汽車外飾件“虎皮紋”缺陷重現試驗方法研究

覃家祥，陳心欣，洪志浩，陶友季，張曉東，祁黎，王俊，揭敢新

（中國電器科學研究院股份有限公司工業產品環境適應性國家重點實驗室，廣州 510663）

前言

眾所周知，汽車輕量化的發展下，聚丙烯/三元乙丙橡膠復合材料（PP/EPDM）由于優異的高、低溫沖擊韌性、剛性、耐熱性、耐寒性、耐化學物質等性能廣泛地應用于汽車外飾件材料[1,2]。因此，汽車外飾件塑料產品薄壁化的發展日趨嚴重，注塑制品一系列外觀質量問題隨之而來。作為汽車外飾件外觀缺陷之一的“虎皮紋”成為了最常見的外觀質量問題，尤其在大型薄壁汽車注塑件上，如保險杠、輪眉等注塑件[3,4]。“虎皮紋”形成的主要原因包括注薄壁且流長比大的注塑過程、擠出物脹大或出模膨脹、塑料熔體中黏彈性的強弱及制品壁厚不均勻等[5,6]。“虎皮紋”缺陷嚴重時，可通過肉眼觀測發現。但是，有一部分產品通過肉眼觀測不到“虎皮紋”，但在戶外自然環境的溫度、濕度、輻照等環境應力的作用下，投入使用一段時間后開始出現明暗交替的“虎皮紋”缺陷，其形成機制依然未知，嚴重影響汽車外觀質量。

通常情況下，汽車外飾件塑料制品的耐候性評價主要通過人工加速老化實驗來實現，包括氙燈加速老化[7]、碳弧燈加速老化[8]、紫外燈加速老化[9]等方法。人工加

基金項目：國家科技基礎資源調查專項（2019FY101400），中國博士后科學基金（2019M653100）。速老化試驗雖然周期短、時效快，但由于人工光源與自然光光譜存在較大差異，同時也忽略了晝夜溫差、季節變化及空氣活性組分等因素的影響，不能完全、真實地反映自然環境中全部因素[10,11]。因此，部分汽車外飾件塑料產品雖然通過人工加速老化試驗評價，但是在投入使用一段時間后依然出現“虎皮紋”缺陷，產品服役壽命急劇下降，嚴重影響汽車的品牌聲譽和市場競爭力。而當前形勢下，外觀質量又是質檢部門重點控制的指標之一，因此“虎皮紋”檢不出問題成了檢測人員關注的焦點之一，可檢測的高相關性試驗方法的開發迫在眉睫。

太陽跟蹤聚光老化試驗主要是指在戶外自然環境下通過增強材料表面接收到的太陽輻照實現材料耐候性的快速評價的試驗方法[12-14]。太陽跟蹤聚光加速老化試驗是在真實的環境中對于材料老化進行加速，可極大提高加速試驗方法的準確度，使得試驗結果與實際服役狀態之間的相關性更高[15,16]。而且，相比于人工加速試驗方法，太陽跟蹤聚光加速老化試驗方法的試驗成本更低，能耗更少，對可綠色持續發展具有重大科學意義[17]。但目前太陽跟蹤聚光加速老化試驗方法在汽車外飾件材料“虎皮紋”缺陷檢測中的應用尚未有相關報導。本工作嘗試基于太陽跟蹤聚光加速老化試驗，建立可檢測汽車外飾件材料“虎皮紋”缺陷的加速試驗方法，用于提高汽車外飾件塑料產品的服役壽命，為汽車行業裝備產品的質量提升提供技術支持。

1 實驗部分

1.1 主要原料

汽車外飾件材料（PP/EPDM）：某自主品牌汽車企業提供。

1.2 主要設備及儀器

掃描電鏡：EVO 18，德國蔡司公司；

三角度光澤計：Sheen 160，德國畢克公司；

便攜式色差儀：X-Rite 948，美國愛色麗公司。

1.3自然暴曬試驗

PP/EPDM材料的自然暴曬試驗在廣州自然暴曬試驗場進行，PP/EPDM材料是尺寸為50 mm×70 mm×3 mm的方片和啞鈴型樣條，按照GB/T 3681-2000《塑料大氣暴露試驗方法》開展無背板自然大氣暴曬試驗，暴曬角為南向45 °。試驗期為1年，每3個月取樣一次。

1.4太陽跟蹤聚光加速老化試驗

太陽跟蹤聚光加速老化試驗參考ASTM G90-2010，于廣州花都自然試驗場進行，所用設備為中國電器院自主開發的太陽跟蹤聚光加速老化試驗設備，老化時間為12個月。PP/EPDM取樣周期均為3個月1次，取樣后用于下一步的檢測分析。

1.5樣品性能測試

利用X-Rite 948型便攜式分光色差計，對經過清洗的試樣暴曬面測量色差和黃色指數，各取3次測量的算術平均值作為結果。試樣的色差按照ISO 7724-2:1984進行測量，黃色指數按照GB/T 2409-1980進行測量。

利用Sheen 160三角度光澤計，對經過清洗的試樣曝曬面測量光澤度，取3次測量的算術平均值作為結果。試樣的光澤度以黑色底板作為背襯，在60 °入射角下按照GB/T 8807-1988進行測量。

將經過自然暴曬的PP/EPDM小方片裁切成1 cm2大小的觀察試樣，對朝向太陽的一面進行噴金處理，然后利用Zeiss-EVO 18型掃描電鏡觀察樣品老化后的表面形貌。

2 結果與討論

2.1“虎皮紋”重現試驗

自然老化和太陽跟蹤聚光加速老化試驗過程中，實時跟蹤PP/EPDM樣品外觀形貌，結果如圖1和圖2所示。自然老化試驗過程中，PP/EPDM樣品隨著自然環境的溫度、輻照及濕度的累計作用，在6個月后才開始出現虎皮紋失效。太陽跟蹤聚光加速老化試驗過程中，基于一系列條件優化后，設定太陽跟蹤聚光加速老化試驗設備樣品區的最高溫度上限設定為75 ℃，實時跟蹤太陽并聚光，晴天為光感跟蹤，陰天為時控跟蹤，從而進行加速老化試驗。溫度上限的設定是因為過高的暴曬溫度會導致PP/EPDM材料老化機理發生改變，從而使得太陽跟蹤聚光加速老化與自然老化相關性的降低，影響檢測結果。由于太陽跟蹤聚光及自然環境的加載，PP/EPDM樣品在2個月后開始出現黑白相間的虎皮紋現象，即“虎皮紋”失效。因此，基于太陽跟蹤聚光加速老化試驗，可以有效快速的檢出PP/EPDM樣品中是否存在“虎皮紋”缺陷。

圖1 自然老化試驗前和6個月后PP/EPDM的外觀變化

圖2 太陽跟蹤聚光加速老化試驗前和2個月后PP/EPDM的外觀變化

2. 2“虎皮紋”關鍵影響因素分析

為了深入了解虎皮紋缺陷形成的關鍵影響因素，對太陽跟蹤聚光加速老化2個月和自然老化6個月后PP/EPDM虎皮紋缺陷樣品進行表面形貌分析，結果如圖3和圖4所示。當掃描電鏡的放大倍數達到1 000倍時，可以清楚觀察到太陽跟蹤聚光加速老化2個月后PP/EPDM材料的白紋表面發生了明顯的皸裂，與黑紋區的形貌存在明顯的差別。PP/EPDM材料的自然老化過程中也存在相同的情況；自然老化6個月后，材料白紋表面逐漸形成了細長的裂紋，導致材料外觀失效。相比于自然老化，由于長時間的高溫高強度輻照，太陽跟蹤聚光加速老化可以更快地檢測出PP/EPDM材料內部是否存在虎皮紋缺陷，從而在表面形成黑白相間的虎皮紋失效。

圖3 太陽跟蹤聚光加速老化2個月后PP/EPDM材料表面形貌掃描電鏡圖

圖4 自然老化6個月后PP/EPDM材料表面形貌掃描電鏡圖

PP/EPDM材料屬于共混復合材料，PP作為結晶性材料，而EPDM為非晶材料，當PP在EPDM中的分布不均勻時，容易在材料內部產生應力集中，在環境因素的加載下，該區域發生老化降解后，容易導致其開裂，從而形成黑白相間的虎皮紋缺陷，PP/EPDM虎皮紋失效樣品的表面元素分析結果證實了這一點。圖5和6分別為PP/EPDM虎皮紋失效樣品白紋和黑紋表面元素分析結果，白紋區表面氧原子含量分別為32.5 %，而黑紋區表面氧原子含量僅為21.7 %，白紋區表面氧原子含量明顯高于黑紋區。因此，由于PP與EPDM分散不均勻，導致應力集中，在溫度、輻照及濕度的作用下，材料逐漸氧化降解，引發材料表面皸裂和發白，最后形成“虎皮紋”缺陷。

圖5 PP/EPDM虎皮紋失效樣品白紋表面元素分析

2.3 色差分析

汽車外飾件材料PP/EPDM的“虎皮紋”生成，必然伴隨著材料的色差變化；因此，接下來對于PP/EPDM樣品進行色差分析，如圖7所示。隨著老化時間的增加，太陽跟蹤聚光加速老化和自然老化試驗過程中PP/EPDM接收到的紫外輻照量逐漸增大，PP/EPDM試樣表面發生的氧化程度逐漸增加，導致其表面顏色變化程度逐漸變大。由于太陽跟蹤聚光加速老化試驗過程中，PP/EPDM樣品處于聚光加熱狀態，其氧化程度遠遠大于自然老化試驗中的PP/EPDM。因此，隨著時間的推移，PP/EPDM在太陽跟蹤聚光加速老化過程中的色差快速增長，1年老化試驗后，其色差為3.5左右；而自然老化1年后，PP/EPDM的色差僅為0.8左右。

圖7 不同聚光加速老化和自然老化時間后PP/EPDM的色差變化

2.4 光澤度分析

太陽跟蹤聚光加速老化和自然老化試驗后，還對汽車外飾材料PP/EPDM進行光澤度分析，如圖8所示。隨著老化時間的增加，太陽跟蹤聚光加速老化和自然老化試驗過程中PP/EPDM接收到的紫外輻照量逐漸增大，PP/EPDM試樣表面發生的氧化程度逐漸增加，粗糙度變大，導致其表面光澤度變化程度逐漸降低。太陽跟蹤聚光加速老化試驗過程中，也是因為PP/EPDM樣品處于聚光加熱狀態，導致氧化程度遠遠大于自然老化試驗中的PP/EPDM，粗糙度急劇下降；因此，隨著時間的推移，PP/EPDM在太陽跟蹤聚光加速老化過程中的光澤度快速降低，1年老化試驗后，其光澤度為35左右；而自然老化1年后，PP/EPDM的光澤度僅下降至55左右。

圖6 PP/EPDM虎皮紋失效樣品黑紋表面元素分析

圖8 不同聚光加速老化和自然老化時間后PP/EPDM的色差變化

3 結論

本文采用太陽跟蹤聚光加速老化試驗重現汽車外飾件材料PP/EPDM自然老化過程中的虎皮紋缺陷，并研究其虎皮紋形成機制，可得到以下結論：

1）太陽跟蹤聚光加速老化試驗可以成功檢出汽車外飾件PP/EPDM材料“虎皮紋”缺陷，可在汽車行業中推廣應用。

2）汽車外飾件材料PP/EPDM的“虎皮紋”缺陷形成的關鍵影響因素是PP與EPDM復合材料的分散性不佳所致；然后在溫度、輻照及濕度的作用下，PP/EPDM材料表面逐漸氧化降解，引發材料表面皸裂和發白，最后形成“虎皮紋”缺陷。

3）由于自然老化和太陽跟蹤聚光加速老化試驗過程中材料表面的氧化作用，PP/EPDM樣品的色差逐漸增大，光澤逐漸減小；同樣，由于太陽跟蹤聚光加速老化試驗中PP/EPDM的老化速率更快，色差增長更大，光澤下降程度更大。