摘要

通过各种实验室测试方法评估了各种低溶剂的钢结构桥梁涂层系统，并将结果与在新泽西州海岛市曝光的重复系统的结果进行了比较。本研究选用的每种涂层系统中的挥发性有机化合物(VOCs)含量均低于340 g/L。当与室外暴露相比，比起单独的盐雾试验和Prohesion试验，冻结、紫外线凝结和盐雾/干燥污染物（Prohesion）的综合测试更有希望产生性能趋势。通过统计分析研究了方法的相关性。

低VOC溶剂型富锌聚氨酯/聚氨酯/聚氨酯涂料体系表现出优越的性能。环氧胶粘剂系统和环氧聚氨酯胶粘剂系统在划线处形成严重的底切。水性丙烯酸和水性丙烯酸环氧体系不能有效地保护钢，它们在划线处很快起泡。在所有实验室测试中，水性乙烯树脂在面板表面起泡严重，但在户外暴露28个月后表现相当好。

简介

美国环境保护署(U . s . environmental Protection Agency)正在对建筑和工业维护涂料中允许的挥发性有机化合物(VOCs)的含量进行严格限制。挥发性有机化合物含量的法规制定目前正处于最后阶段，即将公布的法规将在1996、2000和2004年逐步强制大幅减少挥发性有机化合物的含量。

为了确保新配方涂料的成本效益并满足较短的期限，预测桥梁涂料用低VOC涂料系统的现场性能和耐久性的可靠加速实验室试验方法是必不可少的。盐雾试验，如ASTM(美国试验和测试协会)中所述。材料)方法。Bl17不能准确预测许多新的通用低VOC系统的现场性能。在传统的湿盐雾试验(由Timmins、ewood、Lyon和Guest以及Jackson进行)中包括干循环，避免了不切实际的失败。当干循环、污染物和紫外线(UV)/冷凝(QUV)暴露被纳入盐雾循环时，Simpson等人获得了与现场暴露“更好”的相关性。Chong和Peart在盐雾暴露中增加了一个冷凝循环，该循环试验与紫外线/冷凝试验相结合，产生了类似于钢桥15个涂层系统室外风化所获得的性能等级。冰冻是寒冷气候中天气循环的一个重要部分；涂层在冰点温度下吸收的水的体积膨胀导致在涂层系统上产生显著的机械应力。感兴趣的是确定在组合的湿/干/QUV方案中增加一个冷凝周期对其预测现场性能的能力的影响。为了解决这个问题，采用了冷凝、QUV和盐加污染物雾/干的组合循环(Prohesion test)来评估钢桥的许多高固体和水基涂层系统。将结果与仅通过盐雾和粘附暴露获得的结果进行了比较。这些涂层系统在海洋环境现场15个月和28个月的室外暴露结果被用于确定哪种加速实验室方法对预测涂层最可靠 钢桥的性能。采用统计技术来比较测试方法。

该研究中开发的涂料性能数据将用于为保护钢桥选择耐用的低VOC涂料提供指导。

实验程序

涂层系统

表1描述了测试的13种涂层系统。本研究中评估的涂层系统为丙烯酸、丙烯酸环氧树脂、无机硅酸锌钾、乙烯基和富锌环氧树脂的水基系统，以及磺酸钙/醇酸树脂、高固体环氧树脂、富锌聚氨酯、环氧树脂胶泥、环氧聚氨酯胶泥和低挥发性有机化合物环氧树脂的溶剂型系统。所有测试的涂层系统中，VoC含量均低于340克/升。所有涂料均涂覆在SSPC SP-5(喷白)钢板上。在测试板的表面划一条对角线为5.1厘米(2英寸)的划痕，以研究划痕处的起泡和锈蚀蠕变。

实验室和户外测试

三次加速实验室暴露用于评估候选涂层系统。这些测试如下:

a.盐雾

美国测试与材料协会（ASTM B117）

b.Prohesion-1小时湿循环/1小时干循环

湿循环:0.35%硫酸铵和0.05%氯化钠的哈里森混合物。收集的冷凝液的pH值为5.9。

干循环:强制空气吹扫(6.8米/小时)

c.循环冷凝/QUV/Prohesion-70小时冷凝/215小时QUV/215小时 Prohesion循环。

冷凝温度:-23摄氏度(-10华氏度)

QUV:紫外线/冷凝测试

测试周期:4小时紫外线/4小时冷凝周期

紫外线灯管:UVA-340

紫外线温度:60℃

冷凝温度:40℃

Prohesion:与上述测试相同

一组面板也暴露在室外。所有的测试板以45度角放置在木架上，直接面向南方。每天用海水(pH 7.7，15.6℃时的比重=1.021)喷洒每个面板三次。

大多数盐雾试验板在划线处发生6.4毫米(0.25英寸)的蠕变后终止暴露(通过或失败分类的通用标准)。一些面板由于其特殊的故障模式而暴露了较长的时间，以获得额外的信息。所有涂层系统的Prohesion试验和循环冷凝/QUV/Prohesion试验进行了整整3000小时；这种长时间的暴露是必要的，因为这两种试验都包括干循环，与盐雾试验结果相比，干循环降低了故障率。在使用线性回归分析比较测试方法时，为后两次测试获得的额外数据点组非常有益。所有的测试都是一式两份进行，以确保统计的可靠性，给出的结果是两个小组数据的平均值。

评价方法

每500小时检查一次加速试验板，以记录它们的失效模式，并研究退化率。评价标准是划痕处起泡、生锈和蠕变。起泡程度通过ASTM D714方法进行评估。根据ASTM D1654方法对划线处的表面缺陷(未描述区域)和蠕变进行评级。为了提高精度，用6.4毫米(1/4英寸)的方格代替12.7毫米(1/2英寸)的方格来测量表面缺陷..以毫米为单位测量蠕变，精确度为0.5毫米。

结果和讨论

失败的结果

本研究调查了两种类型的涂层失效，平面表面失效和划线失效。

表2总结了飞机上的几个涂层系统出现平面故障。磺酸钙/醇酸树脂体系在所有情况下都出现了面漆分层..水性乙烯基体系在所有实验室试验中起泡严重，但在28个月的室外暴露后没有显示出任何飞机故障。水基无机硅酸锌钾/丙烯酸/丙烯酸体系在盐雾试验500小时后起泡严重；然而，锌底漆保持良好状态。两种环氧树脂胶粘剂系统在盐雾试验中出现了广泛的膜下腐蚀，这种情况在其他试验方案或28个月的海洋暴露中没有出现。

除了磺酸钙/醇酸树脂体系和几种含锌底漆的涂料体系外，所有的涂料体系在划线处都产生了蠕变或缩短。由不同曝光方法的各种涂层系统产生的蠕变绘制在图1中。这里描述了抄写员的一些显著变化。水性丙烯酸、溶剂型富锌聚氨酯/水性聚氨酯/水性聚氨酯、环氧树脂。聚氨酯胶泥和水性富锌环氧树脂/丙烯酸树脂/丙烯酸树脂在盐雾试验中表现出大范围的划痕蠕变。对于水性丙烯酸环氧树脂和基于溶剂的低VOC环氧树脂/丙烯酸改性的环氧树脂，在1000小时后，Prohesion试验产生严重的划痕失效。环氧树脂系统。总体而言，就爬行度而言，循环冷凝/QUV/Prohesion暴露似乎与室外暴露具有最接近的性能相关性。总的来说，与室外暴露的相似性按循环冰冻/QUV/盐雾的递减顺序排列。与循环冷凝/QUV/Prohesion和户外暴露结果相比，盐雾结果的线图(图1)显示了一个非常不同的模式。

业绩评级的比较

为候选涂层系统建立了总体性能的评级系统；它基于表面失效(未描述的区域)和划线爬行距离(ASTM D1654)的评级相加，得出“20”作为可能的较佳总体评级(在每个单独的评级系统中，“10”表示全面性能，“0”表示完全失效)，使用这种方法，所有实验室测试和15个月以及28个月室外暴露的评级结果如表3所示。未描述区域的评级包括飞机上的起泡和生锈，这是一种非常合理的方法，因为在大多数涂层系统上很少发现生锈。

试图计算所有十三个涂层系统在室外暴露和Prohesion试验或循环冷凝/QUV/Prohesion暴露之间的性能等级的相关性。最小二乘法的较佳拟合产生了表4所示的相关系数。0.55和0.62的相关系数清楚地表明，与其他加速试验方案相比，循环冷凝/QUV/Prohesion试验暴露更接近室外暴露。计算了除水性乙烯基体系之外的所有涂料体系的其他相关性，水性乙烯基体系在所有三个实验室试验中都表现出严重的起泡，但是在28个月的室外暴露后没有表现出表面失效。排除水性乙烯基系统(代码编号..12)线性回归分析显著提高了实验室测试结果和室外暴露结果之间的相关性。针对循环冷凝/QUV/Prohesion试验与15个月和28个月的室外暴露之间的关系获得的重新计算的相关系数(0.81和0.80)进一步证实，与单独进行Prohesion试验相比，该试验方案产生的失效结果更接近天然海洋暴露结果..具有最小溶剂含量(VOC =2/2/64 g/L)的三层水性乙烯基体系的性能在实验室测试和自然海洋暴露之间显示出很大的差异，这并不奇怪。这种具有高亲水性的水基涂层材料容易吸水，并且与自然环境中可能不太潮湿和较长的干燥周期相比，在加速测试器中建立的实验条件下，没有足够的时间让水扩散出去。

由于盐雾试验的提前终止，无法获得所有十三个涂层系统的盐雾试验和室外暴露之间的相关性。然而，我们尝试将八种涂层系统(代码2、4、5-9和11)的2000小时盐雾试验结果和28个月户外暴露结果联系起来。有完整的数据点；相关系数为0.20。这一极低的值强烈表明，使用盐雾试验结果预测油田性能是不合适的。

统计分析

进行了额外的统计分析，以研究本工作中采用的三种实验室测试方法的结果差异。划线处的蠕变量用于分析，因为就测量而言，它们比表面破损的百分比更准确。八个涂层系统(代码编号2、4-9和11)。产生了所有三种测试方法在500至2，000小时内的一组完整的划线蠕变结果。这些数据通过方差分析进行评估，如表5所示。该分析按照双向因子设计进行，其中一个因子是测试方法(3种方法),另一个因子是涂层类型(8种类型),对24种组合中的每一种进行8次测量。

统计结果显示，获得表5中报告的F比值的概率很低（0.09和0.06）；这表明，所有三个测试和涂层在10％的水平上都有统计学上的显著差异。换句话说，不同的实验室暴露方法会在划线处产生不同的爬行距离，不同的涂层系统也会产生不同的爬行距离。事实上，实际的差异比这里提出的要大得多，因为水性丙烯酸（代码3）和水性富锌环氧树脂/丙烯酸/丙烯酸（代码13）产生的极其严重的爬行，以及水性乙烯基系统的爬行没有包括在分析中，因为它们在盐雾试验中较早终止。

为了区分每种试验方法的失效程度，暴露时间为500、1000、1500和2000小时划线处的平均爬行距离如图2所示。盐雾试验和Prohesion试验的漏电程度在1500小时内是相似的；在1500小时以上，盐雾试验比Prohesion试验引起更大的漏电..自行车。在所有三种测试方法中，冷凝/QUV/Prohesion测试产生的划痕漏电量最少。方法和涂层系统的差异也可以从使用三种方法的划线爬行距离平均值图中看出(图3)。

摘要和结论

与盐雾试验和Prohesion试验相比，本研究中评估的循环冷凝/QUV/Prohesion加速试验产生了最接近28个月户外暴露结果的失效趋势。

统计分析显示了涂层系统之间和测试方法之间的巨大差异。

在13种涂料体系中，溶剂型富锌聚氨酯/聚氨酯/聚氨酯(VOC=336 g/L)表现较好。一般来说，三种富锌聚氨酯体系的性能非常相似，除了具有水性面漆的最低VOC涂料体系(VOC =24 g/L)在划线处显示出严重的面漆起泡而没有底切。

具有水基面漆的富锌底漆在划线处没有底切或生锈，但在面板表面显示面漆起泡。这些体系包括水性无机锌/丙烯酸/丙烯酸、水性富锌环氧/丙烯酸/丙烯酸和溶剂型富锌聚氨酯/水性聚氨酯/水性聚氨酯。总之，无论富锌底漆是溶剂型还是水基的，大多数测试的水基面漆都表现出起泡的趋势。结果证实，即使发生面漆起泡，富锌底漆也能保护钢不生锈和不咬边。

在所有三个实验室测试中，水性乙烯基系统在面板表面严重起泡，但在28个月的户外暴露后没有出现这种故障。

在所有三次实验室试验后，环氧树脂胶粘剂系统在划线处严重咬边。溶剂型高固体环氧树脂体系相当耐腐蚀，但容易受到紫外线攻击。溶剂型低挥发性有机化合物环氧树脂/丙烯酸改性环氧树脂体系表现最差，出现严重的底切。

水性丙烯酸体系和水性丙烯酸环氧体系都表现不佳，表现出严重的划痕蠕变。

磺酸钙/醇酸树脂体系没有形成底切，但经历了大范围的面漆分层。