研究人员使用仪器提供的黑色面板温度来估计真正感兴趣的涂层的温度。然而，由于一些原因，这样的估计很容易出错。最近又发展了一种新技术，可以测量并提供被测材料的特定样品表面温度，从而提供更准确可靠的风化试验结果。



风化是由环境压力引起的，环境压力通常会在任何暴露的有机物质中产生不利的化学和物理变化。主要的风化应力是任何形式的光和水分。然而，热也非常重要，因为任何由光引发的反应都是由动力学驱动的，因此往往会随着温度的升高而显著增加。 1

“经验法则”表明涂层温度的重要性，即反应速率每增加18°F(10°C)就会增加一倍。Fischer等人发现，根据测试材料的不同，每18°F增加1.2到1.8的因素。 1

大多数用于温度表征的实验室风化装置都配有“黑色面板”，通常符合ASTM G 151所描述的任一种设计。 2 在风化测试过程中，黑色面板旨在提供最坏情况下样品表面温度的估计。这个测试假设，主要因为它被涂上了一层高效的黑色太阳能吸收体，它的表面温度会比大多数(如果不是全部的话)其他“真正的”涂层要高。

研究人员使用仪器提供的黑色面板温度来估计真正感兴趣的涂层的温度。 1 然而，这种估计很容易出错，主要有三个原因:1)黑面板不同设计之间的操作可变性是有据可查的; 3. 2)黑色面板涂料的性能在使用寿命期间发生变化，有效地形成一个移动基线;3)测试涂层的变化不能与黑色面板的变化并行。

总之，在今天的实验室风化试验中，关键的涂层温度参数是未知的。此外，目前还没有可靠的方法来估计这些温度。

在各种文献中反复表达了在测试时了解特定材料温度的需求， 4 但到目前为止，可能是由于固有的挑战，实验室仪器一直无法提供这一信息。

图1。S3T系统的内部。

样品表面比温度

最近，人们开发了一种新技术*来测量和提供被测材料的特定样品表面温度(见图1)。该技术已被彻底评估，因为它能够在一系列风化测试条件下为各种材料提供精确的表面温度测量。

红外(IR)传感器被选择在一个光谱范围内响应，排除氙输出波长范围，使其对光不敏感。该设备有一个设施，以保持非接触式红外传感器头自由的任何凝结适当的性能。该装置的工作空气温度范围为32至185°F(0至85°C)，相对湿度范围为0至100%，包括所有已知的风化测试方法。该系统采用小体积传感器，对试件的突出性最小，光斑大小和响应时间合适，可从旋转试件中获得足够的信号响应。

该设备已在Atlas MTT Ci4000 WeatherOmeter®中成功测试，符合以下性能标准:
  • 传感器灵敏度和样品跟踪能力
  • 在各种测试条件下的性能
  • 在各种材料和不同表面处理上的性能
  • 使用不同传感器配置的性能(显示对物理设置变化的敏感性)。


图2。S3T各种彩色涂层的温度历史。

预设的发射率

涂层的发射率取决于它的温度，它的特定材料性质和它发射的波长。因此，对所有材料的红外温度测量进行单一、恒定的发射率设置是一个潜在的误差来源，并且不被认为是理想的。幸运的是，对于大多数经常测试的材料，在32到212°F(0到100°C)的温度范围内，发射率下降在0.85到0.96的相当狭窄的范围内。

在预选发射率设置为0.85、0.90和0.95的情况下，对各种材料进行了测试，而所有其他测试条件保持不变(黑色面板温度[BPT]为140°F/60°C，室内温度[CHT]为100°F/38°C，相对湿度[RH]为50%)。在各种发射率设置之间观察到最小的温差。这些结果表明，单一的名义发射率设置足以在各种各样的材料上提供可接受的精度。

表1。

灵敏度

典型风化样品的横截面，包括油漆表面(涂料)、纺织品和聚合物，用于测试该技术对不同材料的敏感性。由于篇幅所限，图2只显示了涂层试样的时间分布。但是，表1总结了各种材料的温度测量的平均值和标准差。测量结果表明，特定的样品表面温度测量系统适用于具有不同表面处理的典型风化材料。此外，在对每种类型的表面进行大量连续测量时，低标准偏差数表明系统具有良好的可重复性。

图3。S3T PVC温度测量与嵌入式热电偶方法比较。

验证

一套彩色聚氯乙烯(PVC)涂层在铝板上的复制，嵌入热电偶，由Fischer等人在“外部暴露和人工加速测试中的材料表面温度”中描述， 1 由3M公司提供。采用新技术和本文所述的嵌入式热电偶方法同时测量了这些板的表面温度。比较是在SAEJ1885,5 SAEJ1960,6 AATCC169-17和GM 3414TM,8以及以下国际标准组织风化标准:ISO195-B02, ISO105-BO6和ISO11341-1所概述的测试方法的广泛不同条件下进行的。

图4。在一定条件下温度测量技术的比较。

绘制两种测量方法的平均值和标准差。图3所示的SAE J1885测试方法的数据是所有测试方法的代表。总的来说，两种技术测得的平均温度之间有很好的一致性，而用新技术测得的平均温度具有更低的标准偏差，表明其可重复性更好。

图4比较了前面引用的所有测试方法的平均温度读数。接近45度的“等值线”表明，在测试方法所体现的非常不同的条件下，特定样品表面温度测量方法与建立的3M固定热电偶技术之间具有良好的一致性。

重新定义风化测试

耐用产品(如汽车)的制造商不断面临着满足外观需求的挑战，既为了“展厅吸引力”，也为了在使用中保持原有外观——不断增加的涂层材料和颜色使这一挑战更加复杂。随着越来越多地依赖于加速实验室测试，准确的风化测试是确保客户对成品长期满意的重要组成部分。

通过提供实时记录现场涂层表面温度的能力，新的特定样品表面温度测量技术可以重新定义如何进行风化测试。该系统使研究人员能够进行以前非常困难或不可能进行的材料耐久性测试，从而提供更准确和可靠的测试结果。



*该技术可通过位于伊利诺伊州芝加哥的Atlas材料测试技术有限责任公司以S3T™或S3T™的名称商用。欲了解更多信息，请访问www.atlas-mts.com