Đánh giá độ bền của lớp phủ và sơn bằng buồng thử nghiệm lão hóa tăng tốc tia cực tím.

Tóm tắt

Khi các lớp phủ và sơn tiếp xúc với môi trường ngoài trời trong thời gian dài, chúng liên tục chịu tác động của bức xạ tia cực tím mặt trời, mưa, sự thấm sương và sự thay đổi nhiệt độ, dẫn đến dần dần các hư hỏng do lão hóa như mất độ bóng, đổi màu, phấn hóa, nứt và bong tróc. Mặc dù các thử nghiệm tiếp xúc ngoài trời tự nhiên cho kết quả gần với điều kiện sử dụng thực tế, nhưng chu kỳ thử nghiệm đầy đủ thường kéo dài vài năm và không đáp ứng được yêu cầu về hiệu quả của việc phát triển công thức lớp phủ, cải tiến sản phẩm và kiểm tra tuân thủ. Buồng thử nghiệm lão hóa tăng tốc bằng tia cực tím là thiết bị quan trọng để thử nghiệm lão hóa tăng tốc mô phỏng nhân tạo. Nguyên tắc thử nghiệm của nó dựa trên sự lão hóa tăng tốc môi trường mô phỏng: đèn UV mô phỏng bức xạ ánh sáng mặt trời, hơi ẩm ngưng tụ mô phỏng mưa và sương. Vật liệu được đặt trong các chương trình tuần hoàn luân phiên giữa tiếp xúc với ánh sáng và độ ẩm, và trải qua quá trình lão hóa tăng tốc ở nhiệt độ xác định để nhanh chóng thu được dữ liệu về khả năng chống chịu thời tiết. Tập trung vào... LISUN UV-263LS Bài báo này mô tả nguyên lý hoạt động và cấu tạo phần cứng của buồng thử nghiệm lão hóa tăng tốc bằng tia cực tím (UV Accelerated Weathering Test Chamber). Kết hợp với các tiêu chuẩn liên quan trong ngành công nghiệp sơn phủ, bài báo giới thiệu quy trình thử nghiệm hoàn chỉnh bao gồm chuẩn bị mẫu, lập trình chu kỳ và đánh giá hiệu suất sau lão hóa, đồng thời phân tích ứng dụng thực tiễn của thiết bị này trong các loại sơn phủ khác nhau như sơn kiến ​​trúc ngoại thất, sơn phủ gỗ và sơn phủ hoàn thiện ô tô. Bài báo cung cấp tài liệu tham khảo cho các phòng thí nghiệm nghiên cứu và phát triển sơn phủ và các tổ chức kiểm định chất lượng để đánh giá độ bền chịu thời tiết. 

Giới thiệu

Là vật liệu bảo vệ bề mặt và trang trí, lớp phủ và sơn được sử dụng rộng rãi trong tường ngoài của các công trình xây dựng, các sản phẩm gỗ ngoài trời, các bộ phận ngoại thất ô tô, chống ăn mòn kết cấu thép và các lĩnh vực khác. Độ bền chịu thời tiết của lớp phủ quyết định trực tiếp đến tuổi thọ và vẻ ngoài của sản phẩm. Tia cực tím trong ánh sáng mặt trời tự nhiên là nguyên nhân chính gây ra sự xuống cấp của các lớp phủ hữu cơ. Các photon UV phá vỡ chuỗi phân tử của nhựa polymer và kích hoạt các phản ứng quang oxy hóa. Đồng thời, sự ngưng tụ sương và sự thấm nước mưa do sự thay đổi ngày đêm gây ra hiện tượng thủy phân ở độ ẩm cao, và nhiệt độ cao càng làm tăng tốc độ phản ứng quang hóa. Nhiều yếu tố cùng tác động để dần dần làm xuống cấp màng phủ. Các thử nghiệm phơi nhiễm ngoài trời truyền thống yêu cầu các tấm thử nghiệm được đặt ở các địa điểm thử nghiệm ngoài trời. Phải mất hàng tháng hoặc thậm chí hàng năm để quan sát các hiện tượng lão hóa rõ rệt, vì vậy rất khó để nhanh chóng so sánh sự khác biệt về khả năng chống chịu thời tiết giữa các chất phụ gia và hệ thống nhựa khác nhau trong giai đoạn sàng lọc công thức.

Công nghệ lão hóa tăng tốc nhân tạo có thể tái tạo các tác nhân gây hại chính ngoài trời trong phòng thí nghiệm và rút ngắn chu kỳ thử nghiệm. Trong số các thiết bị như vậy, buồng thử nghiệm lão hóa tăng tốc tia cực tím chủ yếu mô phỏng ba yếu tố môi trường chính: bức xạ tia cực tím, ngưng tụ, độ ẩm cao và biến đổi nhiệt độ. So với buồng lão hóa hồ quang xenon, nó tập trung hơn vào các hiệu ứng phân hủy quang học trong dải tia cực tím và rất phù hợp để đánh giá các hiện tượng lão hóa như phấn hóa, mất độ bóng và nứt nẻ của lớp phủ hữu cơ. LISUN UV-263LS Buồng thử nghiệm lão hóa tăng tốc bằng tia cực tím Đây là thiết bị thử nghiệm lão hóa bằng tia cực tím huỳnh quang. Nó có thể được lập trình để thực hiện các chu kỳ luân phiên của ánh sáng tia cực tím, ngưng tụ và phun nước nhằm hoàn thành các thử nghiệm lão hóa tăng tốc trong điều kiện nhiệt độ được kiểm soát. Trong vòng vài tuần, nó có thể mô phỏng sự hư hại do lão hóa lớp phủ xảy ra ngoài trời trong nhiều tháng hoặc thậm chí nhiều năm. Buồng thử nghiệm lão hóa tăng tốc bằng tia cực tím có thể thực hiện các tiêu chuẩn lão hóa lớp phủ trong nước và quốc tế, bao gồm GB/T 23987-2009, GB/T 16422.3-2022, ASTM G154 và ISO 11507, thích ứng với nhiều kịch bản khác nhau như so sánh nghiên cứu và phát triển công thức, kiểm tra chất lượng đầu vào và thử nghiệm chứng nhận sản phẩm.

UV-263LSBuồng thử nghiệm lão hóa tia cực tím

Nguyên lý lão hóa tăng tốc của buồng thử nghiệm lão hóa tăng tốc bằng tia cực tím

Nguyên lý thử nghiệm của Buồng Thử Nghiệm Lão Hóa Tăng Tốc Bằng Tia UV dựa trên sự lão hóa tăng tốc mô phỏng môi trường: đèn UV mô phỏng bức xạ ánh sáng mặt trời, hơi ẩm ngưng tụ mô phỏng mưa và sương. Vật liệu được đặt trong các chương trình tuần hoàn luân phiên giữa tiếp xúc với ánh sáng và độ ẩm, và trải qua quá trình lão hóa tăng tốc ở nhiệt độ xác định để nhanh chóng thu được dữ liệu về khả năng chống chịu thời tiết. Toàn bộ quá trình lão hóa được điều phối bởi ba mô-đun: chiếu xạ tia UV, làm ẩm bằng ngưng tụ và kiểm soát nhiệt độ. Mô-đun chiếu xạ tia UV sử dụng đèn huỳnh quang UV để phát ra tia cực tím có dải sóng cụ thể. Đèn UVA-340 có phổ phù hợp với vùng tia cực tím của ánh sáng mặt trời ngoài trời và thích hợp cho mô phỏng lão hóa thông thường; đèn UVB-313 sóng ngắn cung cấp năng lượng bức xạ cao hơn cho các thử nghiệm sàng lọc tăng tốc cường độ cao. Các photon tia UV bắn phá các polyme bên trong màng phủ, phá vỡ các liên kết hóa học của nhựa, tạo ra các gốc tự do và khởi phát quá trình phân hủy quang oxy hóa, dẫn đến các thay đổi bề mặt như giảm độ bóng và thay đổi màu sắc.

Mô-đun ngưng tụ tạo ra hơi nước bằng cách làm nóng bể chứa nước ở đáy buồng. Sau khi chênh lệch nhiệt độ hình thành bên trong buồng, hơi nước ngưng tụ thành màng nước lỏng trên bề mặt mẫu đã được làm mát để mô phỏng sương sớm. Một số mẫu được trang bị hệ thống phun nước để mô phỏng sự rửa trôi của mưa ngoài trời. Độ ẩm từ sương và mưa thấm vào các lỗ nhỏ li ti của lớp phủ và đẩy nhanh quá trình thủy phân, làm trầm trọng thêm hư hại do lão hóa gây ra bởi tia UV, một yếu tố môi trường không thể bỏ qua đối với sự hư hỏng của lớp phủ ngoài trời. Tất cả các quy trình thử nghiệm được thực hiện trong phạm vi nhiệt độ được kiểm soát. Nhiệt độ tương ứng được thiết lập cho giai đoạn chiếu sáng và giai đoạn ngưng tụ để mô phỏng các đặc điểm môi trường của sự tiếp xúc với ánh nắng mặt trời mùa hè và sự chênh lệch nhiệt độ ngày đêm. Buồng thử nghiệm lão hóa tăng tốc bằng tia UV chạy các chương trình chu kỳ được viết theo tiêu chuẩn. Các mẫu luân phiên trải qua các giai đoạn chiếu xạ tia UV và ngưng tụ độ ẩm cao trong các chu kỳ lặp lại, nén hư hại do lão hóa tích lũy trong thời gian dài trong môi trường tự nhiên thành các chu kỳ thử nghiệm ngắn trong phòng thí nghiệm. Cần lưu ý rằng buồng thử nghiệm lão hóa tăng tốc bằng tia cực tím chủ yếu mô phỏng tác động kết hợp của tia cực tím và độ ẩm, và không thể hoàn toàn tái tạo các yếu tố đặc thù ngoài trời như ô nhiễm không khí, xói mòn do cát và tác động sinh học. Kết quả thử nghiệm chủ yếu được sử dụng để so sánh hiệu suất tương đối giữa các mẫu.

Cấu trúc phần cứng và các thông số kỹ thuật của UV-263LS Buồng thử nghiệm lão hóa tăng tốc bằng tia cực tím

LISUN UV-263LS Buồng thử nghiệm lão hóa tăng tốc bằng tia cực tím (UV) sử dụng cấu trúc buồng bên trong hình vuông. Vỏ ngoài được làm bằng thép tấm cán nguội chất lượng cao, được xử lý bằng phương pháp phun tĩnh điện. Khoang bên trong có khả năng chống ăn mòn và dễ dàng vệ sinh. Thiết bị được trang bị 8 đèn huỳnh quang UV UVA-340 40W. Cường độ chiếu xạ có thể được điều chỉnh liên tục từ 0.35 đến 1.2 W/㎡. Một bộ phận giám sát cường độ chiếu xạ được trang bị để theo dõi cường độ tia UV đầu ra theo thời gian thực và bù trừ sự suy giảm ánh sáng của đèn theo thời gian hoạt động. Hệ thống điều khiển nhiệt độ quản lý nhiệt độ tấm đen của buồng trong phạm vi nhiệt độ môi trường từ +10℃ đến 70℃. Quá trình ngưng tụ được thực hiện bằng cách làm nóng bể chứa nước để tạo ra hơi nước, và độ ẩm tương đối bên trong buồng có thể đạt trên 75%RH. Thiết bị được trang bị bộ điều khiển tinh thể lỏng lập trình được, cho phép chỉnh sửa tự do thời gian chiếu sáng, thời gian ngưng tụ, thời gian phun và tổng số chu kỳ. Thời gian thử nghiệm có thể được thiết lập từ 0 đến 999 giờ, và dữ liệu hoạt động đầy đủ có thể được ghi lại. Giá đỡ mẫu phù hợp với các tấm thử nghiệm lớp phủ tiêu chuẩn và có thể giữ nhiều nhóm mẫu cùng lúc, đảm bảo khoảng cách ổn định giữa các mẫu và đèn để mỗi tấm thử nghiệm nhận được bức xạ UV nhất quán và giảm thiểu sai số phân tán trong quá trình thử nghiệm. Bảng dưới đây liệt kê các thông số kỹ thuật chính của các mẫu chính trong ngành. LISUN Buồng thử nghiệm lão hóa tăng tốc tia UV dòng UV-263.

Các điểm thực hiện thử nghiệm lão hóa lớp phủ và sơn bằng buồng thử nghiệm lão hóa gia tốc tia cực tím.

Trước khi tiến hành thử nghiệm độ bền chịu thời tiết của lớp phủ và sơn bằng buồng thử nghiệm lão hóa tăng tốc tia cực tím, các tấm thử nghiệm phải được chuẩn bị theo các tiêu chuẩn tương ứng. Chất nền phù hợp được lựa chọn dựa trên loại lớp phủ: tấm xi măng thường được sử dụng cho sơn kiến ​​trúc ngoại thất, chất nền gỗ tương ứng cho sơn phủ gỗ, và tấm thép cán nguội cho lớp phủ công nghiệp. Việc phun hoặc quét được thực hiện nghiêm ngặt theo thông số kỹ thuật của sản phẩm sơn phủ, độ dày màng khô được kiểm soát và quá trình đóng rắn hoàn toàn được thực hiện trong môi trường tiêu chuẩn để đảm bảo màng sơn cứng hoàn toàn. Nhiều tấm song song được chuẩn bị cho mỗi nhóm thử nghiệm. Một số tấm được sử dụng để lấy mẫu và phát hiện theo các khoảng thời gian nhất định, trong khi các tấm tham chiếu gốc chưa bị lão hóa được giữ lại để so sánh độ bóng và sự khác biệt màu sắc sau khi lão hóa. Bề mặt tấm phải luôn sạch sẽ, không có vết dầu mỡ và dấu vân tay để tránh gây thêm các yếu tố nhiễu.

Các tấm thử đã chuẩn bị được gắn gọn gàng trên giá đỡ mẫu của Buồng Thử Nghiệm Lão Hóa Tăng Tốc Tia UV, với mặt hướng về phía đèn. Phải chừa khoảng trống giữa các tấm và không được phép chồng chéo lớp chắn. Chương trình thử nghiệm được thiết lập theo tiêu chuẩn đã chọn. Lấy tiêu chuẩn GB/T 23987-2009 Sơn và vecni — Thử nghiệm lão hóa nhân tạo lớp phủ — Tiếp xúc với đèn huỳnh quang UV và nước làm ví dụ, thiết lập nhiệt độ và thời gian cho giai đoạn chiếu xạ UV, nhiệt độ và thời gian ngưng tụ cho giai đoạn ngưng tụ, xác định chu kỳ hoàn chỉnh và tổng số giờ thử nghiệm. Khởi động thiết bị. Buồng Thử Nghiệm Lão Hóa Tăng Tốc Tia UV tự động luân phiên các quá trình chiếu xạ UV và ngưng tụ. Trong quá trình hoạt động, thường xuyên kiểm tra các thông số cường độ chiếu xạ và nhiệt độ và theo dõi mực nước trong bể chứa nước để đảm bảo cung cấp đủ nước cho quá trình ngưng tụ. Tại các thời điểm được chỉ định trong kế hoạch thử nghiệm, lấy các tấm tương ứng ra, để chúng ổn định trong điều kiện môi trường tiêu chuẩn, sau đó kiểm tra tỷ lệ giữ độ bóng của lớp phủ, độ chênh lệch màu ΔE, mức độ phấn hóa, mức độ nứt, độ bám dính và các chỉ số khác. Ghi lại tất cả dữ liệu và so sánh với các tấm tham chiếu ban đầu để đánh giá mức độ lão hóa của lớp phủ.

Ngoài các lớp phủ kiến ​​trúc, buồng thử nghiệm lão hóa tăng tốc bằng tia cực tím còn có thể áp dụng cho nhiều hệ thống lớp phủ hữu cơ như sơn gỗ, lớp phủ nhựa và lớp phủ chống ăn mòn. Trong giai đoạn nghiên cứu và phát triển, buồng thử nghiệm lão hóa tăng tốc bằng tia cực tím có thể nhanh chóng so sánh sự khác biệt về khả năng chống chịu thời tiết giữa các chất phụ gia chống tia cực tím và công thức nhựa khác nhau để sàng lọc các công thức có hiệu suất tốt hơn. Trong kiểm tra chất lượng, nó xác minh xem các lớp phủ thành phẩm có đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật hay không. Cần làm rõ rằng các kết quả thu được từ buồng thử nghiệm lão hóa tăng tốc bằng tia cực tím là các giá trị khả năng chống chịu thời tiết tương đối. Nếu cần xác định tuổi thọ thực tế của vật liệu ngoài trời, cần kết hợp hiệu chuẩn tương quan với các thử nghiệm phơi nhiễm tự nhiên.

Các điểm kiểm soát chất lượng bảo trì và thử nghiệm thiết bị

Việc bảo trì buồng thử nghiệm lão hóa tăng tốc bằng tia cực tím ảnh hưởng trực tiếp đến độ tin cậy của dữ liệu thử nghiệm lão hóa lớp phủ. Đèn UV huỳnh quang bị suy giảm độ sáng theo thời gian hoạt động. Cường độ chiếu xạ phải được theo dõi thường xuyên. Khi lượng tia UV phát ra không đáp ứng yêu cầu tiêu chuẩn, đèn phải được thay thế kịp thời; tình trạng chiếu sáng đơn giản của đèn không thể được sử dụng để đánh giá khả năng hoạt động. Bể chứa nước ngưng tụ cần được thay nước và vệ sinh thường xuyên để ngăn ngừa sự tích tụ cặn vôi và vi sinh vật, tránh ô nhiễm hơi nước vào mẫu. Vệ sinh buồng chứa mẫu sau mỗi lần thử nghiệm để loại bỏ các mảnh vụn lớp phủ rơi vãi. Giữ môi trường hoạt động của thiết bị thông thoáng với nhiệt độ môi trường được kiểm soát ở mức 5-35℃ để đảm bảo hoạt động ổn định của hệ thống điều khiển nhiệt độ. Người thử nghiệm phải ghi chép đầy đủ thời gian thay đèn, hồ sơ hiệu chuẩn cường độ chiếu xạ, chương trình hoạt động của thiết bị và dữ liệu phát hiện mẫu ở tất cả các giai đoạn để tạo thành hồ sơ thử nghiệm hoàn chỉnh đáp ứng yêu cầu truy xuất nguồn gốc của báo cáo thử nghiệm. Không được tự ý thay đổi các thông số chu kỳ tiêu chuẩn. Thay đổi nhiệt độ ánh sáng, nhiệt độ ngưng tụ và thời gian của mỗi phân đoạn sẽ trực tiếp làm thay đổi ứng suất lão hóa và làm cho kết quả thử nghiệm không thể so sánh được.

Kết luận

Độ bền chịu thời tiết của lớp phủ và sơn là một chỉ số quan trọng để đánh giá chất lượng các sản phẩm sơn phủ ngoài trời. Các thử nghiệm phơi nhiễm tự nhiên truyền thống có chu kỳ dài và khó có thể đáp ứng được nhịp độ nghiên cứu và phát triển nhanh chóng của các sản phẩm sơn phủ hiện đại. Buồng thử nghiệm lão hóa tăng tốc bằng tia cực tím sử dụng đèn UV để mô phỏng bức xạ ánh sáng mặt trời và hơi ẩm ngưng tụ để mô phỏng sương và mưa, giúp tăng tốc quá trình lão hóa theo các chu trình có thể lập trình. Nó có thể so sánh sự khác biệt về khả năng chống chịu thời tiết của các lớp phủ khác nhau trong một thời gian ngắn. LISUN UV-263LS Buồng thử nghiệm lão hóa tăng tốc bằng tia cực tím Thiết bị có tính năng điều chỉnh cường độ chiếu xạ và kiểm soát nhiệt độ & độ ẩm ổn định. Nó tương thích với nhiều tiêu chuẩn thử nghiệm lão hóa lớp phủ trong nước và quốc tế, có thể hoàn thành đánh giá lão hóa tăng tốc cho sơn kiến ​​trúc ngoại thất, sơn phủ gỗ, sơn phủ công nghiệp và nhiều loại sơn và lớp phủ khác, hỗ trợ thử nghiệm trong phát triển công thức, kiểm tra chất lượng sản phẩm và kiểm tra tuân thủ. Trong công việc thử nghiệm thực tế, người thử nghiệm cần chuẩn hóa việc chuẩn bị tấm mẫu, tuân thủ nghiêm ngặt các tiêu chuẩn để thiết lập chu kỳ thử nghiệm, thực hiện hiệu chuẩn và bảo trì thiết bị thường xuyên, hiểu đầy đủ giới hạn khả năng của buồng thử nghiệm lão hóa tăng tốc bằng tia cực tím và đối chiếu dữ liệu lão hóa tăng tốc với kết quả tiếp xúc tự nhiên, để đánh giá một cách khoa học và khách quan độ bền lão hóa của lớp phủ và sơn.