高透塑膠材料SAE J2527 氙燈老化測(cè)試結(jié)果偏離的原因分析及對(duì)策

洪城明

（道生天合材料科技（上海）股份有限公司，上海）

引言

隨著汽車輕量化和電動(dòng)化趨勢(shì)，外飾塑膠材料的應(yīng)用大幅增加，同時(shí)各主機(jī)廠對(duì)其耐候性能要求也越來(lái)越高。目前汽車工業(yè)中，實(shí)驗(yàn)室氙燈加速老化在多種材料加速光老化技術(shù)中屬于最先進(jìn)、也是應(yīng)用最廣泛的測(cè)試技術(shù)，能快速預(yù)測(cè)和評(píng)估塑膠材料在生命周期的耐侯耐性能[1]。因此規(guī)范開展實(shí)驗(yàn)室氙燈老化測(cè)試，對(duì)客觀評(píng)估塑膠材料耐候性能、推動(dòng)新材料開發(fā)改進(jìn)以及產(chǎn)品質(zhì)量控制都有著重要意義。

美國(guó)汽車工程學(xué)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)SAE J2527[2]是評(píng)估汽車外飾材料氙燈老化性能的主要標(biāo)準(zhǔn)之一。實(shí)驗(yàn)室參加了某主機(jī)廠組織的依據(jù)該標(biāo)準(zhǔn)的氙燈光老化測(cè)試比對(duì)，樣品為具有高透光率的塑膠材料，比對(duì)結(jié)果顯示樣品的色差和黃變指標(biāo)偏離。本文針對(duì)試驗(yàn)過(guò)程的各影響因素進(jìn)行分析，確認(rèn)了造成結(jié)果偏離的原因，并開展技術(shù)驗(yàn)證，建立長(zhǎng)期預(yù)防措施。

1 試驗(yàn)原理及結(jié)果偏離失效現(xiàn)象

1.1 試驗(yàn)原理

根據(jù)外飾材料在室外環(huán)境中的晝夜不同光照條件，并結(jié)合冷凝、雨淋等濕態(tài)條件，SAE J2527 標(biāo)準(zhǔn)從光熱水三個(gè)環(huán)境因素模擬室外環(huán)境，標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試循環(huán)步驟如表1。每個(gè)測(cè)試循環(huán)包括4 步階段，每循環(huán)的總輻照能量為3.96 kJ·m-2·nm-1@340nm。

表1 SAE J2527 測(cè)試循環(huán)步驟

具體測(cè)試參數(shù)控制要求如表2。

表2 SAE J2527 各步驟的目標(biāo)參數(shù)控制

比對(duì)試驗(yàn)采用兩組代碼分別為Z01 和V02 的高透樣品同步開展，試驗(yàn)總輻照劑量為442kJ/m2@340nm，在試驗(yàn)中的94.8 kJ/m2、221.2 kJ/m2、316 kJ/m2、442 kJ/m2四個(gè)輻照節(jié)點(diǎn)，分別測(cè)試樣品的色差ΔE 和黃變指數(shù)Δb。

1.2 結(jié)果偏離失效現(xiàn)象

根據(jù)比對(duì)統(tǒng)計(jì)分析，樣品Z01 的色差ΔE 和黃變?chǔ) 均偏大離群[3]，樣品V02 雖未離群，但測(cè)試值同樣呈現(xiàn)偏高趨勢(shì)。結(jié)果表明，樣品在試驗(yàn)中產(chǎn)生了過(guò)度老化，導(dǎo)致色差ΔE 和黃變?chǔ) 高于正常范圍，并且在相同測(cè)試條件下，Z01 的老化趨勢(shì)較V01 更為顯著。

2 原因分析

針對(duì)試驗(yàn)中可能造成樣品色差和黃變指標(biāo)偏離以及可能引起樣品過(guò)度老化的因素進(jìn)行分析。具體分析因素如表3 所示，并逐一進(jìn)行追溯驗(yàn)證和技術(shù)分析。

表3 造成試驗(yàn)結(jié)果偏離的可能因素

2.1 氙燈箱運(yùn)行控制追溯

比對(duì)試驗(yàn)采用轉(zhuǎn)鼓水冷型氙燈試驗(yàn)箱，型號(hào)為Atlas Ci4400。黑板溫度計(jì)、輻照度計(jì)、箱體溫濕度計(jì)以及標(biāo)準(zhǔn)氙燈管均為參數(shù)控制監(jiān)測(cè)的關(guān)鍵部件，經(jīng)查校準(zhǔn)信息，技術(shù)狀態(tài)均正常。氙燈燈管作為試驗(yàn)光源，是影響輻照度和光譜分布的核心部件，設(shè)備所用氙燈燈管有效壽命為2 000 H，經(jīng)查使用記錄，燈管在試驗(yàn)中處于最佳壽命狀態(tài)。實(shí)驗(yàn)室定期進(jìn)行輻照強(qiáng)度核查，經(jīng)查相關(guān)記錄，試驗(yàn)中設(shè)備的輻照度核查校正開展有效。

其次檢查氙燈箱參數(shù)設(shè)置及運(yùn)行狀態(tài)。根據(jù)氙燈箱的運(yùn)行參數(shù)曲線，如圖1 所示，試驗(yàn)中的實(shí)際參數(shù)設(shè)置均符合標(biāo)準(zhǔn)要求，參數(shù)波動(dòng)也在正常范圍內(nèi)。

圖1 Ci4400 氙燈箱運(yùn)行SAE J2527 的實(shí)測(cè)控制曲線

試驗(yàn)中通過(guò)對(duì)樣品噴淋來(lái)模擬冷凝及雨淋效應(yīng)，加速塑膠材料的結(jié)構(gòu)劣化從而加速老化[4]。因此噴淋水質(zhì)的影響不可忽略，試驗(yàn)采用的噴淋水經(jīng)反滲透系統(tǒng)去離子化，經(jīng)送檢，水質(zhì)符合標(biāo)準(zhǔn)要求。具體指標(biāo)如表4 所示。

表4 噴淋水質(zhì)指標(biāo)

試驗(yàn)中采用標(biāo)準(zhǔn)PS 質(zhì)控板（批次Lot9）監(jiān)測(cè)設(shè)備總體運(yùn)行狀態(tài)，每周按規(guī)定輻照劑量取出PS 質(zhì)控板并測(cè)量黃變值Δb，經(jīng)對(duì)比其黃變值參考范圍，如圖2，可以判斷氙燈箱在試驗(yàn)中的總體運(yùn)行符合要求。

圖2 試驗(yàn)中PS 質(zhì)控板實(shí)際黃變與參考黃變?chǔ)

2.2 顏色測(cè)試方法確認(rèn)

試驗(yàn)中樣品的色差ΔE 及黃變?chǔ) 通過(guò)分光測(cè)色計(jì)測(cè)量，型號(hào)為柯尼卡美能達(dá)CM-2500d，SAE J2527 中顏色測(cè)試參數(shù)見表5，經(jīng)確認(rèn)，試驗(yàn)參數(shù)選擇符合要求。實(shí)施比對(duì)的試驗(yàn)員具備主機(jī)廠認(rèn)可資質(zhì)，經(jīng)考察確認(rèn)，各操作步驟均符合作業(yè)規(guī)范及標(biāo)準(zhǔn)要求。

表5 標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)要求

另外，測(cè)試顏色時(shí)，針對(duì)透明試驗(yàn)樣品，應(yīng)在樣品下方用標(biāo)準(zhǔn)白板或等同物質(zhì)作為一致的測(cè)試背景。實(shí)際試驗(yàn)中，組織方統(tǒng)一提供了淡黃色非熒光卡紙作為背景色。

綜上分析，氙燈箱實(shí)際運(yùn)行控制以及顏色的測(cè)試方法均符合要求。

2.3 樣品因素

首先分析試驗(yàn)樣品Z01 和V02 的具體材質(zhì)，采用FTIR 進(jìn)行紅外分析，儀器型號(hào)為ThermoFisher Nicolet iS-5，分析譜圖如圖3、圖4 所示。

圖3 Z01 樣品的FTIR 譜圖

圖4 V02 樣品的FTIR 譜圖

經(jīng)譜圖解析，Z01 樣品材質(zhì)為PS，V02 樣品材質(zhì)為PC。將Z01 與PS 質(zhì)控板進(jìn)行匹配度分析，如圖5，兩者的匹配度為100%，因此可得結(jié)論，Z01 樣品與PS 質(zhì)控板同材。

圖5 Z01 樣品與PS 質(zhì)控板的紅外譜圖比對(duì)

從圖6 可見，試驗(yàn)中PS 質(zhì)控板在各輻照能量點(diǎn)的色差ΔE 和黃變?chǔ) 值始終在Z01 參考偏差范圍內(nèi)，未出現(xiàn)顯著偏離。而同材質(zhì)的Z01 樣品的實(shí)際色差ΔE 與黃變指數(shù)Δb 均顯著高于PS 質(zhì)控板。

圖6 質(zhì)控PS 板實(shí)測(cè)、Z01 樣品實(shí)測(cè)與Z01 參考色差ΔE 和參考黃變指數(shù)Δb 比較

試驗(yàn)中的質(zhì)控PS 板由樣品夾固定后緊靠黑板溫度計(jì)放置在轉(zhuǎn)鼓架上，樣品Z01 和V02 也由樣品夾固定后放置在轉(zhuǎn)鼓同一水平位置，因此試樣與質(zhì)控PS 板同光源距離一致。

綜上分析，質(zhì)控PS 板與Z01 樣品雖同材，但在相同試驗(yàn)條件下出現(xiàn)了顯著結(jié)果差異。因此通過(guò)比較質(zhì)控PS板與Z01 樣品在試驗(yàn)中的差異點(diǎn)，就可鎖定結(jié)果偏離原因。

經(jīng)核對(duì)測(cè)試操作，最終確認(rèn)差異點(diǎn)為樣品的裝夾方式。試驗(yàn)中，試驗(yàn)員根據(jù)常規(guī)操作，在樣品背部安裝了鋁制背板，而質(zhì)控PS 板則按規(guī)范未采用鋁制背板。背板的作用是支撐試樣及遮擋缺漏部位，而關(guān)于背板的使用原則，SAE J2527 中并未明確說(shuō)明，因此在常規(guī)操作中都會(huì)使用背板。同類外飾氙燈老化測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)ASTM G155則指出樣品裝夾時(shí)是否使用背板應(yīng)根據(jù)測(cè)試相關(guān)方的具體要求而定。

3 驗(yàn)證分析及改進(jìn)對(duì)策

3.1 試驗(yàn)驗(yàn)證分析

在氙燈老化測(cè)試中，鋁制背板的裝夾方式差異對(duì)透明塑膠樣品老化過(guò)程的影響如何形成，對(duì)此開展了驗(yàn)證測(cè)試和探討。依據(jù)SAE J2527 標(biāo)準(zhǔn)，用質(zhì)控PS 板作為試樣，分別裝夾和不裝夾鋁背板，測(cè)試在同一輻照劑量下兩者的黃變?chǔ)，結(jié)果如圖7 所示。

圖7 不同夾持方式引起老化的黃變指數(shù)Δb 比較

從驗(yàn)證數(shù)據(jù)得到結(jié)論，在同樣測(cè)試條件下裝夾鋁背板的PS 板的黃變值Δb 較無(wú)背板的樣品更高，表明背板的裝夾造成樣品的老化程度增加，老化速率更快。具體原因是，在裝夾背板后，樣品背部的空氣對(duì)流受限，延緩熱量釋放而導(dǎo)致熱量聚集，因此樣品實(shí)際光熱老化速率加劇，老化程度增加，從而引起黃變值數(shù)據(jù)更大。

兩種不同裝夾方式的PS 板累計(jì)505.6 kJ/m2輻照后，通過(guò)DSC 分析兩者玻璃化溫度（Tg），結(jié)果顯示，裝夾背板的PS 板Tg 為92.3 ℃，未裝夾背板的PS 板Tg 為93.3 ℃，Tg 溫度的下降表明背板裝夾導(dǎo)致老化趨嚴(yán)，同樣條件下的分子鏈降解程度更大。

針對(duì)V02 樣品數(shù)據(jù)未離群的現(xiàn)象，從其色差ΔE和黃變?chǔ) 的數(shù)據(jù)看，也因裝夾背板同樣呈現(xiàn)數(shù)值偏高和老化更嚴(yán)重的趨勢(shì)。從材料結(jié)構(gòu)角度分析，V02 的PC材質(zhì)，相比于PS 的脂肪族主鏈結(jié)構(gòu)，其雙酚A 型芳香族主鏈結(jié)構(gòu)具備更高鍵能，測(cè)試時(shí)能經(jīng)受更高能量光子轟擊，同等條件下分子斷鏈更少，老化速率更慢。

3.2 改進(jìn)對(duì)策

根據(jù)上述分析結(jié)果和驗(yàn)證結(jié)論，在氙燈加速測(cè)試中，透明塑膠樣品雖因結(jié)構(gòu)差異有不同的耐老化性，但總體上相比于常規(guī)不透明樣品，其黃變和色差效應(yīng)更易顯現(xiàn)，因此針對(duì)透明塑膠樣品，實(shí)驗(yàn)室要求在滿足支撐和足夠遮擋尺寸的前提下，測(cè)試裝夾時(shí)均不使用背板，避免背板導(dǎo)致散熱困難而引起的加速老化效應(yīng)。

4 結(jié)論

本文針對(duì)SAE J2527 標(biāo)準(zhǔn)氙燈老化比對(duì)試驗(yàn)中的高透塑膠樣品結(jié)果偏離，開展原因分析，從氙燈箱運(yùn)行控制、顏色測(cè)試、樣品三個(gè)因素展開進(jìn)行過(guò)程追溯和技術(shù)分析，確定了導(dǎo)致結(jié)果偏離的原因在于樣品裝夾時(shí)的背板使用。通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了裝夾背板對(duì)高透塑膠樣品在氙燈老化中的影響機(jī)制，即背板促進(jìn)樣品熱量積聚從而加速老化，對(duì)于高透塑膠材料，黃變和色差效應(yīng)更易顯現(xiàn)。針對(duì)高透塑膠材料的氙燈老化試驗(yàn)方法，確認(rèn)預(yù)防措施，即在滿足試樣支撐和足夠遮擋尺寸的前提下均不使用背板，從而提升測(cè)試結(jié)果的可靠性。