汽車高分子材料老化分析

陳浩

（中國第一汽車股份有限公司天津技術開發分公司）

排放法規的加嚴與新能源汽車的興起，將人們的目光更多地聚焦于汽車制造業的輕量化，汽車材料也由原來單一使用金屬材料，逐漸向新型金屬、非金屬與合成材料共用過渡。紡織品、塑料與橡膠等高分子材料在汽車上的應用案例越來越多，應用范圍也不斷擴大。隨著材料工藝的改進與制品性能的提升，塑料與橡膠部件已經逐漸從內部裝飾部件擴展到一些外部裝飾件。因此，對主機廠在塑料、橡膠等高分子材料的老化性能把控方面提出了更高的要求。老化試驗是材料與產品性能可靠性試驗的一部分，試驗中應盡可能還原產品實際使用環境中所涉及的各種因素，進行相應條件的試驗，以實現先期驗證。文章依據車型開發經驗，總結歸納了高分子材料老化的機理與主要試驗方案，并提出了相應的解決方案，以期可供汽車工程師借鑒。

1 老化現象主要失效模式

根據GB/T 32088—2015 標準的表述與汽車在實際使用過程中發生的變化，從性能管控角度分析老化現象，將其歸納為3類[1]：

1）外觀的變化，包括出現污漬、斑點、銀紋、裂縫、噴霜、粉化、發黏、翹曲、收縮以及表面光澤的變化；

2）物理性能的變化，包括耐熱、耐寒等性能的變化；

3）力學性能的變化，包括拉伸強度、彎曲強度、剪切強度、沖擊強度等性能的變化。

2 高分子材料的老化機理

高分子材料在加工、貯存和使用過程中，由于受內外因素的綜合作用，其性能逐漸變壞，以致最后喪失使用價值，這種現象就是老化[2]。根據老化機理，導致老化的因素主要包含以下4種[3]：

1）光老化：光照是導致高分子材料老化的主要因素，聚合物由于吸收光能而發生光化學反應，使得材料性能劣化。雖然290～400 nm的波長只占太陽整個波長輻射量的5%～6%，但光波的波長越短，能量越高，對于化學鍵的破壞性也就越顯著，對塑料等高分子材料的破壞作用就越大。

2）熱老化：高溫不僅會破壞共價鍵，使大分子發生裂解，還會引起大分子間的交聯。高溫還會加速高分子化合物的氧化，從而加速聚合物材料的熱老化。

3）氧化：大氣中的氧或臭氧會氧化高分子材料，導致分子鏈斷裂，從而發生老化現象。一般情況下，高分子化合物的碳鏈不飽和相比碳鏈飽和的情況更容易被老化。

4）侵蝕：高分子材料在特定條件下也會受到侵蝕，導致性能劣化。以侵蝕類型分類，化學物質污染和微生物霉變是最主要的2種表現形式。

在高分子材料老化的早期，老化過程緩慢，變化多發生在材料內部，人眼不易觀察到外部的細微變化。在老化后期，由于降解產生羧基、羥基等發色團，發生光化學反應，加速了紫外光的吸收，進一步加速高分子的降解和交聯速率。老化過程加速導致聚合物材料變色、開裂，機械和物理性能降低，影響外觀質量與使用安全。

3 高分子材料的老化試驗

通過將材料與部件置于自然環境或特定條件下的人工模擬環境中，確定其各方面性能是否滿足工程目標值，考察材料與產品對服役環境的適應性和匹配性，以提前識別可能出現的外觀與性能變化，降低項目開發風險，有效控制汽車內外裝飾材料的抗老化性能。

3.1 耐候性試驗

耐候性就是高分子材料暴露于日光、冷熱、風雨等氣候條件下的耐久性。耐候性試驗應模擬車輛的真實使用環境，記錄試驗各階段汽車外觀、顏色及性能的變化情況，對材料或制品的老化規律和特征進行分析研究。但由于戶外暴露試驗的氣候因素差異很大，不同地區、季節的試驗環境存在顯著不同，典型氣候能代表材料及制品在相對惡劣情況下的適應情況，但各氣候彼此間的試驗結果無法進行橫向比較。不同樣品在不同氣候下的敏感性也不盡相同，而且戶外試驗周期漫長，因此車型開發過程中通常先期借助試驗室加速老化模擬光長期暴露作用來檢測材料的耐候性能。

耐候性試驗主要包含以下3 種類型：1）自然老化試驗；2）試驗室加速老化試驗，通過模擬陽光、溫度、濕度、降雨或凝露等氣候因素進行短時間強化試驗；3）太陽跟蹤聚光加速暴露試驗。

3.2 耐熱性試驗

高溫是高分子材料發生老化反應的重要影響因素之一，高溫會導致高分子材料分子鏈斷裂，從而產生自由基，形成自由基鏈式反應，導致聚合物發生降解和交聯，性能劣化[4]。

烘箱法老化試驗是一種常用的檢測手段。在選定條件下將樣品放入烘箱，并定期檢查樣品的外觀和測試相關性能，以評估樣品的耐熱性是否滿足設計要求。該試驗通常用于塑料和橡膠的性能檢驗。

3.3 濕熱試驗

濕熱老化試驗主要用于鑒定高分子材料在高溫、高濕環境下的耐老化性能。水蒸氣對高分子材料具有一定的滲透性，尤其是在高溫環境下，水分子的運動速率加快，滲透性更強，可以滲透進材料體系中，隨著時間的推移，集聚形成水泡，原分子間的相互作用力減弱，使得材料性能劣化。

濕熱老化試驗通常要求具備一定溫度（40～60 ℃）和較高的相對濕度（90%RH 以上）。雖然提高試驗溫度有利于加速老化試驗進程，提高單位時間的測試效率，但如果測試溫度選擇過高，會導致材料性能破壞速度過快，不利于區分材料的優劣，而且過高的溫度也脫離了實際使用環境，失去了測試意義。所以應根據材料不同的服役部位，選擇合適的測試溫度。

3.4 抗霉試驗

天然有機材料（如植物纖維、皮革等）最容易受霉菌破壞；合成材料（塑料、橡膠等）因為在加工的過程中會添加增塑劑、穩定劑等成分，為微生物提供了生存環境，在潮濕環境中也容易生霉。霉菌引起的腐爛和老化嚴重影響制品的外觀質量和使用體驗，會引起用戶抱怨。抗霉試驗應根據其功能及成分特殊性，對不同的高分子材料選用各異的菌種進行試驗。本試驗周期一般為28天。

3.5 耐寒試驗

低溫對于塑料和橡膠制品的性能影響極大。聚合物的耐寒性是指它抵抗低溫引起性能變化的能力，耐寒試驗可以鑒定高分子材料的低溫儲存和使用特性。本試驗通常在-30～-40 ℃的環境下放置24 h，具體溫度與時長視材料種類與使用環境的情況確定。

4 預防與改進措施

4.1 內、外飾零件耐老化的技術要求

汽車內外件設計人員應具備必要的材料老化知識，合理確定零部件的老化性能，避免因要求過低而導致產品出現質量問題，也應避免因要求過高而造成性能過剩。例如，地毯與備胎罩很少暴露在陽光下，所以老化要求不需要定義得很高。在設計過程中應該整體考慮零件在整車上的應用位置，而不能僅僅依靠所用高分子材料本身的材料特性確定零部件的老化定義。

4.2 內、外飾材料的選擇

根據各零部件的老化性能要求，綜合考慮零部件的其他各項功能性要求，選擇合適的材料種類。老化性能的改善，應以滿足設計過程中的性能指標為前提，不能片面追求耐老化性能的提高。對于各項功能要求表現優異，但耐老化性能存在不足的材料，可以嘗試加入光穩定劑、防霉劑等助劑。當前助劑應用較廣，技術已經成熟，對配方進行適當添加并不會明顯影響制品的使用性能。

4.3 耐老化性能的充分驗證

在車型開發過程中，需要從多維度充分地驗證和評價內、外飾零件的耐老化性能，否則存在不可控因素，車輛交付用戶使用后會產生較大的質量風險。老化試驗根據試驗對象層級可以分為材料級、零部件級與整車級。

首先，測試過程中應貼近實際的使用狀態與服役環境，不應設定為同一測試條件，應選取合適的測試條件，體現制品的差異性。例如：在進行人工加速老化試驗時，由于窗玻璃的透光性各不相同，內飾部件的輻射環境與外飾件顯著不同，所以內飾件試驗必須考慮車窗玻璃的影響。典型樣件如座椅、儀表板和轉向盤等，使用環境并不直接暴露在陽光下，所以它們必須通過玻璃進行測試。其次，考察層次要全面，從多維度和多級別進行測試，因材料的耐候性與制品的耐候性并不是一一對應的關系，所以不僅要對材料進行耐老化測試，還要從零部件以及整車的角度進行評估以校正偏差，為材料級測試提供修正理論基礎。第三，試驗方式要互相補充，因自然老化存在各種弊端，設計初期可以在試驗室進行人工加速老化測試，待到后續車型驗證評價階段，再行開展自然老化試驗，兩者結果彼此驗證，從時間與性能要求等維度建立企業級的標準規定。

4.4 生產過程的質量監控

即使在車型研發階段，材料與零部件通過了相關的老化性能測試，在生產過程中也需要加強過程質量控制，發現問題及時反饋，研發、質保與采購各級聯動、共同推動，保證供應商的材料和生產工藝等不發生變化。主機廠也應及時對應發生的性能質量問題，從而使產品質量保持穩定，并不斷積累經驗，提升產品競爭力[5]。

5 結論

隨著汽車工業的發展，汽車輕量化水平的提高是大勢所趨。新型材料的研發、新興工藝的改進，都將加速輕量化的發展進程。人們在開發過程中不斷完善測試方法和檢測技術，老化測試技術愈發科學高效，加速了車用材料的發展。“把合適的材料用在合適的地方”是汽車選材不變的思路。