CN114705612A - 涂层户外使用寿命的评估方法 - Google Patents

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CN114705612A CN202210197950.2A CN202210197950A CN114705612A CN 114705612 A CN114705612 A CN 114705612A CN 202210197950 A CN202210197950 A CN 202210197950A CN 114705612 A CN114705612 A CN 114705612A
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申罡
林金旭
王力
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China General Nuclear Power Corp
CGN Power Co Ltd
Suzhou Nuclear Power Research Institute Co Ltd
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Cgn Huizhou Nuclear Power Co ltd
China General Nuclear Power Corp
CGN Power Co Ltd
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Abstract

本发明公开了一种涂层户外使用寿命的评估方法，包括如下步骤：计算一年十二个月中每个月涂层在紫外老化中的紫外光辐照当量以及在湿热加速老化中的温湿度老化当量；根据每个月的紫外光辐照当量和温湿度老化当量设定加速老化试验条件，并以年为一个循环单位，以每个月为一个阶段，每个循环单位年内包括十二个阶段；每个循环单元老化结束后测量涂层的附着力，并对附着力的测试结果进行数据拟合，进而得到户外涂层失效的使用寿命时间。本发明的涂层户外使用寿命的评估方法，建立了一种基于评估户外涂层使用寿命的方法，完善了涂层评估的理论依据及手段，且数据获得精准，结果准确。

Description

涂层户外使用寿命的评估方法
技术领域
本发明涉及可靠性工程中的涂层评估技术领域，具体是涉及一种户外涂层使用寿命的评估方法。
背景技术
涂料涂敷于物体表面干燥硬化后，在物体表面形成坚韧且富有一定弹性的覆盖层即涂层，给物体以保护和装饰作用。用于户外的涂层暴露在户外大气环境中，要经受风吹、日晒、雨淋、盐雾腐蚀、冷热变化等作用，在这些外界自然环境的长期反复作用下，涂层易发生开裂、粉化、剥落和变色等老化现象，使得涂层失去原有的装饰和保护功能。因此工程应用中，在设计选用阶段，需要根据具体使用需求，对户外涂层进行老化试验判断其耐环境老化性能，甚至评估、预测其使用寿命。
目前材料老化寿命评估方法主要有两种：一种是自然老化试验，另外一种是实验室人工气候加速老化试验。自然老化试验是指直接暴露于自然环境下，能真实反映了材料所承受的环境条件，获得的试验结果准确可靠，但试验周期较长，往往需要几年甚至几十年的试验周期；实验室人工气候加速老化试验是利用实验箱来模拟自然环境的作用，通过加速老化试验可以在较短的周期内获得试验结果，但是它往往不能与实际使用环境相对应，不能准确反映全部的环境因素的影响。因此如何在自然老化环境与实验室加速老化环境之间建立一个等效的对应关系，利用实验室加速老化方法快速评估户外涂层的长期自然老化性能成为迫切需要解决的问题。
发明内容
有鉴于此，为了克服现有技术的缺陷，本发明的目的是提供一种户外涂层使用寿命的评估方法。
为了达到上述目的，本发明采用以下的技术方案：
一种涂层户外使用寿命的评估方法，包括如下步骤：
计算一年十二个月中每个月涂层在紫外老化中的紫外光辐照当量以及在湿热加速老化中的温湿度老化当量；
根据每个月的紫外光辐照当量和温湿度老化当量设定加速老化试验条件，并以年为一个循环单位，以每个月为一个阶段，每个循环单位年内包括十二个阶段；
每个循环单元老化结束后测量涂层的附着力，并对附着力的测试结果进行数据拟合，进而得到户外涂层失效的使用寿命时间。
根据本发明的一些优选实施方面，涂层在户外紫外老化中的紫外光辐照当量的计算包括如下步骤：
查询目标地区某年1～12个月的每个月紫外光辐照量UVi，其中i＝1,2,3，……,12；
在紫外老化箱中进行紫外加速老化，查询紫外老化箱的紫外光的辐照功率P，通过公式(1)来计算每个月等效紫外加速老化时间tUVi，故每个月的紫外光辐照当量为(P,tUVi)，其中i＝1,2,3，……,12；
Figure BDA0003527897360000021
根据本发明的一些优选实施方面，涂层在湿热加速老化中的温湿度老化当量的计算包括如下步骤：
按照公式(2)来计算湿热加速老化的老化作用时间：
Figure BDA0003527897360000022
式中：K为时间加速系数；t1和t2分别为实验室湿热老化和自然老化时间，T1和T2是湿热老化和自然老化的温度，
Figure BDA0003527897360000023
和
Figure BDA0003527897360000024
分别是湿热老化与自然老化的湿度，C为等效加速老化系数；
查询目标地区某年1～12个月的平均温度Ti和平均湿度
Figure BDA0003527897360000025
其中i＝1,2,3，……,12；
按照公式(2)计算每个月对应目标温度和目标相对湿度的温湿度下当量等效后加速老化所需要的时间ti，故每个月的温湿度老化当量为
Figure BDA0003527897360000026
其中i＝1,2,3，……,12；t设定和
Figure BDA0003527897360000027
分别为根据涂层的使用温度而设定的环境温度和相对湿度。
根据本发明的一些优选实施方面，等效加速老化系数C的确定包括如下步骤：
初步拟定Cj；
确定需要开展湿热老化试验的时间，并查询目标地区过去三年试验时间段的平均温度Tt和平均湿度
Figure BDA0003527897360000028
根据公式(2)计算湿热老化当量时间tt，并根据涂层设计最高使用温度和湿度以及湿热老化当量时间tt得到湿热加速老化程序；
根据湿热老化程序进行湿热老化试验，并同步进行室内自然老化试验；
在试验结束后，对户外涂层进行附着力测试，根据测试结果同步修正等效加速老化系数Cj，并重新进行加速老化试验；
当实际加速老化试验结果与自然老化结果相当时所得到的Cj即为该户外涂层最佳等效加速老化系数C。
根据本发明的一些优选实施方面，附着力随时间的变化规律如公式(3)所示，
S＝S0-ωln(1+θt) (3)
式中：S为老化t时间后的附着力，S0为初始附着力，ω表述涂层抗老化能力参数，θ为环境老化侵蚀系数。
根据本发明的一些优选实施方面，对经过每个循环周期老化后的涂层附着力测试结果进行数据拟合，并根据公式(3)得到涂层的抗老化能力参数ω和环境老化侵蚀系数θ。
根据本发明的一些优选实施方面，户外涂层失效的使用寿命时间为根据涂层附着力的拟合得到的拟合方程和涂层失效的技术要求中所规定最低附着力的值Ff，计算户外涂层所失效的使用寿命时间Tf。
由于采用了以上的技术方案，相较于现有技术，本发明的有益之处在于：本发明的涂层户外使用寿命的评估方法，建立了一种基于评估户外涂层使用寿命的方法，完善了涂层评估的理论依据及手段，且数据获得精准，结果准确。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明优选实施例中户外涂层等效加速系数C调整流程；
图2为本发明优选实施例中户外涂层人工加速老化后附着力随时间变化规律
图3为本发明优选实施例中涂层A’人工加速老化后附着力随时间变化规律；
图4为本发明优选实施例中涂层B’人工加速老化后附着力随时间变化规律。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
涂层在户外会受到日晒、雨淋、温湿度、风吹和盐雾等因素的影响，其中最主要的因素为日晒(太阳辐照)和温湿度，太阳光中对涂层老化影响最为显著的是紫外光，因此在实验室中人工模拟室外老化时选取紫外光和温湿度作为加速老化的环境因素。
将紫外光和温湿度进行月变化的交替循环来体现自然环境变化(如晴雨天交替)的影响，一年中12个月的紫外光辐照量以及温湿度变化较大，而针对每年来说，紫外光辐照量以及温湿度变化往往可忽略不计，故涂层使用寿命评估可以通过12个月劣化效果来评估，并以年为单位进行叠加老化的影响，具体每年老化劣化计算包括以下步骤：
步骤一：户外涂层在紫外老化中紫外光辐照当量的计算：
对于紫外光引起的老化，一般认为老化程度与辐照总量相关，因此在紫外加速老化试验中，只要保持紫外辐照量与自然老化的紫外辐照量一致即可。
步骤101：查询某年1～12个月的每个月紫外光辐照量UVi，其中i＝1,2,3，……,12；
步骤102：紫外加速老化在紫外老化箱中进行，查询紫外老化箱的紫外光的辐照功率P，通过公式(1)来计算每个月等效紫外加速老化时间tUVi，故每个月的紫外光辐照当量为(P,tUVi)，其中i＝1,2,3，……,12。
Figure BDA0003527897360000041
步骤二：户外涂层在湿热加速老化中温湿度老化当量的计算
对于温湿度引起的老化，户外涂层主要发生水解、溶胀等性能衰退，可以选择在高温和高湿度的环境中进行加热老化试验。湿热加速的老化作用时间可以按照公式(2)来计算。
Figure BDA0003527897360000042
式中：K为时间加速系数；t1和t2分别为实验室湿热老化和自然老化时间，T1和T2是湿热老化和自然老化的温度，
Figure BDA0003527897360000051
和
Figure BDA0003527897360000052
分别是湿热老化与自然老化的湿度，C为等效加速老化系数。
因研究所需的涂层设计最高使用温度为60℃，因此选取加速湿热老化的环境为温度55℃，相对湿度
Figure BDA0003527897360000053
的恒温恒湿环境。若其他涂层的设计最高使用温度不同，可以选择其他的设定温度和相对湿度，也可以固定设定温度t设定为55℃和相对湿度
Figure BDA0003527897360000054
以形成同一的标准方便结果对比。
步骤201：户外涂层等效加速老化系数C的确认
等效加速老化系数C与涂层的组份及性能息息相关，每类户外涂层的等效加速老化系数C都有一定差异，该系数对涂层预估结果有较大的影响，需采用在自然服役过程中采集到的阶段性老化测试数据修正当量等效加速系数，这样得到的老化预测结果更加准确，具体步骤如下：
步骤2011：先依据经验、手册或文献数据，初步拟定Cj(Cj可是一个值，也可是几个值)；
步骤2012：确定需要开展湿热老化试验的时间，并根据气象部门信息，查询该地区过去三年试验时间段的平均温度Tt和平均湿度
Figure BDA0003527897360000055
此处的三年试验时间段为三个完整年，即每一年都是1～12月，而不能跨年。
步骤2013：根据公式(2)计算湿热老化当量时间tt，即湿热加速老化程序为
Figure BDA0003527897360000056
步骤2014：根据湿热老化程序
Figure BDA0003527897360000057
进行湿热老化试验，并同步进行室内自然老化试验；
步骤2015：在步骤2014试验结束后，对户外涂层进行附着力测试，根据测试结果同步修正等效加速老化系数Cj，重新进行加速老化试验。当实际加速老化试验结果与自然老化结果相当时所得到的Cj是该户外涂层最佳等效加速老化系数C，该系数的调整流程如图1所示。
此处的相当为实际加速老化试验结果与自然老化结果相差在5％以内，通常为附着力的测试结果。
步骤202：查询某年1～12个月的平均温度Ti和平均湿度
Figure BDA0003527897360000058
其中i＝1,2,3，……,12。
步骤203：按照公式(2)计算步骤201中每个月对应温度55℃和相对湿度
Figure BDA0003527897360000059
温湿度下当量等效后加速老化所需要的时间ti，故每个月的温湿度老化当量为
Figure BDA00035278973600000510
其中i＝1,2,3，……,12。
步骤三：人工加速老化试验方法的确定
基于步骤一和步骤二，将每个月的自然老化效应由人工紫外加速老化和湿热加速老化替代，一年的加速老化试验的环境谱见表1所示。
Figure BDA0003527897360000061
步骤四：户外涂层使用寿命的评估
步骤401：按照表1的人工加速老化试验环境谱对户外涂层进行加速老化试验，每一个测试循环周期为一年，包括12个月；
步骤402：涂层的附着力是涂层各种性能中最为重要的性质之一，涂层受环境作用导致失效破坏，主要起始于涂层/金属界面电化学腐蚀发生，使涂层全部或局部丧失附着力，因此，通过测量涂层的附着力可以有效的定量化表征涂层的老化程度。
在老化试验过程中，每个循环周期定期取出试验件进行附着力测试，附着力随时间变化规律见图2，这种变化规律服从于古尼耶夫公式，简化后可用公式(3)表达：
S＝S0-ωln(1+θt) (3)
式中：S为老化t时间后的附着力，S0为初始附着力，ω表述涂层抗老化能力参数，θ为环境老化侵蚀系数。
对步骤401中每个周期的涂层附着力测试结果进行数据拟合，得到涂层抗老化能力参数ω和环境老化侵蚀系数θ。其中，ω反映涂层自身抗老化的能力，ω值越大，涂层抗老化能力越差；θ反映模拟环境影响的程度，θ值越大，影响程度越大。
步骤403：根据步骤402涂层附着力的拟合方程和涂层失效的技术要求中所规定最低附着力的值Ff，计算户外涂层所失效的使用寿命时间Tf。
以下以带有具体数值的实施案例对本发明的技术方案做进一步的说明。
实施例1
本实施案例为A地区某一户外用钢板基的涂层A’，甲乙双方协议要求涂层附着力不能低于3.5MPa，需评估该涂层可使用年限。
步骤一：计算紫外加速老化试验中紫外光辐照当量
采用紫外光辐照功率为0.60W/m2的紫外老化箱进行紫外老化。查询A地区过去一年每个月紫外光辐照量UVi，并通过公式(1)计算出每个月等效紫外加速老化时间tUVi，结果见表2：
Figure BDA0003527897360000071
步骤二：计算湿热加速老化试验中湿度老化当量
按照图1流程经试验验证修正后，等效加速老化参数C＝87.2。查询A地区过去一年每个月平均温度Ti和平均湿度
Figure BDA0003527897360000074
并根据公式(2)计算每个月对应温度55℃和相对湿度
Figure BDA0003527897360000075
温湿度下当量等效后加速老化所需要的时间ti，结果见
表3：
Figure BDA0003527897360000072
表3中1月和12月得到的加速时间过短，没有试验的意义，固设为0。
步骤三：确定人工加速老化试验方法
基于步骤一和步骤二，将每个月的自然老化效应由人工紫外加速老化和湿热加速老化替代，一年的加速老化试验的环境谱见下表4：
Figure BDA0003527897360000073
Figure BDA0003527897360000081
表4中1月和12月得到的加速时间过短，没有试验的意义，固设为0。
步骤四：使用寿命的评估
按照表4的人工加速老化试验环境谱对涂层A’进行加速老化试验，试验周期为一年，一共开展了6个周期试验，每周期试验后取出试验件进行附着力测试，并对测试数据用古尼耶夫公式进行拟合，见图3，拟合后曲线公式为公式4，相关系数R＝0.972。
S＝35.29-3.04ln(1+3033.24t) (4)
对比公式(3)和公式(4)可知：涂层抗老化能力参数ω＝3.04，环境老化侵蚀系数θ＝3033.24。
根据甲乙双方协议要求涂层附着力不能低于3.5MPa，亦即是
35.29-3.04ln(1+3033.24t)≥3.5
则t≤11.5
即是涂层A’在A地区的自然环境中满足附着力不低于3.5MPa时可用11.5年。
实施例2
本实施案例为B地区某一户外用混凝土基的外墙涂层B’，甲乙双方协议要求涂层附着力不能低于2MPa，需评估该涂层可使用年限。
步骤一：计算紫外加速老化试验中紫外光辐照当量
采用紫外光辐照功率为0.60W/m2的紫外老化箱进行紫外老化。查询A地区过去一年每个月紫外光辐照量UVi，并通过公式(1)计算出每个月等效紫外加速老化时间tUVi，结果见表5：
Figure BDA0003527897360000082
Figure BDA0003527897360000091
步骤二：计算湿热加速老化试验中湿度老化当量
按照图1流程经试验验证修正后，等效加速老化参数C＝75.8。查询B地区过去一年每个月平均温度Ti和平均湿度
Figure BDA0003527897360000092
并根据公式(2)计算每个月对应温度55℃和相对湿度
Figure BDA0003527897360000093
温湿度下当量等效后加速老化所需要的时间ti，结果见
表6：
Figure BDA0003527897360000094
表6中1月和12月得到的加速时间过短，没有试验的意义，固设为0。
步骤三：确定人工加速老化试验方法
基于步骤一和步骤二，将每个月的自然老化效应由人工紫外加速老化和湿热加速老化替代，一年的加速老化试验的环境谱见下表7：
Figure BDA0003527897360000095
表7中1月和12月得到的加速时间过短，没有试验的意义，固设为0。
步骤四：使用寿命的评估
按照表7的人工加速老化试验环境谱对涂层A’进行加速老化试验，试验周期为一年，一共开展了6个周期试验，每周期试验后取出试验件进行附着力测试，并对测试数据用古尼耶夫公式进行拟合，见图4，拟合后曲线公式为公式5，相关系数R＝0.979。
S＝29.74-2.86ln(1+1865.52t) (5)
对比公式(3)和公式(5)可知：涂层抗老化能力参数ω＝2.86，环境老化侵蚀系数θ＝1865.52。
根据甲乙双方协议要求涂层附着力不能低于2MPa，亦即是
29.74-2.86ln(1+1865.52t)≥2
则t≤8.7
即是涂层B’在B地区的自然环境中满足附着力不低于2MPa时可用8.7年。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种涂层户外使用寿命的评估方法，其特征在于，包括如下步骤：
计算一年十二个月中每个月涂层在紫外老化中的紫外光辐照当量以及在湿热加速老化中的温湿度老化当量；
根据每个月的紫外光辐照当量和温湿度老化当量设定加速老化试验条件，并以年为一个循环单位，以每个月为一个阶段，每个循环单位年内包括对应从一月至十二月的十二个阶段；
每个循环单元老化结束后测量涂层的附着力，并对附着力的测试结果进行数据拟合，进而得到户外涂层失效的使用寿命时间。
2.根据权利要求1所述的评估方法，其特征在于，涂层在户外紫外老化中的紫外光辐照当量的计算包括如下步骤：
查询目标地区某年1～12个月的每个月紫外光辐照量UVi，其中i＝1,2,3，……,12；
在紫外老化箱中进行紫外加速老化，查询紫外老化箱的紫外光的辐照功率P，通过公式(1)来计算每个月等效紫外加速老化时间tUVi，故每个月的紫外光辐照当量为(P,tUVi)，其中i＝1,2,3，……,12；
Figure FDA0003527897350000011
3.根据权利要求1所述的评估方法，其特征在于，涂层在湿热加速老化中的温湿度老化当量的计算包括如下步骤：
按照公式(2)来计算湿热加速老化的老化作用时间：
Figure FDA0003527897350000012
式中：K为时间加速系数；t1和t2分别为实验室湿热老化和自然老化时间，T1和T2是湿热老化和自然老化的温度，
Figure FDA0003527897350000013
和
Figure FDA0003527897350000014
分别是湿热老化与自然老化的湿度，C为等效加速老化系数；
查询目标地区某年1～12个月的平均温度Ti和平均湿度
Figure FDA0003527897350000015
其中i＝1,2,3，……,12；
按照公式(2)计算每个月对应目标温度和目标相对湿度的温湿度下当量等效后加速老化所需要的时间ti，故每个月的温湿度老化当量为
Figure FDA0003527897350000016
其中i＝1,2,3，……,12；t设定和
Figure FDA0003527897350000017
分别为根据涂层的使用温度而设定的环境温度和相对湿度。
4.根据权利要求1所述的评估方法，其特征在于，等效加速老化系数C的确定包括如下步骤：
初步拟定Cj；
确定需要开展湿热老化试验的时间，并查询目标地区过去三年试验时间段的平均温度Tt和平均湿度
Figure FDA0003527897350000021
根据公式(2)计算湿热老化当量时间tt，并根据涂层设计最高使用温度和湿度以及湿热老化当量时间tt得到湿热加速老化程序；
根据湿热老化程序进行湿热老化试验，并同步进行室内自然老化试验；
在试验结束后，对户外涂层进行附着力测试，根据测试结果同步修正等效加速老化系数Cj，并重新进行加速老化试验；
当实际加速老化试验结果与自然老化结果相当时所得到的Cj即为该户外涂层最佳等效加速老化系数C。
5.根据权利要求1所述的评估方法，其特征在于，附着力随时间的变化规律如公式(3)所示，
S＝S0-ωln(1+θt) (3)
式中：S为老化t时间后的附着力，S0为初始附着力，ω表述涂层抗老化能力参数，θ为环境老化侵蚀系数。
6.根据权利要求5所述的评估方法，其特征在于，对经过每个循环周期老化后的涂层附着力测试结果进行数据拟合，并根据公式(3)得到涂层的抗老化能力参数ω和环境老化侵蚀系数θ。
7.根据权利要求6所述的评估方法，其特征在于，户外涂层失效的使用寿命时间为根据涂层附着力的拟合得到的拟合方程和涂层失效的技术要求中所规定最低附着力的值Ff，计算户外涂层所失效的使用寿命时间Tf。
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