静态冷凝水试验方法及评价指标概述

静态冷凝水试验方法及评价指标概述张立娟【摘要】静态冷凝水试验是评定涂层耐湿性能的重要方法，确定涂层在潮湿环境下的性能及腐蚀防护的缺陷;介绍了静态冷凝水试验方法及测试过程中应当注意的问题;起泡和生锈是涂层进行静态冷凝水气候测试后最常见的缺陷，详细描述了常用评价标准ISO4628-2、ASTMD714、ASTMD610对起泡和生锈的评级指标及差异.【期刊名称】《广州化学》【年(卷)，期】2015(040)001【总页数】7页(P53-59)【关键词】静态冷凝水实验;涂层;起泡;生锈【作者】张立娟【作者单位】金发科技发展有限公司，上海201714【正文语种】中文高分子材料在加工、储存、运输和使用过程中，由于受到光、热、氧和湿等环境因素的作用，其理化性能和机械性能逐渐变化，最终丧失使用价值，这一过程即为〃老化”［1］。将材料直接暴露在大气环境中进行老化试验可以得到最直观、可靠的测试结果，但是往往需要很长时间，很难满足目前新材料开发的周期［2］，因此，人工加速老化作为自然老化的重要补充在新材料的老化性能测试方面发挥着越来越重要的作用。人工加速老化实验可以模拟并强化自然界气候中的重要因素［3］，例如针对长期受到户外暴晒材料进行的光老化测试，针对高温环境下材料发生的氧化而进行的热老化测试［4］,在汽车行业中广泛采用的耐候老化测试，如沙漠气候、亚热带气候等，针对涂层耐湿性开展的冷凝水测试等，并且人工加速老化试验不受环境、时间、地点的限制，实验条件可控，充分保证了试验的重复性［5］。冷凝水测试是通过密闭的人工试验箱体模拟潮湿闷热大气环境的一种人工加速老化试验［6］，目前常用的冷凝水测试方法为静态模拟实验，即整个测试过程在人工试验箱的有效空间内保持稳定的恒温高湿的氛围，固定在测试箱体中的受试材料表面维持连续的冷凝过程，即不断有水滴凝聚在材料表面［7-8］。通过对涂层材料进行冷凝水静态气候测试发现漆膜在潮湿气候下的特性及缺陷，为确定漆膜的使用寿命提供参考。本文在工作实践的基础上，介绍了静态冷凝水试验方法及测试过程中应当注意的问题，静态冷凝水实验温度一般设定为40°C,箱体内相对湿度接近100%。箱体密封性良好，整个测试过程中除去中间开箱评价外，箱体内夕卜无气氛交流。测试过程中样品要保证足够的间距，并且需要交叉放置，避免箱体内上层样品表面形成的冷凝水低落至下层样品表明，影响测试结果。1.1静态冷凝水试验箱冷凝水测试过程中必须维持恒温高湿的气氛，对试验箱的要求较严格，其中箱体材质、密封性、温控能力及箱体容量方面是决定冷凝水试验箱质量的关键。目前市场上已有成型的冷凝水实验箱产品，对比国内夕卜该类产品，进口的试验箱的性能更加稳定，实验箱体的耐腐蚀性及温控能力更优，价格上进口试验箱的价格普遍是国产品牌的4倍左右。下文中对冷凝水试验箱关键性能进行详细说明。1.1.1试验箱工作原理试验箱底部设有水槽，在试验运行的过程中通过加热水槽内存水调节箱体空气的温度和湿度，若水槽存水所传递的热量不足，可以对试验箱内的空气进行补充加热，以便把试验箱的空气温度提高到足够的水平，最终达到恒温高湿的气氛环境。试验过程中用水必须为纯水，为了避免设备的钙化，测试标准中推荐使用经过提纯或经过脱钙处理的蒸馏水［8］，箱体运行时需保证至少10mm高的水位。要求在1.5h之内把有效空间加热到规定的温度，同时试样表面必须呈现冷凝水。冷凝水试验箱的整体结构如图1所示，箱体左侧为温控系统和主电源开关，右侧为工作区域，内部设有两层样品架，可将样品放置于样品架上部或悬挂于样品架下。箱体内部结构如图2所示，测试前需要加注蒸馏水或纯水至箱体内达到要求水位，照片左下侧为温度传感器，可实时监控箱体内温度并及时反馈至温控系统，在箱体内温度低于设定温度时自动开启加热系统进而提高箱底水温，实现对箱体内环境温度进行控制。1.1.2试验箱材料要求箱体由性能稳定、耐腐蚀的材料构成，在长期的恒温高湿过程中不会产生其他物质对箱体内的测试样品产生影响。同时从测试样品表面滴落的冷凝液是由冷凝水和由测试样表面溶解出的成分组成，该成分可能具有腐蚀性，箱体需由耐腐蚀的材料构成。1.1.3试验箱密封性要求测试过程中维持箱体内部稳定的温度和湿度环境，阻止箱内环境与外界环境的交换。因此箱体要求严格密闭，并定期检查箱体的密闭情况，若箱体出现漏水漏气的现象须马上停止试验，对箱体进行修复和维护。试验过程中尽量避免开启箱门，避免其他热负荷对试样的影响［6］。如确实需要开启箱门对样品进行中间评价时，保证在不关闭箱体加热电源的条件下取出试样，评定后立即送入试验箱，整个过程需要在30min之内完成。试验箱门的开启及受试样品的取放会造成部分冷凝水的损失，所以在再次关闭箱门前必须检查箱内水位，如有必要及时补水，根据经验，预先将纯水加热至试验温度，可以使箱体内温度在较短的时间内回复到所要求温度，减少对箱体内环境气氛的影响。1.1.4测试箱周围环境要求由于试验箱壁的反射作用或试样本身的冷却作用，实验箱体内试样表面的温度较低于箱内环境空气的饱和温度，使空气中的水分在试样表面持续冷凝。要求试验箱体放置在一个不含任何腐蚀成分室内环境空间中，不能受到日光及其他热源辐射的干扰，并且室内环境要满足（23±5）°C的温度以及相对湿度小于等于75%的条件，在进行比较性的试验时，试验箱体安装的环境温度要保持在（23±2）C的标准温度［8］。1.2静态冷凝水测试以“ISO6270-2冷凝水气候试验操作方法”为例说明冷凝水测试过程中需要注意事项。1.2.1实验条件凝露人工气候试验箱壁的辐射作用或试样本身的冷却作用，试验箱内的试样表面的温度较低于试验箱内环境空气的饱和温度，由此空气中的水分会在试样表面冷凝下来。凝露人工气候试验箱内发生冷凝过程中，试验箱内空气温度一般设定为40C。1.2.2冷凝水试样表面冷凝水量起决定作用，受到安装人工气候室的环境温度或试样冷却作用的影响，从试样上滴落的冷凝物除了包含冷凝水之外，还可能包含试验固态与液态成分的溶解物或混合物。只有相同的人工气候条件和相同的试验过程条件下，试验结果才具有可比性。1.2.3试样要求只有相互不发生影响的试样才能放置于同一测试箱中进行试验，避免材料之间的干扰。试样的放置要保持与工作空间水平面呈大于或等于60°的夹角，试样之间、试样下边缘与水平面、试样与箱体内壁的距离有严格的要求，如表1所示，使试样之间不会相互触碰并且接受足够的热量辐射［8］。同时，试样在工作空间的放置要避免测试空间内壁和测试空间顶盖的冷凝水滴落在被测试样品的上面。起泡和生锈是涂层材料进行冷凝水静态气候测试后最常见的缺陷，影响涂层功能持续发挥作用的关键指标。通过观察涂层起泡和生锈程度可以真实快速的反应材料的老化程度［9］。不同标准对起泡、生锈等级的评定各不相同，但又存在一定的联系，目前对涂层起泡程度评价标准主要有ISO4628-1、ISO4628-2、ISO4628-3、ASTMD714和ASTMD610［10-14］。本文对两大标准体系进行了系统的总结，分别对涂层的起泡和生锈两大缺陷进行说明。ISO4628-2和ISO4628-3评级ISO4628-2起泡评级ISO4628-2标准中以0~5的数字等级来评定破坏程度和数量，0表示无破坏，5表示严重破坏，数字1、2、3、4的四个等级使整个等级范围得到最佳分区，需要注意的是，标准中规定若材料表面有不同大小的起泡，选则其中典型的起泡评定等级［11］。起泡等级的评定表示方法：起泡密度等级（起泡尺寸等级），如起泡2（S3），表示涂层起泡密度为2级，起泡大小为S3级。具体评级方法如表2所示。ISO4628-3生锈评级ISO4628-3标准对生锈严重程度的评级分为0-5级，0表示无锈迹，5表示严重生锈，以修点（斑）的面积百分比划分中间等级，锈点（斑）的尺寸等级同ISO4628-2起泡尺寸等级规定一致［10］。生锈等级的评定表示方法：锈点（斑）数量的等级（锈点大小的等级），如生锈3（S4），表示锈点（斑）的数量等级为3级，大小等级为S4级。具体评级方法如表3所示。ASTMD714和ASTMD610评级2.2.1ASTMD714起泡评级ASTMD714对材料表面涂层的起泡程度进行评价，主要从起泡的数量和尺寸两个角度进行评级。起泡数量分为无、少量、有起泡、中等密集和密集五个等级。起泡的尺寸分为0~10级，其中0级对应最大尺寸起泡，10级为无泡，8级对应裸眼可以较容易观察到的最小尺寸起泡，6级、4级、2级对应的尺寸依次增大。标准示例如图3所示，起泡尺寸等级为2级，a、b、c、d图中对应密度等级依次为很少、少量、中等、密集［13］。起泡等级评定的结果为起泡尺寸编号和密度等级。ASTMD610生锈评级ASTMD610针对钢铁材料表面涂层的锈蚀程度进行评定，涂层生锈的多少是决定表层系统是否需要修补或更换的重要因素，根据生锈表面的百分比从0~10级判断生锈程度，10级表示测试样品表面有极少量的锈迹，0级表示严重生锈。标准中对锈点（斑）的形态进行了详细的区分并给出对应的示意图，方便测试人员进行试验后评价，锈点（斑）的形态分为点状、针状，其中大小不一的锈点用一般性生锈描述。若生锈表面由多种类型锈点（斑）混合在一起时，则根据总的生锈面积判定等级9-H至1-H［14］。具体分级标准如表4所示。生锈等级评定需要报告生锈等级和锈迹类型。2.3ISO和ASTM涂层起泡评价等级划分的比较ISO4628-2和ASTMD714标准关于涂层起泡评价等级划分的对应关系如表5所示，分别比较了起泡数量（密度）和起泡尺寸，其中ISO评价体系中起泡尺寸分为0~5级，0级表示无缺陷，随着级数的变大缺陷依次变得严重。ASTM体系中起泡尺寸分为0~10级，0级为最严重缺陷，随着数字的变大缺陷程度降低°ISO4628-3和ASTMD610标准关于生锈评级的对应关系同起泡评级一致，但ASTM标准对锈点（斑）的形态进行了更为详细的规定和说明。ISO和ASTM标准除对各等级缺陷进行了详细的文字描述外在标准中列出了对应的参照图片，指导测试人员更好地进行试验后的缺陷评级，尽量减少主观认识对评级的影响。静态冷凝水实验室测定涂层耐湿性能的重要方法，通过将材料放置于恒温高湿的环境中进行实验室加速测试验确定涂层在潮湿环境下的特性，找出材料腐蚀防护的缺陷。但是人工气候室设定的负荷不能直接确定涂层在实际使用条件下的寿命。静态冷凝水测试后样品缺陷评价主要有起泡和生锈两项，对常用评价标准ISO4628-2、ISO4628-2、ASTMD714和ASTMD610进行了系统的说明和简要的比较，ISO和ASTM两个标准体统都通过详细的描述和参考图片作为评级依据，指导测试人员更好地进行试验后的缺陷等级评定，尽量减少等级评定过程中主观意愿对缺陷评级结果的影响。Keyword:condensationatmospheretestwithconstanthumidity;coat;blistering;rusting【相关文献】王从曾，刘会亭.材料性能学[M].第一版.北京:北京工业大学出版社,286.江鲁.汽车原材料、零部件、整车自然暴露实验[J].环境适应性与可靠性,2007(4):4-9,16.庄海仁，何文生,林玛丽.国内外实验室光源加速老化实验设备[J].合成材料老化与应用,2007,36(4):47-50,59.刘景军,李效玉.高分子材料的环境行为与老化机理研究进展[J].高分子通报,2005(3):63-69.陆启凯冯皓.我国应重视工业产品环境适应性及环境失效的研究[J].新材料产业,2008(5):10-15.Condensationwatertestatmospheres.DIN50017-1982[S].German:DeutschesInstitutFurNormungEV,1982.钱俊,张翰伦,高述恒，等.色漆和清漆耐湿性能的测定-连续冷凝法.GB/T13893-2008[S].北京:中国标准出版社,2008.Paintsandvarnishes-Determinationofres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