基于Hallberg-Peck模型的汽車發動機罩蓋三元乙丙橡膠緩沖墊塊加速老化試驗條件研究

王偉健，陳燕飛，李書鵬，李 波，俞 雁

（廣州汽車集團股份有限公司 汽車工程研究院，廣東 廣州 511434）

汽車作為現代人類重要的交通工具，其外部氣候環境會隨著所在地點的改變而改變。汽車上大量使用的高分子材料不可避免地受到光、熱、水、氣等作用而出現老化現象，給汽車外觀、功能甚至安全性帶來不利影響[1-5]。因此，耐老化（耐候）是汽車的重要特性之一[6-8]。

汽車全壽命周期可以分為運動和停放兩部分。據統計[9]，我國汽車運動與停放時間之比達到1∶20～1∶15。對于汽車材料的耐老化性能而言，連續暴露于戶外典型自然環境下的試驗無疑是更貼近實際的有效檢驗手段。在我國，通常需要在海南或吐魯番試驗場開展為期1年的戶外自然暴露試驗，以評價整車的耐老化性能[10-12]。

盡管開展整車戶外自然暴露試驗是驗證其耐老化性能的最佳手段，但隨著汽車行業產品更新換代的速度加快，戶外自然暴露試驗過長的試驗周期和難以再現的條件為大家所詬病。因此，大量學者圍繞實驗室加速老化試驗條件展開了研究。例如吳絲竹等[13]基于修正Arrhenius方程在溫度加速升高的條件下研究了三元乙丙橡膠（EPDM）材料貯存壽命規律；張曉東等[14]基于廣義Eyring模型及大數據研究了汽車外飾在光熱作用下的加速老化模型；張曉東等[15]基于Hallberg-Peck模型研究了車艙全密閉空間內濕熱老化試驗的加速周期。這些研究都為汽車的加速老化試驗設計提供了參考。但是，針對汽車戶外自然暴露試驗時發動機艙內半開放空間微環境而設計的實驗室加速老化試驗條件的研究尚不多見。

本研究以整車在海南戶外自然暴露試驗時經常出現析出發白物質而老化失效的發動機罩蓋EPDM緩沖墊塊為例，對其失效過程所監測的微環境大數據進行分析，采用Hallberg-Peck模型推導實驗室加速老化試驗條件，并實際驗證該條件下加速老化試驗結果的準確性，意在為汽車發動機艙內EPDM材料老化試驗設計提供參考。

1 研究對象及儀器

1.1 研究對象

根據QC/T 728—2005[16]，在海南試驗場開展自然暴露試驗，試驗車輛及析出發白物質的發動機罩蓋EPDM緩沖墊塊（a為上墊塊，b為下墊塊）如圖1所示。

圖1 試驗車輛及其發動機罩蓋EPDM緩沖墊塊Fig.1 Test automobile and its engine cover EPDM cushion blocks

1.2 主要儀器

CR1000數據采集記錄儀，美國Campbell公司產品；HMP155A空氣濕度傳感器，芬蘭Vaisala公司產品；T型熱電偶表面溫度傳感器，上海儀表（集團）公司產品。

2 自然暴露試驗測試

整車戶外自然暴露試驗中發動機罩蓋保持關閉，機艙微環境中發動機罩蓋EPDM緩沖墊塊不受太陽光直接照射。因此，導致EPDM緩沖墊塊析出發白物質而老化失效的因素可不考慮光輻照，主要考慮溫度和濕度。為方便研究，在緩沖墊塊附近表面安裝溫度監控傳感器，在機艙內部安裝濕度監控傳感器（見圖2），以連續實時監測試驗車輛機艙微環境條件，并按一定頻率進行數據采集和記錄。

圖2 自然暴露試驗車輛發動機罩蓋EPDM緩沖墊塊環境監控傳感器Fig.2 Environmental monitoring sensors for engine cover EPDM cushion blocks of test automobile in natural exposure test

整車在海南試驗場自然暴露試驗時間為3個月（2019年10月1日～2019年12月31日），試驗結束時觀察到發動機罩蓋EPDM緩沖墊塊出現較明顯的析出發白物質而老化的現象。收集整理試驗期間的溫度和濕度數據，因篇幅所限，在此節選部分監測數據，如表1所示。表中設定數據記錄存儲頻率為5 min·次-1，每一時刻對應的平均值、最高或最大值和最低或最小值分別表示其對應5 min內連續監測到的溫度和相對濕度的平均值、最高或最大值和最低或最小值。

表1 海南自然暴露試驗車輛發動機罩蓋EPDM緩沖墊塊環境條件部分監測數據Tab.1 Environmental condition partial monitoring data of engine cover EPDM cushion blocks of test vehicle in Hainan natural exposure test

3 加速老化試驗條件確定與試驗結果驗證

3.1 加速老化試驗計算模型

根據文獻[15]，在進行溫度和濕度作用的加速老化試驗時，研究材料的Hallberg-Peck模型為：

式中：FA為加速比；Δτu和Δτt分別為實際和加速老化試驗時間，s；Hu和Ht分別為實際和加速老化試驗相對濕度，%；Ea為老化活化能，J·mol-1；R為氣體常數，8.314 J·mol-1·K-1；Tu和Tt分別為實際和加速老化試驗溫度，K。

式（1）經整理后，可得到式（2）和（3）。

式中，Δτti，Δτui和FAi為i時刻的相應參數。

3.2 加速老化試驗條件確定

3.2.1 溫度

根據實測數據，試驗車輛發動機罩蓋EPDM緩沖墊塊附近最高溫度為69.09 ℃，出現在2019年12月4日。通過采用Hallberg-Peck模型分析可知，加速老化試驗的加速比對溫度不敏感，升高溫度對加速老化試驗時間影響不明顯，反而會帶來較高的試驗能耗，因此，初步擬定加速老化試驗溫度為70 ℃。

3.2.2 濕度

根據實測數據，試驗車輛機艙內相對濕度大于90%的時間占比約為30%，且在Hallberg-Peck模型下，加速老化試驗的加速比對濕度敏感。為了達到加速目的，設定加速老化試驗相對濕度并運用公式（1）—（3）計算加速老化試驗時間（按促進劑析出Ea＝40×103J·mol-1計）[17]，結果如表2所示。

表2 發動機罩蓋EPDM緩沖墊塊在各相對濕度下加速老化試驗時間和加速比Tab.2 Accelerated aging test time and acceleration ratios of engine cover EPDM cushion blocks under different relative humidities

從表2可以看出，發動機罩蓋EPDM緩沖墊塊在加速老化試驗時，在相對濕度為95%下，加速比為13.80，加速試驗時間為168 h（604 800 s），該條件下試驗的加速效果較好。

因此，根據研究結果，擬定發動機罩蓋EPDM緩沖墊塊析出發白物質的實驗室加速老化試驗條件為：相對濕度95%/70 ℃×168 h。

3.3 加速老化試驗結果驗證

選取同批次發動機罩蓋EPDM緩沖墊塊新試樣，采用在相對濕度95%/70 ℃×168 h加速老化試驗條件下進行試驗結果檢驗。

3.3.1 試樣表面老化現象

經過實驗室相對濕度95%/70 ℃×168 h加速老化試驗后，發動機罩蓋EPDM緩沖墊塊試樣表面析出的發白物質與海南自然暴露試驗3個月后試樣相同，如圖3所示。

圖3 實驗室加速老化試驗與海南自然暴露試驗試樣表面老化狀況對比Fig.3 Comparison of surface aging status between laboratory accelerated aging test and Hainan natural exposure test samples

3.3.2 試樣析出物質

用50 mL丙酮對發動機罩蓋EPDM緩沖墊塊新試樣、加速老化試驗后試樣、自然暴露試驗后試樣進行淋洗，將得到的溶液濃縮并采用氣相色譜-質譜（GC-MS）聯用儀進行成分分析，結果如圖4所示。從圖4可以得出，加速老化試驗試樣析出的物質與自然暴露試驗試樣相同，均為苯并噻唑類促進劑。

圖4 試樣析出物質的GC-MS譜Fig.4 GC-MS spectra of substances precipitated from samples

4 結論

準確的加速老化試驗是提升汽車零部件設計認可效率的關鍵。本研究基于海南試驗場自然暴露試驗數據，利用Hallberg-Peck模型得到汽車發動機罩蓋EPDM緩沖墊塊析出發白物質而老化的實驗室加速老化試驗條件：相對濕度95%/70℃×168 h，經實際驗證，該條件下加速老化試驗結果準確。汽車主機廠與零件供應商在日常質量管控時應重視零部件的加速老化試驗。