汽车涂层耐老化性能的研究

汽车涂层耐老化性能的研究
摘要：通过对目前国产汽车用的210种涂层试样进行湿热带大气曝晒试验及收集的一些人工老化试验数据，分析其老化性能，探讨影响涂层老化性能的主要人为因素及人工加速老化试验的局限性。

结果表明，不同品种、颜色、涂装条件的涂层出现的老化现象与特征不尽相同，耐环境老化性能的区别也很大；同品种同颜色系列不同环境条件生产的涂层出现的老化现象和特征大致相似，但耐环境老化性能的区别很大。

分析人工与自然曝晒结果的相关性，指出了人工荧光紫外/冷凝试验的局限性。

并为提高汽车涂层质量提出建议。

关键词：汽车涂层老化性能自然曝晒
前言
汽车涂层的耐老化性能是衡量汽车产品外观装饰性、耐久性及使用寿命的重要指标之一。

随着科学技术的进步与生活水平的提高，人们对汽车产品的外观装饰耐久性及防腐保护性等方面的要求也提高了。

然而，湿热带大气环境中的许多因素对汽车涂层会造成严重的影响，由于涂层属高分子材料，在高温、高湿、高太阳辐射及其它热带环境因素的协同作用下，会很快发生失光、变色、粉化、起泡、生锈、脱落和其它老化破坏现象而影响产品的外观装饰美观性能、耐久性及使用寿命。

换句话说，要确切地、比较快速地评价涂层的耐环境老化性能，就应该进行苛刻环境区域的用户试验或典型气候环境的自然大气曝晒试验，它能充分地反应出环境因素对涂层体系的综合影响，暴露出涂层材料、涂装工艺、基体焊接工艺、防护技术和产品设计等方面存在的薄弱环节，并为正确选择人工加速模拟环境曝晒试验方法提供依据。

本专题以近五年来在我所进行湿热带室外大气自然曝晒的210种汽车用涂层的试验
结果和收集到这些试样中的部分人工加速试验结果为依据，作以下的分析与研究。

1 试验部分
1.1 样品来源
试验样品来源于国内主要汽车制造厂与主要汽车油漆生产厂，如一汽大众、上海大众、上海通用、一汽集团技术中心、东风汽车集团技术中心、重庆和昌河铃木汽车有限公司、南京依维柯、常州化工涂料研究院、湖南和沈阳关西涂料有限公司、长春泰欧亚涂料有限公司、西安油漆厂、莱恩涂料有限公司、启迪化工有限公司等。

1.2 样品类型
自然大气曝晒试验的210种装饰性面漆涂层中，其中整车15种，驾驶室与零部件60种，特制样板135种。

试验样品的面漆材料类型、颜色与主要涂装工艺如表1。

1.3 试验方法
1.3.1 自然大气曝晒
自然大气曝晒按GB/T 9276的有关规定进行，时间为1年以上。

试验在海南汽车试验研究所曝晒场内进行，场地位于东经110°26´、北纬19°45´，海拔高度23.5m，四周空旷、平坦，且保持当地的自然植被状态，草高不超过200 mm。

是典型的湿热带乡村气候条件。

整车与驾驶室试样前风挡朝正南方，自然放置于曝晒场内，零部件与特制样板面朝正南，与地平面成45°倾角,试验架下端离地面高度大于500mm。

1.3.2 荧光紫外试验参照ASTM G154标准
设备：采用ATLAS生产的UC-1型试验机；光照条件：黑板温度63±3℃，湿度不控制；黑暗条件：黑板温度40±℃，相对湿度大于98％RH；循环周期：光照8小时+黑暗4小时；水质：含碳酸钙总量不小于3ppm，PH6.5～7.5；灯管:用8支40W的紫外荧光灯管。

时间为1000小时。

试验时间曝晒场内的主要气象数据参见表2。

注：表中数据是1996～1997年间收集的，太阳总辐射能量的波段在295～1200nm间。

1.3.3 评价指标
面漆涂层表面光泽、颜色与鲜映性用仪器定量测量，以光泽保持率或失光率和百分数表示；颜色以试验前后的色差值ΔE*ab表示，其它老化指标以目测评价，各项老化指标的等价均按GB/T 1766规定的有关老化等级评价原则进行。

2 结果分析
2.1 自然曝晒试验结果
2.1.1 各本色面漆的老化现象及老化特征
（1）氨基（醇酸）面漆
氨基（醇酸）面漆是目前国产汽车广泛应用的面漆、品种、颜色较多。

不同颜色、不同配方、不同涂装条件，其出现的老化现象与老化特征不尽相同。

但同种颜色或同一颜色系统的试样，它们有大致相似的老化现象和特征（如表3所示）。

表3 各颜色氨基（醇酸）面漆出现的老化现象和老化特征
（2）丙烯酸面漆
丙烯酸面漆试样经自然曝晒后各颜色所出现的老化现象是失光、变色、沾污、粉化。

白色试样以容易粉化为其老化特征，红色试样以严重变色为老化特征，兰色试样以易出现斑点为其老化特征。

（3）氨基/丙烯酸面漆
氨基/丙烯酸面漆试样经自然曝晒后各颜色所出现的老化现象是失光、变色、沾污、粉化、长霉、起泡、生锈。

容易沾污、失光、粉化是白色试样的老化特征。

（4）白聚氨酯/丙烯酸面漆
白聚氨酯/丙烯酸面漆试样经自然曝晒后，出现失光、变色、长霉、沾污、粉化、起泡、生锈等老化现象，多数试样以快速失光、粉化为其老化特征。

（5）聚氨酯面漆
三种颜色聚氨酯面漆试样经自然曝晒后各颜色所出现，均出现失光、变色、沾污、粉化、起泡、裂纹、生锈等老化现象，绿色试样以容易出现斑点为其老化特征，红色试样以快速变色为老化特征。

2.1.2 金属闪光面漆的老化现象及老化特征
金属闪光漆是目前国产轿车广泛应用的涂层材料，试样的品种、颜色较多。

不同品种、不同颜色、不同涂装工艺其出现的老化现象与老化特征不尽相同。

但同种颜色或同一颜色系列的试样，它们有大致相似的老化现象和老化特征。

经过2年自然曝晒后，各种颜色试样的老化现象与老化特征如表4所示。

表4各颜色金属闪光漆涂层出现的老化现象和老化特征
2.1.3 不同材料与不同涂装工艺涂层耐老化性能的一般规律
从各单项老化现象出现的时间、等级、程度比较不同材料与不同涂装工艺的涂层自然曝晒耐老化性能的一般规律。

（1）保光性能与鲜映性（PGD）值
210种装饰性面漆涂层经2年自然曝晒后，相同类型材料、相同涂装工艺条件而不同涂装线或不同类型试样（即零部件与特制样板），其光泽保持率一般有明显区别；不同类型材料的面漆涂层其光泽保持率性能区别很大，如表5与图1、2所示。

鲜映性是用来表示装饰性涂层光泽、丰满度、平滑度的综合指标，（PGD）值越高鲜映性越好。

实验室与生产线上制作的涂层的（PGD）值变化统计大致如表6所示。

表6 不同环境制作的涂层自然曝晒2年后（PGD）的变化
由以上结果统计，金属闪光漆涂层的保光性能最好，湿热带大气曝晒2年后70%以上的涂层试样失光率均小于15%；其次是丙烯酸漆和氨基（醇酸）漆有20%以上的涂层试样失光率均小于15%。

无论是金属闪光漆涂层还是本色漆各类型材料的涂层，其涂装工艺条件要求相同、材料类型与品种相同，实验室制作的涂层比生产线上的保光率好。

不同颜色的氨基（醇酸）漆涂层保光性能的优劣顺序大致是：黑色＞深兰色＞深绿和深红＞鲜绿和浅兰＞艳红和白色系列的涂层；红、兰、绿三种颜色系列中，颜色愈深的涂层保光性能愈好。

不同颜色丙烯酸漆的保光性能优劣顺序大致为：深兰色＞深绿色＞深红色＞白色。

氨基/丙烯酸漆、聚氨酯漆中，颜色深的试样保光性能比颜色浅的或白色的好些。

鲜映性PGD值高、变化率小的涂层大多是实验室特制、厚度达100µ以上、外观细腻、平滑、丰满的试样；生产线制作的试样外观质量与厚度差些，其PGD值低且变化率也相对大些。

PGD值的变化不但与油漆品种、类型、涂装技术条件有关，还与基体表面的平滑度和涂层体系的丰满度、厚度有关，但与颜色的类型关系不明显。

（2）保色性能比较
同颜色、同类型材料、相同涂装工艺条件而不同涂装线或不同类型试样（即零部件与特制样板），其颜色保持率区别不明显；但不同类型材料的涂层颜色保持率区别很大。

210种装饰性涂层经2年自然曝晒后，其颜色变化情况统计如表7所示。

由表7结果统计，金属闪光漆涂层的保色性能最好，约80%以上试样的△E*ab值均小于3个单位；其次是本色漆的各类白色或近白色涂层试样，其△E*ab值均小于3个单位。

从变色的时间和色差值△E*ab的大小比较各种类型不同颜色涂层的保色性能。

在同种类型面漆中，不同颜色试样的保色性有明显的差别，由于白色或近白色试样本身是无彩度或低彩度涂层，色差△E*ab值一般小于3，变色等级不完全代表其老化等级，在此不列入比较。

不同颜色氨基（醇酸）漆其保色性能的优劣顺序比较大致为：黑色＞深兰色＞深红色、深绿色＞艳兰色、国产原料的军绿色＞桔/艳黄色、桔/大红色。

不同颜色丙烯酸漆保色性能的优劣顺序比较：兰色＞绿色>红色。

不同颜色聚氨酯漆保色性能的优劣顺序比较：绿色＞红色。

金属闪光漆涂层保色性能的优劣顺序比较大致为：黑色、近白色、银色系列＞深兰、深绿、深红色＞鲜兰、鲜红。

（3）耐粉化、沾污、斑点、起泡、生锈、脱落等性能比较
从各类型涂层出现粉化、沾污、斑点的老化时间和等级比较。

经过2年自然曝晒后，金属闪光漆涂层一般没有粉化、沾污老化，但有个别试样斑点老化，其耐粉化、沾污性能最好；其次是丙烯酸漆、氨基/丙烯酸漆两类涂层，有40%出现粉化和沾污、有20%出斑点老化，粉化等级多为2级；氨基（醇酸）漆、聚氨酯漆、聚氨酯/丙烯酸漆，有60%出现粉化、沾污老化，且普遍为3级以上粉化，有30%的色漆出现斑点老化。

相同类型，不同颜色涂层的抗粉化性能优劣顺序大致如下：
氨基（醇酸）漆抗粉化性能比较：黑色＞深兰色＞深红色＞绿色系列＞浅兰色、大红色＞白色系列。

丙烯酸漆抗粉化性能比较：深兰色、深绿色＞红色＞白色。

氨基/丙烯酸漆抗粉化性能比较：黑色＞兰色＞白色。

白色试样的粉化速度要比黑色试样快很多。

聚氨酯漆抗粉化性能比较：绿色>红色>白色。

大部分整车与零部件试样及生产线上涂装的特制试样，由于涂装工艺与基体前处理不当等人为因素的问题容易出现生锈、起泡、脱落、裂纹等老化破坏。

2.2 人工加速老化试验结果
2.2.1 油漆涂层UVCON 试验的老化现象与老化特征
收集的30种进行荧光紫外/冷凝老化试验的的试样中，10种为氨基（醇酸），金属闪光漆和本色的丙烯酸漆、聚氨酯、氨基/丙烯酸漆等各5种，颜色主要有白、兰、红、黄、绿和银灰等色系列。

其共同出现的老化现象是失光、变色与粉化；鲜艳的红色、兰色本色漆以迅速变色、失光为其老化特征，白色与酞青蓝本色漆以容易粉化为其老化特征。

2.3 人工与自然曝晒结果的比较
6种不同类型涂层自然曝晒2年与UVCON 试验1000h 后光泽保持率比较如图3、4所示；3种本色漆涂层颜色变化比较即色差△E*ab 值变化如图5、6所示；30种各类型涂层2种方法试验后各项老化性能的比较如表8所示。

由图3～5及表8可知，各种类型试样在两者试验中保光率的变化趋势很相似，即其相关性很好，但不是简单合一的变换关系；鲜艳即色彩度很高的本色漆在两者试验中其色差△E*ab值的变化趋势也基本相似，但色彩度很小或白色系列涂层却显示不出有关系；各类型涂层的粉化性能指标也有相关系，但斑点、长霉、起泡、脱落与沾污等老化现象在UVCON试验中却没有表现出来。

据文献及上述结果分析说明,人工加速倍数不是一个常数，以失光为例，有些试样随试验时间的推移，加速倍数增大；有的则相反，初期倍数很大，随后却不断减少；有的在初期几乎不老化，但时间增到某一数值后，老化速度加快。

而且相同的试样以不同的指标来计算两者的加速倍数也不一样。

3 结论与建议
3.1 金属闪光漆的耐老化性能相对好些，但由于涂层体系结构、材料、配方、颜料、涂装技术、施工条件等人为因素的影响很复杂，“好”与“坏”很难下结论。

只有在典型气候条件下进行曝晒或用户试验，才能较全面、真实地反应出产品表面涂层体系实际使用的老化问题。

为了提高产品的耐环境老化性能，建议在油漆产品的生产与研制过程中通过各种人工试验考核后，还必须进行自然环境的曝晒试验考核才能认可及应用。

3.2 同种涂层实验室特制的比生产线上制作的零部件试样耐老化性能相对要好些，但只有在实际生产线上制作的成品试样才能真实地反映出成品的耐环境老化问题。

在国外，应用于汽车上的装饰保护性涂层都要求通过2年以上的大气曝晒考核；在国内，整个汽车生产过程中无论是涂装技术、工艺、设计、油漆品种选择及涂层体系的生成管理都与国外有一定的差距。

因此，建议以成品为主不断进行苛刻环境的大气老化曝晒或用户试验以全面地考核其的耐老化性能，才能制造出客户满意的产品。

3.3 人工荧光紫外/冷凝试验仅限于对紫外线敏感的涂层材料的模拟试验才有效。

对紫外线不敏感或敏感度很弱的材料，其模拟的结果偏差较大。

其可作为快速评价材料某单一老化指标、筛选配方的一种有效方法，但无法取代户外自然大气曝晒试验。

因为，自然环境因素变化复杂，再现性较差，影响涂层老化性能的因素也很复杂，只以人工试验方法来预估涂层的使用寿命或评价其老化性能是有局限性的。

参考文献
1 Mr.Matt McGreer 气候及老化之因素第一届中美材料环境腐蚀与老试验学术研讨会论文集
2 Dr.George Wypych 加速老化的相关性与使用寿命预测第一届中美材料环境腐蚀与老试验学术
研讨会论文集
目前海南所大气老化试验评价的项目大致统计如下表所示：
油漆涂层自然大气暴露试验与评价常用标准概述。