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汽车外饰油漆氙灯试验与户外曝晒试验的相关性研究

1 汽车外饰油漆耐候老化测试方法

制定《汽车非金属部件及材料氙灯加速老化试验方法》和《汽车非金属部件及材料紫外加速老化试验方法》标准需要相关对比试验的支持,不仅要开展实验室加速老化试验,也应开展户外老化曝晒,因为户外自然曝晒是实验室加速老化试验的基础,可用于指导实验室加速老化试验。

1.1 户外曝晒试验

选择了两个典型曝晒场。一个是中国兵器工业第五九研究所的敦煌曝晒场,属典型的沙漠气候条件。该曝晒场位于东经94°41′、北纬40°09′,海拔高度1139.0 m;年辐射总量为6 425 MJ/m2、年均降雨量为39 mm,年均相对湿度38%、年平均气温为10.8 ℃,月平均最高气温为24.9 ℃(7月)。

另一个是海南热带汽车试验有限公司的琼海曝晒场,属典型的亚热带气候条件。该曝晒场位于东经110°28′、北纬19°15′,海拔高度20.0 m;年辐射总量为5 400 MJ/m2、年均降雨量为2 000 mm,年均相对湿度85%、年平均气温24.0℃ ,月平均最高气温为28.4 ℃(7月)。

不管是敦煌曝晒场还是琼海曝晒场,试验样品都是放在汽车外饰件户外曝晒箱(Black Box)中进行曝晒。敦煌曝晒场的Black Box曝晒角度为45°朝南,琼海曝晒场的Black Box曝晒角度为20°朝南。

1.2 实验室加速老化试验

针对汽车外饰油漆制定了多种氙灯老化试验方法,如表1所示。其中试验方法1和试验方法3是参考SAE J2527标准《使用可控辐照度的氙灯设备对汽车外饰件进行加速暴露测试的以性能为基础的标准》中的方法,试验方法2、试验方法4和试验方法5是参考一些主要汽车主机厂的试验方法。

表1 氙灯老化试验方法

试验方法

滤光器

辐照度

/W•m-2

波长

/nm

试验循环

试验方法1

日光滤光器

0.55±0.02

340

在黑板温度38 ℃±3 ℃、箱体空气温度38  ℃±3 ℃、相对湿度95%±5%的试验条件下,运行60 min黑暗循环,同时正面+背面水喷淋;

在黑板温度70 ℃±3 ℃、箱体空气温度47  ℃±3 ℃、相对湿度50%±5%的试验条件下,运行40 min光照循环;

在黑板温度70 ℃±3 ℃、箱体空气温度47  ℃±3 ℃、相对湿度50%±5%的试验条件下,运行20 min光照循环,同时正面水喷淋;

在黑板温度70 ℃±3 ℃、箱体空气温度47  ℃±3 ℃、相对湿度50%±5%的试验条件下,运行60 min光照循环

试验方法2

日光滤光器

0.65±0.02

340

在黑标温度90 ℃±2 ℃、箱体空气温度50  ℃±2 ℃、相对湿度20%±10%的试验条件下,运行光照循环

试验方法3

紫外延展滤光器

0.55±0.02

340

在黑板温度38 ℃±3 ℃、箱体空气温度38  ℃±3 ℃、相对湿度95%±5%的试验条件下,运行60 min黑暗循环,同时正面+背面水喷淋;

在黑板温度70 ℃±3 ℃、箱体空气温度47  ℃±3 ℃、相对湿度50%±5%的试验条件下,运行40 min光照循环;

在黑板温度70 ℃±3 ℃、箱体空气温度47  ℃±3 ℃、相对湿度50%±5%的试验条件下,运行20 min光照循环,同时正面水喷淋;

在黑板温度70 ℃±3 ℃、箱体空气温度47  ℃±3 ℃、相对湿度50%±5%的试验条件下,运行60 min光照循环

试验方法4

日光滤光器

0.52±0.02

340

在黑标温度65 ℃±2 ℃、箱体空气温度35  ~45℃、相对湿度60%~80%的试验条件下,运行102  min光照循环;

在黑标温度65 ℃±2 ℃、箱体空气温度35~45℃、相对湿度60%~80%的试验条件下,运行18  min光照+喷淋循环

试验方法5

日光滤光器

0.55±0.02

340

在黑板温度70 ℃±2 ℃、箱体空气温度50  ℃±2 ℃、相对湿度50%±5%的试验条件下,运行102 min光照循环;

运行18 min光照和正面水喷淋

1.3 试验样品

参与本次标准制定的单位一共提供了40种油漆样板,样品颜色有黑、白、红3种。其中黑色样板14种,白色和红色样板各13种。

2 汽车外饰油漆耐候老化测试结果及分析

2.1 户外曝晒结果

对测试样品进行评估时,会测量样品的光泽变化、颜色变化,观察样品是否粉化、起泡、开裂、氧化、脆化等。本文主要分析样品的光泽和颜色变化。

a.样品光泽变化的评定参照ASTM D523《镜面光泽试验方法》,用反射计以85°几何条件进行测定。

b.样品颜色变化的评定参照ASTM D2244《用仪器测定颜色坐标法计算颜色容差和色差的标准规范》,选用CIEL*a*b*色空间、D65光源、10°观察者、镜面反射包含条件进行测定。

在敦煌曝晒场和琼海曝晒场分别曝晒18个月,样板的失光率分布和颜色变化分布情况见图1和图2。

失光率分布

图1 样板户外曝晒18个月的失光率分布

由图1可见,参照GB/T 1766《色漆和清漆涂层老化的评级方法》,无论在哪个曝晒场,大部分样板属于轻微失光、很轻微失光,只有小部分样板属于明显失光和严重失光。

颜色变化分布

图2 样板户外曝晒18个月的颜色变化分布

由图2发现,参照GB/T 1766《色漆和清漆涂层老化的评级方法》,无论在哪个曝晒场,大部分样板属于轻微变色、很轻微变色,只有小部分样板属于明显变色和较大变色。

2.2 实验室加速老化测试结果

按表1的试验方法使用氙灯加速老化试验箱

1.2 实验室加速老化试验

对样板进行加速测试,测试时间为1 200 h,样板的失光率分布和颜色变化分布见图3和图4。

1 200 h氙灯试验的失光率分布

图3 样板经1 200 h氙灯试验的失光率分布

1200氙灯颜色变化分布

图4 样板经1 200 h氙灯试验的颜色变化分布

由图3和图4发现,样板经不同试验方法的失光快慢和颜色变化快慢不同。如试验方法1比试验方法3变化慢,因为试验方法1使用日光滤光器,试验方法3使用紫外延展滤光器。

2.3 实验室加速老化试验与户外曝晒试验之间的相关性

实验室加速老化试验与户外曝晒试验之间的相关性以及两个户外曝晒场之间的相关性研究参考了ASTM G169《环境试验基本统计方法应用指南》中的spearman排序方法。相关系数rs指的是利用两种不同的测试方法对一组样品进行测试,所得试验结果之间的相关性。rs的计算公式如下。

rs=1-6∑di2/[n(n2-1)]

式中,di为两列成对变量的等级差数,n为样品的个数。

将18个月户外曝晒试验数据按照样板的失光率和颜色变化△E*大小分别进行排序;将氙灯试验数据按照样板失光率达到50%和颜色变化△E*达到3.0的时间分别进行排序。表2是样板的光泽变化的相关系数,表3是样板的颜色变化的相关系数。

表2 氙灯试验与户外曝晒试验之间样板光泽变化的相关系数

试验方法

敦煌

琼海

试验方法1

0.76

0.88

试验方法2

0.77

0.81

试验方法3

0.48

0.59

试验方法4

0.49

0.43

试验方法5

0.59

0.91

琼海

0.71

 

从表2看出,对于样板的光泽变化而言,氙灯试验与琼海之间的相关性好于氙灯试验与敦煌之间的相关性。试验方法1与户外曝晒之间的相关性较好,与敦煌之间的相关系数为0.76,与琼海之间的相关系数为0.88。

表3 氙灯试验与户外曝晒试验之间样品颜色变化的相关系数

试验方法

敦煌

琼海

试验方法1

0.66

0.95

试验方法2

0.52

0.88

试验方法3

0.48

0.88

试验方法4

0.50

0.67

试验方法5

0.67

0.86

琼海

0.62

 

从表3看出,对于样品的颜色变化,氙灯试验与两个户外曝晒场之间的相关系数都比较好,试验方法1与敦煌之间的相关系数为0.66,与琼海之间的相关系数为0.95。

Q-SUN Xe-3-HBS太阳光老化试验箱

Q-SUN Xe-3-HBS氙灯老化试验箱

3 结论

a.对于样品的光泽变化,氙灯试验与琼海之间的相关性好于氙灯试验与敦煌之间的相关性。

b.对于样品的颜色变化,氙灯试验与敦煌和琼海之间的相关性都比较好。

c.对于氙灯老化加速试验,综合考虑样品的失光、颜色变化,及与户外曝晒之间的相关性,将试验方法1、试验方法2和试验方法3 (首推试验方法1)推荐并写入GB/T 32088-2015《汽车非金属部件及材料氙灯加速老化试验方法》中。