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汽车用高分子材料的老化测试技术

节能、提高质量和功能、节约用材、简化工艺越来越成为汽车制造行业关注的焦点,汽车塑料化已成为解决上述问题的重要技术途径之一,且成为发展的大趋势。塑料件由普通的装饰件和软垫逐步向结构件和功能件转变,如塑料保险杠、仪表板、燃油箱等。越来越多的高分子材料在汽车生产制造中发挥着重要作用,高分子材料的老化测试技术也相应地倍受重视。

1.基本老化因素

汽车用高分子材料老化降解的三个主要气候因素为:日光辐射、水(湿度)和温度。其中不仅有数量的问题,各参数的质量也是一个很重要的因素。不同波长的日光对高分子材料会造成不同程度的破坏,因为特定的高分子材料只吸收特定波长的光;材料与水的接触也分为不同的形式和阶段,这些不同将会导致不同的降解过程;温度的冷热循环会产生机械应力,特别是对于复合材料,与长期高温作用相比,会产生更多类型的降解。而在实际应用中,温度、湿度和辐射三者的作用是不可分割的,它们的协同作用更增加了研究材料老化的难度。除此之外,当然还有很多其他因素,诸如风沙、飘尘等。

2.自然老化测试

2.1整车暴晒试验

整车暴晒是模拟汽车最终使用环境条件的最佳方式。在整车暴晒过程中,所有的材料和零部件的分布跟使用情况保持一致,在老化过程中相互作用,老化速度和类型最接近于实际情况,加速度最小。因此,试验结果与实际使用状况的吻合程度最高。整车进行暴晒试验时,客户可以根据自己的试验目的,对整车的工作状态、车顶篷开启状态、车窗开启状态做出要求,一般使挡风玻璃面向赤道,并且根据季节的不同调整暴晒角度。暴晒的过程中,车的内饰件可能会产生一些挥发物、渗出物等附着在挡风玻璃或其他部件上,因此,需要定时清洗。暴晒周期一般不少于两年,暴晒后要对材料产生的缺陷如颜色变化、光泽降低、分层、翘曲、渗出物等进行检查评价。目前常用的整车暴晒标准有ASTM G7、ISO 877,另外FORD、VW等各大汽车制造商都有自己的整车暴晒试验标准。

2.2材料及零部件暴晒

汽车用材料及零部件暴晒是最为广泛的汽车材料试验方法,最常用就是直接静态暴露,如塑料样板、仪表板、保险杠等部件。暴晒的方式又可以分为有背板、无背板、黑箱暴晒等。有背板暴晒由于限制了样品背面的空气流通而使样品的温度较高;暴晒的角度通常为5°、45°和90°等。暴晒角度的选择通常是模拟材料或者零部件在车身实际的安装使用位置,如门板经常采用90°暴晒,而仪表板则采用5°暴晒。为了加速暴晒试验,还开发了跟踪太阳的暴晒,这样就确保样品在一天之内最大限度的接受太阳辐射而进行加速。材料及零部件的暴晒是必要的,但有时却是不够充分的,因为现在的汽车零部件往往由多种材料复合构成,不同的材料具有不同的老化性能,这就需要将整个部件一起进行测试。例如车头灯组件,是由塑料件、涂层、光学元件等构成的复合件,通常我们把它作为一个整体试验,而不是分别对材料进行试验。零部件直接暴晒最常用的标准有SAE J1976、SAE J576等,FORD、GM也都有相应的标准。

对于内饰材料和部件需要考虑的另外一个因素是汽车的玻璃系统。汽车内饰件包括车顶装饰、内部装饰、仪表板等制件,座椅及内饰面用PVC,仪表板小零件用ABS,车厢内饰和方向盘用PP,座椅及内衬用PU等材料和部件不再直接暴露于阳光下,而是透过了玻璃的阳光。由于不同玻璃对太阳光的传导截止点以及对光线的透过率不同,车内的光谱能量分布也会不同,随着汽车玻璃面积的不断的增加,汽车玻璃对汽车内饰件的老化影响越来越突出。如前所述,不同的光谱能量分布会引起汽车内饰材料不同方式和程度的破坏,因此在试验中必须考虑汽车的玻璃系统。图2展示了不同类型的玻璃对紫外线的透射率

3人工加速老化

鉴于玻璃对自然光的过滤作用,对于内饰材料和零部件最科学的方法是采用玻璃下暴晒。其中有控温控湿玻璃箱暴晒,该方法主要用于确定汽车内饰材料的老化性能,通过采用不同的覆盖玻璃来模拟各种不同的车用玻璃,并通过一个双轴跟踪系统使样品最大量的接收太阳辐射以加速暴晒。箱内温度白天维持在70℃,夜间温度为38℃,相对湿度维持在75%,常用试验标准有SAE J2230、AATCC 181等。

3人工加速老化

3.1氙灯老化

由于氙灯的光谱能量分布比其他人工光源更接近于太阳光,因此成为人工加速试验的主要光源。另外氙灯的光谱能量分布还可以通过不同的滤镜组合来进行调整,以满足不同的试验要求,常用的滤镜组合有石英-硼硅酸盐滤镜组合、紫外线吸收涂层-钠钙玻璃滤镜组合等。目前,氙灯老化试验已成为最为广泛有效的人工加速光老化试验方法,最常用的设备是美国Q-LAB公司研发的Q-SUN氙灯老化试验箱,其中的氙弧灯管提供了最真实的全光谱太阳光,能量控点一般为340nm或者是420nm。 试验机可以同时控制黑板温度和箱内空气温度,其中Xe-3系列试验箱中还设有可选的喷淋和双喷,提供了一个潮湿模拟环境。氙灯暴露的试验周期主要取决于汽车制造商对于材料的质量要求。对于内饰件最常用的试验标准为SAE J2412《使用可控辐照度的氙灯装置对汽车内饰件进行加速曝晒》,而外饰件常用的标准为SAE J2527《使用可控辐照度的氙灯装置对汽车外饰件进行加速曝晒》。各大汽车制造商也都有自己的试验规范和要求.

Q-lab氙灯老化试验箱

Q-lab氙灯老化试验箱

3.2金属卤素灯

目前,比较大型的老化测试设备一般是以金属卤素灯为光源的大型测试单元,可以进行整车以及大型建筑的人工加速试验。金属卤素灯的光谱能量分布跟太阳光谱分布非常相似,特别是在红外线区域,其紫外线的截止点为280nm,其试验标准有DIN 75 220。

3.3碳弧灯

碳弧灯由于其光谱能量分布不如氙灯接近于自然光,且灯管滤镜需要定时清洗、更换等缺点,已经逐渐地被冷落淘汰,在日本的一些标准以及一些纺织品老化标准中还有应用,常用的标准包括汽车零部件老化测试标准JIS D0205,建材老化测试标准JIS A1415,日产公司的E_M0135-2008 仍然在采用碳弧灯试验方法。

汽车作为全天候使用产品,需要考虑的环境因素很多,除了以上试验方法外,常用的还有荧光紫外老化试验,高、低温老化试验,腐蚀试验等试验方法。汽车材料的耐久性是影响其使用满意程度的极其重要的因素。汽车材料的劣化,如仪表盘提前破损、增塑剂迁移、保险杠失光、变色等都会使顾客对汽车总体质量评价产生负面影响。因此,各大汽车公司都有比较严格的试验标准,而且同时要求人工试验和自然暴晒试验。

随着汽车工业的发展,汽车用高分子材料不断的增加,更多的零部件逐渐发展成为聚合物、涂层、合成染料、织物、无纺布纤维、玻璃、皮革以及颜料等多种材料的复合体,而每种材料都有自己特定的色牢度以及老化方式和性能,这就促使人们不断地研究开发更科学更有效的老化测试技术。各大汽车制造商也都在各种气候条件下进行了几十年的自然老化和人工老化试验,不断地改进和完善老化试验方法和技术。