車門立柱裝飾膜失光問題分析與改善

中圖分類號：U466 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B DOI：10.19710/J.cnki.1003-8817.20250215

Analysis and Improvement of GlossLoss on Door Pillar Decorative Film

Nie Lingbo ^1，3 ，ZhuLei2，Yu Meiling ^1，3 ，YeBihua ^1，3 ， Xu Chulin1，3 （1.Xiangyang Daan Automobile Test Center Corporation Limited.，Xiangyang 4410O0; 2.Ramp;D Instituteof Dongfeng Motor Group Co.，Ltd.，Wuhan 430o5O;3.Wuhan Daan Technology Limited Corporation.，Wuhan 430050）

Abstract：To address the issue of gloss losson the door pillar decorative film of an automaker's overseas export vehicle modelAinthe MiddleEastregion，the failure mechanism isinvestigatedthrough failurebackgroundanalysis， microscopicmorphologycharacterization，chemicalcompositionanalysis，andsimulation tests，leading toproposed improvement measures.Theresults indicate that the glossloss iscaused bymechanical impact from silicon-oxygen bond（Si-O）particles，with damage concentrated onthe polyurethane coating surface，which is closelyrelated to the localsandyanddustyenvironment.Simulation testsof finesand impactdemonstrate that the\"High-glossfilm with protective film\" composite structure reduces the gloss loss rate to 2.71% ，withabefore-and-aftercolordifference（ ΔL ） to 0.11，significantly outperforming other solutions.

Keywords：Decorative film，Gloss loss，F(xiàn)ailure mechanism，Polyurethane coating，Sandy and dusty environment

1前言

某車企出口至中東的車型A在半年內(nèi)出現(xiàn)車門立柱裝飾膜失光問題，而同批次國內(nèi)車型未出現(xiàn)類似現(xiàn)象。該裝飾膜作為外觀件，需滿足耐老化、耐化學(xué)腐蝕等要求，設(shè)計壽命5年。失光問題不僅影響車輛美觀，還可能引發(fā)客戶投訴。

針對該問題，現(xiàn)有研究多集中于涂層材料的化學(xué)腐蝕機(jī)理[-2]，已有文獻(xiàn)對汽車涂層在高溫、鹽霧等環(huán)境下的化學(xué)老化機(jī)理進(jìn)行了研究，但對風(fēng)沙沖擊導(dǎo)致的機(jī)械性失光尚缺乏系統(tǒng)分析。本文結(jié)合失效現(xiàn)場調(diào)查與實(shí)驗(yàn)室分析，確定了失光原因，提出了改進(jìn)方案。

2 失效背景調(diào)查

2.1 失效問題描述

車型A失效件發(fā)現(xiàn)于中東港口倉庫，表現(xiàn)為裝飾膜表面失光、發(fā)霧，環(huán)境件（高光黑塑料PMMA/ASA、車身漆、TPV彈性體）無異常。國內(nèi)同批次零件及出口車型B不同批次零件未反饋同類問題，初步推測失效可能與運(yùn)輸或當(dāng)?shù)丨h(huán)境相關(guān)。

2.2膜片結(jié)構(gòu)與制造工藝

膜片結(jié)構(gòu)為表層高光聚氨酯涂層（厚度為15～25μm ）、中間層聚氯乙烯（PolyvinylChloride，PVC）黑膜（厚度為 90μm ）、底層丙烯酸酯壓敏膠（厚度為 15～25μm ）。生產(chǎn)工藝包括壓延成型、涂覆熱固化及模切。膜片供應(yīng)商大卷生產(chǎn)，零件廠根據(jù)零件數(shù)模模切供貨，工廠端撕開保護(hù)膜及背膠離型紙，采用工裝黏接，國內(nèi)外車型共線生產(chǎn)。

2.3 膜片設(shè)計壽命

零件屬于外觀件，要求5年內(nèi)無明顯外觀變化，滿足 1008h 外飾氙燈光老化，機(jī)械清洗刷，常見溶劑、油品、酸堿腐蝕，生物侵蝕，鹽霧腐蝕等要求。

2.4 使用環(huán)境分析

失效車輛經(jīng)海運(yùn)和陸運(yùn)，暴露于弱酸弱堿性、高溫及中東細(xì)沙環(huán)境中。國內(nèi)清關(guān)前檢測正常，推測失效發(fā)生在海外運(yùn)輸或倉儲環(huán)節(jié)。

3 制定分析方案

3.1 采集樣品

選取中東失效車輛車門裝飾膜作為分析樣品（失效件1#、失效件2#、失效件3#），如圖1所示，樣品外觀失光、發(fā)霧。

（a）失效件1#

（b）失效件2#

圖1失效件外觀及測試點(diǎn)

選取同批次車門裝飾膜新膜片作為對照件，如圖2所示。樣品外觀光澤高光、顏色為鋼琴黑

圖2新膜片外觀

3.2 失效分析方案

對失效件進(jìn)行宏觀觀察、微觀形貌觀察、材料成分分析、故障層確認(rèn)、新膜片表面腐蝕模擬等，尋找造成失效可能原因。再通過調(diào)查故障車輛途徑環(huán)境，整理所有數(shù)據(jù)、分析過程和結(jié)論，形成完整的失效機(jī)理分析，提出改進(jìn)方案并驗(yàn)證，如表1所示。

3.3 分析儀器與設(shè)備

試驗(yàn)所需設(shè)備包括：掃描電子顯微鏡，美國FEIQuantaFEG650；顯微紅外光譜儀，ThermoScientificNICOLETIn10；X射線熒光光譜儀（XRF），ThermoFisherXL3t700s；電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀（ICP），SPECTROARCOSFHS16；離子色譜儀，Metrohm883；高低溫濕熱試驗(yàn)箱，ESPECSETH-Z-022UF；碎石沖擊試驗(yàn)機(jī)，翁開爾MTG。

3.4試驗(yàn)方法

3.4.1 表面形貌表征

根據(jù)JY-T0584—2020《掃描電子顯微鏡分析方法通則》3進(jìn)行樣件表面形貌觀察。

3.4.2 顯微紅外分析

根據(jù)GB/T6040—2019《紅外光譜分析方法通則》進(jìn)行樣件成分測試。

3.4.3 表層元素分析（XRF）

根據(jù)GB/T33352—2024《電子電氣產(chǎn)品中限用物質(zhì)篩選應(yīng)用通則X射線熒光光譜法》5測定樣件表層元素。

3.4.4硅含量測試（ICP）

根據(jù)HJ776—2015《水質(zhì)32種元素的測定電 感耦合等離子發(fā)射光譜法》測定樣件硅含量。

3.4.5 陰離子測試（IC）

根據(jù)HJ84—2016《水質(zhì)無機(jī)陰離子 （F^-，Cl^- 、NO^2-，Br^-，NO^3-，PO4^3-，SO3^2-，SO4^2-） 的測定離子色譜法》測定樣件陰離子含量。

3.4.6 細(xì)沙沖擊磨損

根據(jù)SAEJ400—2002《表面覆層的耐剝落試驗(yàn)》進(jìn)行細(xì)沙沖擊試驗(yàn)，細(xì)沙粒徑約為 1mm ，沖擊角度為 90^° ，氣壓設(shè)定為 0.05MPa 。沖擊后清理表面觀察樣品外觀，測量試驗(yàn)前、后樣品表面光澤和顏色，記錄光澤值 G（60^°） 和顏色值 L（45^°） ，計算失光率 f 和色差值 ΔL ，計算如下：

f=（G₀-G₁）/G₀ （1）

式中： G₀ 為試驗(yàn)前光澤值， G₁ 為試驗(yàn)后光澤值。

ΔL=L₁-L₀

式中： L₀ 為試驗(yàn)前顏色值， L₁ 為試驗(yàn)后顏色值。

4失效機(jī)理分析

4.1 宏觀觀察

4.1.1 表面擦拭

檢查中東路試返回車輛后發(fā)現(xiàn)，其表面含有大量細(xì)沙，采用干紙巾擦拭裝飾膜，表面沿擦拭方向呈明顯的豎紋擦傷痕跡（圖3），與失效件故障現(xiàn)象不符，排除車輛擦拭影響。

圖3采用干紙巾擦拭后表面狀態(tài)

4.1.2 表面臟污附著

調(diào)查失效車輛發(fā)現(xiàn)，零件表面臟污，大量細(xì)沙、污漬堆積零件表面。使用強(qiáng)極性溶劑丙酮、乙醇擦拭清洗失效零件表面，表面無變化，如圖4所示。排除臟污附著因素。

圖4清洗失效零件表面

4.1.3 宏觀觀察

肉眼觀察失效件（圖1）的整體失效情況，樣品外觀失光、發(fā)霧，折痕、凸起為撕膜原因。對比之下，新膜片（圖2）外觀光澤高光、顏色鋼琴黑。分別在失效件1#、失效件2#、失效件3#上標(biāo)記2處、3處、1處關(guān)鍵失效區(qū)域。

4.2 微觀形貌觀察

通過掃描電子顯微鏡觀察失效區(qū)域和微觀結(jié)構(gòu)。圖5～圖8為失效件1#、失效件2#、失效件3#和新膜片的外觀面微觀形貌。失效件表面失光區(qū)域呈沖擊性機(jī)械性損傷形貌特征，局部可見類似隕石坑，無明顯刮擦痕跡、水漬樣痕跡、龜裂及粉化痕跡。

圖9為新膜片細(xì)沙沖擊后的外觀面微觀形貌，其表面微觀形貌與失效件失光區(qū)域相似，形貌呈沖擊狀機(jī)械性損傷特征。

圖5失效件1#外觀面微觀形貌

圖6失效件2#外觀面微觀形貌

圖7失效件3#外觀面微觀形貌

圖8新膜片外觀面微觀形貌

圖9新膜片噴沙后外觀面微觀形貌

圖10顯微紅外光譜層疊對比

4.3成分分析

4.3.1 顯微紅外光譜

對失效件1#、失效件2#、失效件3#、新膜片、噴沙后新膜片、濃硫酸腐蝕后新膜片的樣品共選取了9處部位進(jìn)行顯微紅外光譜分析，如表2所示，紅外光譜層疊對比如圖10（按表2順序排列）所示。以失效件2#的測試點(diǎn)3的譜圖為例進(jìn)行分析，可見在波長分別為 3 369.4cm^-1（N-H）?1 729.5cm^-1（C=O）? 1526.0cm-1（C-N-H）時，吸收峰同時存在，符合聚氨酯材料的特征，其他7處測試點(diǎn)紅外譜圖亦符合聚氨酯材料的特征。

各測點(diǎn)譜線的主要差異出現(xiàn)在波長為 1100～ 1000cm^-1 的范圍內(nèi)，吸收峰位置對比如表2所示。在波長為 1062.8cm^-1 處，新膜片顯示出-C-O-（碳氧鍵）弱吸收峰。失效件翻邊被遮蔽的部位、失效件外觀稍好的部位均與新膜片相似，均在波長為 1062cm^-1 附近出現(xiàn)-C-O-（碳氧鍵）弱吸收峰。相比之下，失效件1#和失效件2#的外觀嚴(yán)重失光部位（測試點(diǎn)1～測試點(diǎn)3）則在 1032.8cm^-1 附近出現(xiàn)了-Si-O-（硅氧鍵）強(qiáng)吸收峰。

圖11為新膜片與失效件1#的2個測試點(diǎn)的紅外光譜重疊對比，由圖11可知，在紅色虛線框區(qū)域內(nèi)，失效件的Si-O鍵強(qiáng)吸收峰與新膜片的C-O鍵弱吸收峰存在明顯差異。

圖11新膜片與失效件1#2個測試點(diǎn)的紅外光譜重疊對比

4.3.2 故障層確認(rèn)

如圖12所示，使用溫度為 220°C 的探針輕觸故障表面并拖動，只留下拖動的痕跡，表面未熔化，表明該表面為熱固性材料。表層聚氨酯涂層為熱固性材料，而中層PVC材料的熔點(diǎn)遠(yuǎn)低于220°C 。使用探針捅破表面，形成破洞，洞口邊緣出現(xiàn)材料熔融痕跡，邊緣表層有膜片狀翹起，表明在表層熱固性聚氨酯涂層下，有熱塑性PVC基膜。根據(jù)失效件推測，失效故障層為表面聚氨酯涂層。

圖12失效件1#在220℃探針試驗(yàn)后的顯微鏡圖 （×100 ）

圖13XRF測試結(jié)果

4.3.3 表層元素測試

分別對新膜片和故障件1#進(jìn)行XRF檢測，結(jié)果如圖13所示。新膜片探測不到氯元素，故障件1#的氯元素含量高達(dá) 36% ，原因?yàn)楣收霞韺佑袚p傷。 220^°C 探針試驗(yàn)后的顯微鏡圖（圖12）表明，該損傷位于表面的聚氨酯層，深度并未到達(dá)PVC層。聚氨酯層厚度有損傷減薄，類似隕石坑的位置可能有PVC層露出。新膜片和故障件1#均未檢測出Si元素。

4.3.4表面硅元素測試

取尺寸為 100mm×30mm 的失效件1#，用氫氟酸溶液浸泡消解 24h 后，使用ICP測試溶液中硅含量，結(jié)果表明，樣品溶液相比空白溶液，硅含量增加約 0.04mg/L 。失效件表面有硅元素殘留，但XRF元素分析未檢出硅元素，說明失效件表面局部有硅元素殘留，推測分布在類似隕石坑的位置。

4.3.5表面陰離子測試

對失效件進(jìn)行表面陰離子測試，取尺寸為30mm×30mm 的失效件2#，使用 4mL 去離子水浸泡表面 ^4h 后，使用離子色譜儀測試陰離子含量，結(jié)果表明，與空白溶液相比，浸泡后的溶液中氯離子含量增加約 13μg 。失效件表面有大量氯離子殘留，推測原因?yàn)楸韺泳植繐p傷，導(dǎo)致PVC層露出，或者是由于失效車輛經(jīng)歷過海運(yùn)高鹽環(huán)境。

4.3.6小結(jié)

失效件表面失光由含硅氧鍵（Si-O）的顆粒物沖擊所致，沖擊導(dǎo)致表面由光滑變?yōu)榇植冢鉂山档汀＞郯滨雍穸扔袚p傷減薄，類似隕石坑的位置可能有PVC露出。同時，沖擊物部分嵌入膜片表層，造成失效部位顏色變化。推測失效件表面失光可能與失效車輛在中東運(yùn)輸、儲存時經(jīng)歷的風(fēng)沙環(huán)境有關(guān)。下一步進(jìn)行新膜片表面腐蝕模擬驗(yàn)證，鎖定失效要因。

4.4表面腐蝕模擬

4.4.1 前期開發(fā)試驗(yàn)

在開發(fā)前期，膜片已按照標(biāo)準(zhǔn)開展了耐光老化 （1008h 、耐極限高溫（ 、耐鹽霧高溫高濕、耐常用溶劑（ 30% 硫酸、油品、清洗劑、鳥糞）、耐海運(yùn)消殺試劑（84消毒液、次氯酸、殺蟲劑）、非常規(guī)破壞（濃硫酸、氯氰菊表面腐蝕）等驗(yàn)證試驗(yàn)，均未出現(xiàn)與失效件相同的失光現(xiàn)象。

4.4.2非常規(guī)破壞（濃硫酸）

圖14所示為新膜片滴涂濃硫酸 35min 后，再使用清水沖洗后的外觀面微觀形貌，由圖可知，其表面有明顯的水漬樣痕跡和腐蝕形貌，與圖5失效件外觀面微觀形貌不一致，排除濃硫酸對膜片的非常規(guī)破壞。

圖14新膜片滴涂濃硫酸并清洗后的外觀面微觀形貌

4.4.3 高鹽環(huán)境腐蝕驗(yàn)證

該樣件在新車設(shè)計開發(fā)階段開展了鹽霧試驗(yàn)（ 49°C . 95%RH ， 5% 鹽溶液， 250h ），膜片無異常。現(xiàn)對膜片進(jìn)一步開展高鹽耐候試驗(yàn)。新膜片滴涂 50% 氯化鋅溶液經(jīng)過 168h 的高溫高濕中 80°C，80%RH ）環(huán)境后，表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，出現(xiàn)溶脹，膜片表面被破壞，但破壞現(xiàn)象（圖15）

與失效件失光現(xiàn)象（圖1）不一致。雖然在故障件膜片表面檢測到氯離子，但高鹽環(huán)境腐蝕試驗(yàn)未誘發(fā)類似失光現(xiàn)象，故排除高鹽環(huán)境腐蝕對膜片的影響。

圖15新膜片高鹽環(huán)境驗(yàn)證

4.4.4 風(fēng)沙侵蝕

故障車輛運(yùn)輸、停靠的區(qū)域主要為沙特市內(nèi)、海邊港口、保稅區(qū)等。沙特地區(qū)沙塵風(fēng)速較大，市內(nèi)實(shí)測風(fēng)速為 9.6m/s ，海邊港口風(fēng)速更高。保稅區(qū)曾出現(xiàn)大風(fēng)吹起圍欄砸壞車輛的事件，存在異常大風(fēng)環(huán)境。沙特阿拉伯沙漠沙樣的篩分分析顯示，約 60%～80% 的顆粒尺寸為 0.125～0.250mm （極細(xì)沙至細(xì)沙），如圖16所示。沙塵暴樣本中，約30%～50% 為粉沙級（尺寸低于 0.05mm ）。

圖16沙特阿拉伯沙漠沙樣的微觀形貌及粒徑

現(xiàn)推測失效件表面失光的原因?yàn)橹袞|風(fēng)沙侵蝕導(dǎo)致，按3.4.6節(jié)采用細(xì)沙沖擊儀對裝飾膜新膜片進(jìn)行沖擊試驗(yàn)，沖擊后新膜片的失光率為55.40% ，外觀磨損與失效件基本一致。經(jīng)對比，沖擊后新膜片的微觀形貌（圖9）與失效件1#～失效件3#微觀形貌圖（圖5～圖7）基本一致。沖擊后的新膜片與失效件紅外光譜圖層疊對比比較（圖10），均在波長為 1031.6cm^-1 附近出現(xiàn)了-Si-O-（硅氧鍵）強(qiáng)吸收峰。

考慮到中東失效車輛的環(huán)境件（高光黑塑料PMMA/ASA、車身漆、TPV彈性體）無異常。按照3.4.6節(jié)對環(huán)境件（高光黑塑料PMMA/ASA）進(jìn)行細(xì)沙沖擊試驗(yàn)，試驗(yàn)后測得失光率為 87.49% 比裝飾膜失光率（ 55.40% ）更高；但環(huán)境件沖擊面外觀變化不大，不易察覺（圖17），但裝飾膜表面嵌入較多沙塵，很難清除，對外觀影響較大。

圖17環(huán)境件細(xì)沙沖擊后外觀

4.5 根本原因綜合分析

針對中東失效車輛車門裝飾膜失光問題，通過宏觀觀察，排除表面臟污和錯誤擦拭的影響；再通過微觀形貌觀察、顯微紅外分析等初步推測失效件表面失光是由含硅氧鍵（Si-O）的顆粒物沖擊導(dǎo)致表面由光滑變?yōu)榇植凇⒐鉂山档停瑫r，沖擊物部分嵌入膜片表層，造成失效部位顏色變化；然后通過表面腐蝕模擬試驗(yàn)逐步排除光老化、極限熱老化、高鹽高溫高濕腐蝕、化學(xué)試劑腐蝕等環(huán)境的影響；最終通過細(xì)沙沖擊試驗(yàn)?zāi)M風(fēng)沙侵蝕環(huán)境，對新膜片進(jìn)行性能驗(yàn)證，沖擊后新膜片與失效件外觀、光澤損失、微觀形貌、紅外成分基本一致。推測失效車輛在中東運(yùn)輸、儲存時可能經(jīng)歷過沙塵暴，極細(xì)的沙塵不斷侵蝕車門裝飾膜，導(dǎo)致膜片表面磨損而失光，同時，部分沙塵嵌入膜片表層，造成失效部位顏色變化，造成外觀缺陷。

5 改進(jìn)方案及驗(yàn)證

根據(jù)分析結(jié)論，提出2種改進(jìn)方案，如表3所示。

通過細(xì)沙沖擊模擬試驗(yàn)評估以上方案的性能，試驗(yàn)后外觀如圖18～圖20所示，外觀測試結(jié)果如表4所示。裝飾膜細(xì)沙沖擊模擬試驗(yàn)結(jié)果與失效件形貌和顯微紅外分析結(jié)果一致，進(jìn)一步驗(yàn)證了風(fēng)沙沖擊為失效主要原因。方案1（裝飾膜 + 保護(hù)膜）失光率最低 （2.71%） ），色差值為0.11，綜合性能最優(yōu)，但裝飾膜與保護(hù)膜兼容性待評估。方案2（細(xì)皮紋膜）表面有一定失光，反差不明顯，但外觀光澤較低，感知質(zhì)量降低。

圖18裝飾膜細(xì)沙試驗(yàn)前、后外觀

圖19方案一（裝飾膜 + 保護(hù)膜）細(xì)沙試驗(yàn)前、后外觀

圖20方案二（細(xì)皮紋膜）細(xì)沙試驗(yàn)前、后外觀

表4各方案失光率和色差值比較

6 結(jié)束語

本文對車門立柱裝飾膜失光問題進(jìn)行系統(tǒng)分析，通過微觀形貌觀察、紅外光譜分析及腐蝕模擬試驗(yàn)等方法，證實(shí)損傷主要發(fā)生在聚氨酯涂層表面，確定了中東地區(qū)失效件失光的主要原因?yàn)楹柩蹑I顆粒物的沖擊損傷，與當(dāng)?shù)仫L(fēng)沙環(huán)境密切相關(guān)。為此，提出了2種改善方案，其中，裝飾膜加保護(hù)膜的方案保護(hù)效果最佳，在模擬試驗(yàn)中僅產(chǎn)生 2.71% 的失光率和0.11的色差，但該方案保護(hù)新車效果較好，終端客戶使用時需移除保護(hù)，使用一段時間后，光亮度會略有降低。

未來可進(jìn)一步探索更耐用的涂層材料，或開發(fā)具有自修復(fù)功能的表面處理技術(shù)，以提升汽車外飾件在惡劣環(huán)境下的長期耐久性，同時應(yīng)考慮制定風(fēng)沙環(huán)境模擬試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，完善外飾件驗(yàn)證體系，建議在車輛出口前，針對目的地環(huán)境特點(diǎn)進(jìn)行更全面的適應(yīng)性評估和制定預(yù)防性保護(hù)措施。

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