轎車天窗排水管性能試驗(yàn)不合格問題及應(yīng)對措施

摘 要：為了保證PVC管身與TPU上下端閥體之間不出現(xiàn)粘接分離現(xiàn)象，對排水管性能試驗(yàn)不合格項(xiàng)進(jìn)行了原因分析，并提出了應(yīng)對措施。試驗(yàn)表明：色母料的載體和添加量影響PVC管身的斷裂延伸率，在擠出成型時(shí)需要選取適當(dāng)?shù)纳噶陷d體和配比。提高烘烤溫度和時(shí)間可以降低TPU上下端閥體的冷凝霧化試驗(yàn)的可揮發(fā)物質(zhì)量。在聚醚型TPU中按5∶1配比添加聚酯型TPU，可以提高TPU上下端閥體的耐水解性。采取快速注塑、提高注塑溫度的工藝過程，加長冷卻時(shí)間，能夠保證PVC和TPU同步固化，從而有效解決耐水解試驗(yàn)問題。

關(guān)鍵詞：天窗 排水管 性能試驗(yàn) 聚氯乙烯 熱塑性聚氨酯

1 緒論

天窗排水管作為轎車天窗的一部分，承擔(dān)著排出排水槽內(nèi)積水的作用，在設(shè)計(jì)時(shí)不僅需要考慮布置可行性、裝配便利性等因素，而且要考慮排水密封性[1]。楊鵬飛[2]等人通過搭建天窗排水試驗(yàn)臺(tái)架對天窗排水過程開展研究，分析了有效高度、管道長度、排水管彎曲布置、排水閥及堵塞物對管路最大排水量的影響。戴磊[3]對天窗排水管總成設(shè)計(jì)方法進(jìn)行研究，認(rèn)為排水管的彎曲半徑應(yīng)不小于60mm，避免管路過度彎曲；應(yīng)保持管路法向始終沿水平向下，防止水流堆積。盧超[4]等人對天窗排水管進(jìn)行優(yōu)化，認(rèn)為排水管內(nèi)徑不應(yīng)小于8 mm，排水管進(jìn)水口角度與水平面的夾角應(yīng)大于5°，且走向平滑。本文針對排水管性能試驗(yàn)不合格問題進(jìn)行原因分析，提出應(yīng)對措施，以排除排水管漏水現(xiàn)象。

2 天窗排水管結(jié)構(gòu)與成型工藝

天窗排水管主要由上端閥體（又稱連接套管）、管身、下端閥體（又稱波紋套圈）組成，如圖1所示。天窗排水管結(jié)構(gòu)受限于天窗和車身結(jié)構(gòu)的配合匹配，從歷史演變結(jié)構(gòu)來看圖1所示結(jié)構(gòu)較為常見，它們的區(qū)別在于主要材料不同。

上端閥體，又稱為連接套管，如圖2所示，采用硬度為70A聚醚型熱塑性聚氨酯彈性體（TPU）材料，成型方法為注塑成型。注塑模具結(jié)構(gòu)采用1模8腔，其注塑工藝有：（1）插管；（2）合模；（3）注射：注射溫度190-200℃，注射壓力：一段145bar、二段130bar、三段80bar；（4）保壓：壓力65bar、時(shí)間6S；（5）冷卻：時(shí)間35S；（6）開模：采用氣動(dòng)脫模。

下端閥體，又稱為波紋套圈，如圖3所示，采用硬度為60A聚醚型熱塑性聚氨酯彈性體（TPU）材料，成型方法為注塑成型。模具結(jié)構(gòu)采用1模8腔，其注塑工藝有：（1）插管；（2）合模；（3）注射：注射溫度190-200℃，注射壓力：一段128bar、二段135bar、三段55bar；（4）保壓：一段：壓力50bar、時(shí)間5S，二段：壓力48bar、時(shí)間5S；（5）冷卻：時(shí)間40S；（6）開模：采用氣動(dòng)脫模。

管身材料為聚氯乙烯（PVC），硬度為85±3A，成型方法為擠出成型，其參數(shù)設(shè)置如表1所示。

3 天窗排水管性能試驗(yàn)方法

為了保證PVC管身與TPU上/下端閥體之間不出現(xiàn)粘接分離現(xiàn)象，需要進(jìn)行如下性能試驗(yàn)。

3.1 斷裂延伸率

斷裂延伸率標(biāo)準(zhǔn)要求：供貨狀態(tài)下PVC擠出管身斷裂延伸率大于300%；95℃條件下48h熱老化后，PVC擠出管身斷裂延伸率大于300%。

測試試件根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)通過擠出管身取樣，試片厚度2±0.2mm，供貨狀態(tài)下和95℃條件下48h熱老化后分別測試3組試件。

3.2 冷凝霧化

檢測方法：將試樣置于玻璃杯底部，在玻璃杯上放置密封圈及一片稱重以后的錫箔蓋。試驗(yàn)期間樣品的半揮發(fā)有機(jī)物凝結(jié)在鋁箔上，鋁箔被（21±1）℃的水持續(xù)冷卻。玻璃杯在（100±0.5）℃的恒溫浴槽中16h±10min。通過稱重試驗(yàn)前后的鋁箔的質(zhì)量來確定可凝結(jié)物的質(zhì)量，從而檢測可揮發(fā)物。

上下端閥體的冷凝霧化試驗(yàn)評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)值是一樣的，根據(jù)大眾霧化測試標(biāo)準(zhǔn)PV3015要求可揮發(fā)物質(zhì)量≤2.0mg。

3.3 耐水解密封性

在80℃下504h耐水解后，在3 bar×1min條件下氣密試驗(yàn)，無滲漏。

4 排水管性能測試不合格項(xiàng)原因分析

排水管在性能測試過程中，主要不合格項(xiàng)有：（1）PVC管身的斷裂延伸率小于300%；（2）TPU上下端閥體在冷凝霧化后可凝結(jié)物的質(zhì)量大于2.0mg；（3）耐水解后TPU上下端閥體與PVC管身粘結(jié)處分離或脫落。

4.1 PVC管身的斷裂延伸率不合格問題

在供貨狀態(tài)下，測試三組PVC管身試件的斷裂延伸率分別為280%、288%、301%；在95℃下48h熱老化后，測試三組PVC管身試件的斷裂延伸率分別為278%、284%、292%，五組試件達(dá)不到PVC管身斷裂延伸率大于300%的標(biāo)準(zhǔn)要求。

原因分析：PVC管身材料是本色料，因有外觀要求，擠出前加色母料混合擠出。管身PVC本色料與色母料按100∶2配比擠出。

在PVC管身擠出過程中，色母料的使用不僅關(guān)乎產(chǎn)品的外觀，更對斷裂延伸率產(chǎn)生顯著影響。首先，色母料的類型和配方會(huì)改變PVC材質(zhì)的物理特性，進(jìn)而影響其斷裂延伸率。試驗(yàn)表明，相同類型PVC在添加不同色母料后，斷裂延伸率存在明顯差異。其次，色母料的添加量需要控制。添加過多會(huì)損害PVC材質(zhì)的機(jī)械性能，導(dǎo)致斷裂延伸率降低；而添加過少則難以滿足美觀需求。最后，色母料在PVC材質(zhì)中的分布方式同樣重要。分布不均可能導(dǎo)致PVC管身在受力時(shí)出現(xiàn)裂紋，進(jìn)而影響斷裂延伸率。因此，在PVC管身擠出過程中，應(yīng)綜合考慮色母料的類型、添加量和分布方式，以確保PVC管身的斷裂延伸率達(dá)到預(yù)期標(biāo)準(zhǔn)[5]。

4.2 TPU上端閥體冷凝霧化試驗(yàn)不合格問題

對三組TPU上端閥體進(jìn)行冷凝霧化試驗(yàn)，測得可凝結(jié)物的質(zhì)量分別為2.30mg、2.38mg、2.36mg，均大于2.0mg。

原因分析：TPU上端閥體材料配方中含有一定量的塑化劑。塑化劑是一種能夠提高TPU韌性和可加工性的添加劑，能夠降低材料的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度和使TPU變得柔韌，從而增加TPU的延展性和可塑性。塑化劑在高溫條件下容易發(fā)生分解反應(yīng)，導(dǎo)致分子鏈斷裂，從而形成揮發(fā)性析出物，致使冷凝成分超差[6]。

4.3 TPU下端閥體冷凝霧化試驗(yàn)不合格問題

對三組TPU下端閥體進(jìn)行冷凝霧化試驗(yàn)，得到可凝結(jié)物的質(zhì)量分別為10.80mg、10.61mg、10.83mg，均大于2.0mg。

原因分析：TPU下端閥體材料配方中含有較多塑化劑，塑化劑在高溫條件下有較多揮發(fā)性物質(zhì)析出，導(dǎo)致冷凝成分超差較大。

4.4 TPU上下端耐水解試驗(yàn)不合格問題

對三組TPU上端閥體進(jìn)行耐水解后，出現(xiàn)TPU上端閥體與PVC管身粘結(jié)處分離現(xiàn)象；對三組下端閥體進(jìn)行耐水解后TPU下端閥體存在和PVC管身粘結(jié)脫落現(xiàn)象。

原因分析：（1）PVC管身與TPU上/下端閥體是不同原材料的配方物性，粘接強(qiáng)度差；（2）TPU的材料硬度低，粘接強(qiáng)度差；（3）TPU屬于聚醚型，具有耐水解性，但在水解中容易開膠，不具有粘接牢度；（4）注塑工藝參數(shù)與TPU材料性能不匹配。

5 排水管性能測試不合格項(xiàng)應(yīng)對措施

5.1 PVC管身的斷裂延伸率試驗(yàn)問題應(yīng)對措施

應(yīng)對措施一：調(diào)整PVC本色料與色母料（聚酯類載體）的配比。配比分別為100∶1.5、100∶1、100∶0.5、不加色母料。在95℃下48h熱老化后，測試三組PVC管身試件的斷裂延伸率如表2。從表2可知，配比100：0.5與不加色母料的PVC管身的斷裂延伸率達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求。

應(yīng)對措施二：選用流動(dòng)性較好的聚氯乙烯作為載體的色母料。PVC色母料由聚酯類載體改為聚氯乙烯載體，PVC本色料與色母料的配比為100∶2。在95℃下48h熱老化后，測試三組PVC管身試件的斷裂延伸率分別為305%、310%、315%，達(dá)到了PVC管身斷裂延伸率大于300%的標(biāo)準(zhǔn)要求。

5.2 TPU上端閥體冷凝霧化試驗(yàn)問題應(yīng)對措施

應(yīng)對措施：先對TPU上端閥體進(jìn)行120℃/12h烘烤處理，然后進(jìn)行冷凝霧化試驗(yàn)，測得可凝結(jié)物的質(zhì)量分別為1.30mg、1.21mg、1.36mg，達(dá)到可揮發(fā)物質(zhì)量≤2.0mg的要求。

5.3 TPU下端閥體冷凝霧化試驗(yàn)問題應(yīng)對措施

應(yīng)對措施一：先對TPU下端閥體進(jìn)行120℃/12h烘烤處理，然后進(jìn)行冷凝霧化試驗(yàn)，測得可凝結(jié)物的質(zhì)量分別為4.29mg、4.62mg、5.26mg，達(dá)不到可揮發(fā)物質(zhì)量≤2.0mg的要求。

應(yīng)對措施二：和TPU上端閥體相比，TPU下端閥體含有較多塑化劑，120℃/12h條件下烘烤處理效果不佳，可能還存在一些可揮發(fā)物。因此，把烘烤溫度和時(shí)間設(shè)定為125℃/60h，烘烤處理后，再進(jìn)行冷凝霧化試驗(yàn)，測得可凝結(jié)物的質(zhì)量分別為1.89mg、1.91mg、1.96mg，達(dá)到可揮發(fā)物質(zhì)量≤2.0mg的要求。

5.4 TPU上端閥體和下端閥體耐水解試驗(yàn)問題應(yīng)對措施

（1）在聚醚型TPU中添加聚酯型TPU，按5∶1配比獲得其混合料。聚酯型TPU具有較好的耐溶劑性能和耐較高溫度。經(jīng)反復(fù)驗(yàn)證，5∶1配比為最優(yōu)配比，不僅提高了混合料與PVC接角粘接力，同時(shí)也提高其耐老化性能。

（2）采取快速注塑、提高注塑溫度的工藝過程，并且加長冷卻時(shí)間，以保證PVC和TPU同步固化。

采取上述措施后，TPU上下端閥體耐水解試驗(yàn)問題得到有效解決。

6 結(jié)論

排水管在性能測試過程中，發(fā)生的不合格項(xiàng)及采取的應(yīng)對措施如下。

（1）PVC管身的斷裂延伸率小于300%。應(yīng)對措施：調(diào)整PVC本色料與色母料（聚酯類載體）的配比；選用流動(dòng)性較好的聚氯乙烯作為載體的色母料。

（2）TPU上下端閥體在冷凝霧化后可凝結(jié)物的質(zhì)量大于2.0mg。應(yīng)對措施：對TPU上端閥體進(jìn)行120℃/12h烘烤處理；對TPU下端閥體進(jìn)行125℃/60h烘烤處理。

（3）在耐水解后TPU上下端閥體與PVC管身粘結(jié)處分離或脫落。應(yīng)對措施：在聚醚型TPU中按5∶1添加聚酯型TPU；采取快速注塑、提高注塑溫度的工藝過程，并且加長冷卻時(shí)間。

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