺陷，因为几乎没有水渗透或与底涂层的相互作用。其原因是测试样品的水暴露量低，以及水暴露时间短，防止水到达底漆层。
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在水起重要作用的情况下，也有涂层分层失败。这里讨论的例子是在电泳/底漆界面区域的分层失效。这种失效在实际情况中已经出现，但目前的加速风化方法还没有正确检测到。
众所周知，大多数电泳配方对紫外线和可见光都敏感。设计上覆涂层以保护电泳层不受任何紫外线或可见光照射是非常重要的。电泳层被氧化，因为它暴露在大多数紫外光下(图14)。1997年的Rayonet实验表明，360-370 nm波长的电泳层比350 nm波长产生更多的氧化(图15)。
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此外，当电泳层被烘烤时，通常会有胺功能材料从涂层中释放出来。这些材料中的一些挥发到大气中，但一些化合物可以留在电泳膜的顶部。这些胺功能材料在本质上大多是芳香族的，在光照下也容易降解。
这些材料的含量可以使用XPS (x射线光电子能谱仪)分析来检测，基于在电泳层表面发现的总氮含量的胺水平。分析数据表明，当电泳层被过度烘烤时，预计电泳层表面的胺浓度会更高(图16)。使用该技术可以对OEM装配厂的实际电泳烘烤条件进行评估。在水存在的情况下，许多胺类化合物也可参与水解反应。
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氧化型反应通常发生在这些化合物的光照下。巴斯夫10多年前进行的一项研究表明，在电泳层表面存在水能够大大加速氧化反应。水也会改变涂层之间的机械相互作用。巴斯夫进行的吸水研究表明，不同的涂层吸收和保持不同数量的水。一般来说，水性涂料的吸水率是溶剂型涂料的三到五倍。因此，在使用溶剂层和水性层组合的涂层系统中，机械应力可能大于全部水性层或全部溶剂层的机械应力。
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在底漆和底漆层较薄的涂层中，低能紫外线和可见光有可能到达电泳层表面。这在较浅的底漆和底漆颜色中更为普遍，其阻光特性比较深的颜色差(图17)。在这种情况下，在汽车装配厂日常使用底漆之前，正在产生相同的效果。当光单独照射到表面时，电泳层会发生氧化，但氧化程度可能不会达到涂层附着性损失的程度。
这本质上是当前加速风化的效果，其中水的作用并没有在电泳/底漆界面或深入电泳层中实现。改进的氙测试实际上再现了一些特定的现场分层情况，这是由于涂层基质中水的适当相互作用(图18-19)。水的相互作用很可能同时产生化学和机械效应，从而恰当地再现了在实际室外暴露中发现的分层破坏模式。
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结论
对于任何暴露在室外的涂层系统，水一直是产生涂层缺陷的重要因素。无论影响是化学的还是机械的，这些影响都需要在任何旨在复制室外涂层缺陷的测试中正确地再现。对水的理解和在新的加速风化循环中正确使用水，将大大提高未来防止涂层缺陷的信心水平。
作者还想感谢巴斯夫的Brian Quinn、Don Barber、Mike Garner和Tom Savino，感谢他们的贡献和数据。
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