汽車內(nèi)飾材料耐候性分析研究

邱均回，王受和，時宇

（中國電器科學(xué)研究院股份有限公司，工業(yè)產(chǎn)品環(huán)境適應(yīng)性國家重點實驗室，廣州 510663）

引言

工程塑料是汽車內(nèi)飾件最廣泛應(yīng)用的材料，始于上世紀50年代，60年代投入商品化的生產(chǎn)，70年代得以迅速發(fā)展，80年代進入質(zhì)量輕強度高的復(fù)合材料，以聚合物合金，聚合物摻混物，聚合物復(fù)合物為代表的各種專用材料相繼出現(xiàn)，工程塑料從過去單一的內(nèi)飾件發(fā)展到當今的各種零部件和功能件。隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，以減輕汽車重量，節(jié)約成本，提高競爭力為宗旨的工程塑料配件研究和開發(fā)正在不斷地深入發(fā)展。據(jù)統(tǒng)計，80年代國外平均每輛汽車使用的工程塑料90 kg，90年代達到130～140 kg。目前已達200 kg，約占家用轎車總重量的20 %。

1 影響高分子材料老化主要環(huán)境因素

在高分子材料的老化過程中，輻照、溫度、水分、氧氣、化學(xué)介質(zhì)等多種環(huán)境因素的共同作用[1]。其中老化機理如下[2-4]：

1.1 光和氧

通常光照在高分子材料表面后，其中一部分光被高分子材料吸收，被吸收的光會使高分子材料內(nèi)部的分子鏈破壞，從而使高分子材料老化，隨著時間的延長，材料老化程度逐步加深，近而產(chǎn)生顏色發(fā)黃、表面開裂、力學(xué)性能下降等現(xiàn)象。而氧氣主要是由于其可以氧化許多高分子材料，造成高分子降解或交聯(lián)，從而使高分子材料老化。此外，在光和氧氣都存在的環(huán)境下，光會加速氧氣對高分子的氧化作用[1]。經(jīng)研究表明，高分子材料的光老化，是在光和氧氣的共同作用下，高分子主鏈發(fā)生斷裂而產(chǎn)生的[5]。

1.2 溫度

分子運動隨著溫度的升高而逐步加劇，高溫使得高分子材料降解或交聯(lián)加劇，而產(chǎn)生熱老化。通常大氣環(huán)境下，單純溫度因素造成的材料熱老化并不常見，通常需要其他因素的協(xié)同作用，比如光、氧等。研究表明，在持續(xù)較高溫度下，高分子材料分子鏈中的側(cè)鏈CH3-α處的碳碳鍵會發(fā)生斷裂［6]。

1.3 濕度或水分

大氣中的水分以不同的形式存在，主要有水蒸氣、降雨、降雪、冰雹等形式。水分通過化學(xué)和物理作用導(dǎo)致高分子材料的老化。水分對高分子材料的老化主要分為化學(xué)和物理作用。

化學(xué)作用主要是水分子引起的高分子材料分子鏈水解。因為高分子中的某些基團易發(fā)生水解反應(yīng)，如酯基、酰胺基和腈基等。

高分子材料性能之所以發(fā)生改變主要是由于其主鏈發(fā)生斷裂，而該斷裂則由主鏈上的這些基團發(fā)生水解造成。

物理作用主要體現(xiàn)在高分子材料吸水后，水分子的介入使得分子鏈之間相互作用力減弱，高分子材料的分子鏈段間的相對滑移阻力減小，引起高分子材料各項性能劣化［6]。

2 自然老化試驗

通常研究高分子材料耐老化性能，需要對其進行老化試驗，其中的自然老化是極為重要的一種檢測方法，主要是將高分子材料直接暴露在自然環(huán)境下的一種方法，該方法是最可靠的老化方法，但其成本高、時間長[7]。

自然老化試驗主要用來研究自然環(huán)境中對高分子材料老化性能的影響因素。自然環(huán)境下研究高分子材料的自然老化規(guī)律和機理，可以為壽命預(yù)測提供重要的數(shù)據(jù)。

2.1 試驗材料

PP（共聚）：EPS30R，茂名石化； PC：141R，沙特基礎(chǔ)工業(yè)公司；PS：158K，揚子巴斯夫。

2.2 自然老化試驗方法

按GB/T 3681-2000《塑料大氣暴露試驗方法》，分別在海拉爾、吐魯番、拉薩、瓊海（相關(guān)環(huán)境數(shù)據(jù)見表1）四個自然暴露試驗場開展PP 和PC 材料的自然大氣背板暴曬試驗，暴曬角為南向45 °，試驗期為三年，每三個月取一次樣，進行力學(xué)性能（拉伸強度和沖擊強度）和光學(xué)性能（透光率和霧度）測試。

3 材料性能測試

力學(xué)性能在氣候老化試驗前后的變化是衡量汽車耐候性的重要指標之一，本部分將主要對拉伸性能和沖擊性能這兩種力學(xué)性能進行說明。

表1 相關(guān)地區(qū)環(huán)境數(shù)據(jù)

3.1 拉伸性能

拉伸性能測試是對試樣沿縱軸向施加靜態(tài)拉伸負荷，使其破壞。通過測定試樣的屈服力，破壞力，和試樣標距間的伸長來求得試樣的屈服強度[8]。

拉伸性能測試后的主要性能指標有：

拉伸應(yīng)力：試樣在計量標距范圍內(nèi)，單位初始橫截面上承受的拉伸負荷。

拉伸強度：在拉伸試驗中，試樣直到斷裂為止，所承受的最大拉伸應(yīng)力。

汽車塑料件、橡膠件均可進行拉伸性能測試，通常測試可應(yīng)用萬能材料試驗機進行，依據(jù)標準有：GB/T 1040、GB/T 528 等。

在拉伸性能測試中，觀察不同周期試樣拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線的變化對全面掌握試樣老化期間拉伸性能的變化十分有益。

在海拉爾、吐魯番、拉薩、瓊海（相關(guān)環(huán)境數(shù)據(jù)見表1）四個自然暴露試驗場開展PP 和PE 材料的自然大氣背板暴曬試驗，暴曬角為南向45 °，試驗期為三年，每三個月取一次樣，進行拉伸強度測試。試驗結(jié)果如圖1～2所示：圖1 為PP 材料拉伸強度曲線圖，圖2 為PE 材料拉伸強度曲線圖。

從圖中可以看出，老化后的試驗樣品隨老化時間的延長，拉伸性能通常會下降，為確保老化前后數(shù)據(jù)的可比較，一般在選定拉伸速度時選用較小的拉伸速度，并前后保持一致。應(yīng)避免選用較高拉伸速度，這在老化早期可能符合標準要求，但到拉伸后期由于試樣變脆，較高的拉伸速度將無法正確反應(yīng)試樣的拉伸性能。

3.2 沖擊強度測試

沖擊性能測試是在沖擊負荷作用下測定試樣的沖擊強度。沖擊強度用于評價試樣抵抗沖擊的能力或判斷試樣的脆性或韌性程度。因此，沖擊強度也可稱為沖擊韌性。沖擊性能測試主要用于汽車上的塑料件和材料，塑料的沖擊韌性是一項重要的性能指標，它反映了材料抵抗高速沖擊而導(dǎo)至破壞的能力。圖3 為簡支梁沖擊試驗示意圖。

簡支梁試驗主要是利用已知能量的擺錘經(jīng)一次沖擊破壞試樣，以沖擊前后擺錘的能量差確定試樣破壞時吸收的能量，并利用單位截面積所吸收的沖擊能表示強度。其中，沖擊方向以沖擊線為參考，而沖擊線則位于兩支座的中點處，如試樣需進行缺口處理，則試驗時沖擊線應(yīng)正對試樣的缺口[9]。

簡支梁沖擊試驗結(jié)果的計算和表示為：

無缺口試樣簡支梁沖擊強度由式（1）計算得到，單位以kJ/m2表示。

圖1 PP 材料拉伸強度曲線圖

圖3 簡支梁沖擊試驗示意圖

式中：

a—無缺口試樣沖擊強度，kJ/m2；

A—試樣吸收的沖擊能量，J；

b—試樣寬度，mm；

d—試樣厚度，mm。

有缺口試樣簡支梁沖擊強度由式（2）計算得到，單位以kJ/m2表示。

式中：

ak—缺口試樣沖擊強度，kJ/m2；

Ak—缺口試樣吸收的沖擊能，J；

b—試樣寬度，mm；

dk—試樣厚度，mm。

簡支梁沖擊試驗時，為準確反應(yīng)出老化對沖擊性能的影響，試驗樣品的暴露面應(yīng)背對擺錘，而非暴露面背對擺錘將獲得完全不同的測試結(jié)果。

在海拉爾、吐魯番、拉薩、瓊海四個自然暴露試驗場開展PP 和PE 材料的自然大氣背板暴曬試驗，暴曬角為南向45 °試驗期為三年，每三個月取一次樣，進行沖擊強度測試。試驗結(jié)果如圖4～5 所示：圖4 為PE 材料沖擊強度曲線圖，圖5 為PP 材料沖擊強度曲線圖。

從圖中可以看出，老化后的試驗樣品隨老化時間的延長，沖擊強度通常會下降，PE 材料下降得比較線性，程直線下降，到了15 個月后失效。PP 材料在第3 個月有一個回升過程，也在15 個月后失效。

3.3 透光率和霧度測試

按照 GB/T 2410-2008《透明塑料透光率和霧度的測定》，用WGT-S 透光率/霧度測定儀測試PS 透光率和霧度。測試前預(yù)熱 1 h，每組 5 個試樣，試樣尺寸為 50 mm×50 mm×2 mm，以百分數(shù)表示透光率和霧度，由以下公式進行計算：

式中：

Tt—透光率；

H—霧度；

T1—入射光通量；

T2—通過試樣的總光通量；

T3—儀器散色光通量；

T4—儀器和試樣的散色光通量。

在海拉爾、吐魯番、拉薩、瓊海四個自然暴露試驗場開展PS 材料的自然大氣背板暴曬試驗，暴曬角為南向45 °，試驗期為一年，每一個月取一次樣，進行透光率和霧度測試。試驗結(jié)果如圖6～7 所示：圖6 為PS 材料透光率曲線圖，圖7 為PS 材料霧度曲線圖。

圖4 PE 材料沖擊強度曲線圖

圖5 PP 材料沖擊強度曲線圖

從圖中可以看出，老化后的試驗樣品隨老化時間的延長，PS 材料的透光率衰減比較線性。PS 材料的霧度衰減得比較平緩。

圖6 PS 材料透光率曲線圖

圖7 PS 材料霧度曲線圖

4 結(jié)論

通過工程塑料在我國四個典型地區(qū)開展自然加速爆曬試驗，獲得了PP、PE、PS 三類材料在不同地區(qū)的力學(xué)性能和光學(xué)性能數(shù)據(jù)，對試驗數(shù)據(jù)時行統(tǒng)計分析，得到以下結(jié)論。

1）三類材料的力學(xué)性能均隨老化時間的延長而明顯退化，其中拉伸強度測試PE 較好，PP 較差。沖擊強度測試PP 較好，PE 稍差。

2）PS 材料通過透光率和霧度測試，PS 材料霧度較好，在一年的測試過程中變化無太大變化，衰減比較線性。PS 材料透光率比較差，基本上在測試3 個月后透光率超過50 %，均已失效。

3）汽車內(nèi)飾設(shè)計者應(yīng)該根據(jù)工程塑料的特性，在不同部位選擇不同的工程塑料，在滿足汽車內(nèi)飾要求同時，盡量節(jié)省成本，達到效益最大化。