關于汽車內(nèi)飾塑料件氣候交變試驗的分析

王富貴，王 玉，張 影，王長余，賈曉彥

（長春富維-江森自控汽車飾件系統(tǒng)有限公司，長春 130033）

前言

耐候性能是評判汽車內(nèi)飾塑料零部件質量的重要指標之一，也是汽車零部件試驗必檢項目之一，特別是在一些環(huán)境比較惡劣、溫度變化范圍大、光照強烈的地區(qū)，塑料件的耐候特性更顯重要。[1]氣候交變試驗最大程度的模擬了溫度、濕度條件的變化，是重點試驗之一。氣候交變試驗的條件復雜，對設備能力要求很高；而且它是多循環(huán)試驗，試驗周期長，不僅會產(chǎn)生較高的試驗費用，也大大延長了產(chǎn)品驗證周期。然而，氣候交變試驗相對于高溫老化試驗的意義真的更大嗎？氣候交變試驗的循環(huán)個數(shù)有多有少，其設定的依據(jù)是什么呢？氣候交變試驗中是否應該有功能評價，其重要程度是怎樣的呢？這些都值得我們深入探討。

1 原理

1.1 高溫條件

在氣候試驗上，我們主要關注的是化學老化?；瘜W老化是由于組分內(nèi)部具有易引起老化的化學鍵，如不飽和雙鍵、支鏈、羰基、末端上的羰基等。聚合物的化學老化是按自由基化學反應機理進行的，是一個自動氧化過程。光輻射和溫度是以高能量的方式使得聚合物分子發(fā)生鏈斷裂，從而產(chǎn)生自由基。其包括以下三個階段：引發(fā)產(chǎn)生R·或RO2· 自由基；鏈增長 R·+O2→RO2·，R O2·+R H →R O O H+R·；鏈終長2 R·→R-R，RO2·+R·→ROOR ，2RO2·→非活性化合物，其中R代表高分子基團。[2]

1.2 溫濕條件

水汽對高分子材料具有一定的滲透能力，尤其是在熱的作用下，這種滲透能力更強，能滲透到材料體系內(nèi)部并積累起來形成水泡，從而降低分子間的相互作用，導致材料的性能劣化。濕熱老化試驗一般使用濕熱試驗箱，要求在 一定的溫度下（40℃～60℃），保持較高的濕度（90%RH以上）。[2]

1.3 低溫試驗

低溫狀態(tài)下，特別是玻璃化溫度以下（純PP的玻璃化轉變溫度為-10℃），分子運動的能量很低，不足以克服主鏈內(nèi)旋轉的位壘，因此不足以激發(fā)起鏈段的運動，鏈段處于被凍結的狀態(tài)，只有那些較小的運動單元，如側基、支鏈和小鏈節(jié)等才能運動，因此高分子鏈不能實現(xiàn)從一種構象到另一種構象的轉變，此時聚合物所表現(xiàn)的力學性質和小分子的玻璃差不多。當非晶態(tài)聚合物在較低溫度下受到外力時，由于鏈段運動被凍結，只能使主鏈的鍵長和鍵角有微小的改變，因此從宏觀上來說，聚合物受力后的形變是很小的。[3]低溫條件，主要考察樣件的耐沖擊性能。

2 氣候交變試驗的合理性

氣候交變試驗一般為高溫、低溫、溫濕條件的交變試驗。然而，為了驗證內(nèi)飾塑料件在自然條件下的耐候性能，真的有必要竭力去模擬實際的氣候嗎？要回答這個問題，必須再次明確氣候交變試驗的目的，它主要是為了驗證氣候交變試驗條件下，產(chǎn)品老化后其性能是否滿足設計要求。

從低溫條件的原理來看，低溫本身不以長時間作用來實現(xiàn)老化。熱脹冷縮的原理被認為可以引起尺寸上的變化，然而沒有證據(jù)表明這種影響在汽車內(nèi)飾塑料零部件氣候交變試驗中是一種顯著的影響。低溫條件是否適用于內(nèi)飾塑料件氣候交變試驗需要充分論證。

雖然水汽在高溫條件下滲透到了材料體系內(nèi)部，但緊接著的高溫干燥條件會不會使水汽從材料體系內(nèi)部擴散出來呢，減弱分子間相互作用的效果會不會消失呢？因此溫濕條件是否適用于內(nèi)飾塑料件氣候交變試驗需要充分論證。

采用對比的方法來對溫濕、低溫條件的必要性來進行驗證，見表1。需要注意的是要選擇所有的評價項進行對比，如尺寸、裂紋、顏色、硬化等，并需要對所有評價項進行量化（可觀察的現(xiàn)象是隨著整個氣候交變一直發(fā)生變化的），否則可能得到錯誤的判斷。

對比分析將得到以下四種結果：

1）對比組1有差異，對比組2無差異，則溫濕條件沒必要，低溫條件有必要，只需做高低溫交變試驗；

2）對比組1無差異，對比組2有差異，則溫濕條件有必要，低溫條件沒必要，可以去掉低溫條件；

3）對比組1無差異，對比組2無差異，則溫濕條件沒必要，低溫條件沒必要，沒必要做氣候交變試驗，只做高溫老化試驗即可；

4）對比組1有差異，對比組2有差異，則溫濕條件有必要，低溫條件有必要，氣候交變試驗有意義。

以上的四種結果中只有第四個結果支持現(xiàn)有氣候交變試驗方法，另外三種都否認現(xiàn)有氣候交變試驗的合理性。

3 氣候交變試驗與產(chǎn)品生命周期

以下將舉例說明氣候交變試驗并不能預測產(chǎn)品的實際生命周期，以及在這種情況下氣候交變試驗是如何實現(xiàn)其價值的。

將氣候交變試驗進行n個循環(huán)，它能代表產(chǎn)品的實際生命周期是多長呢？這個被認為是氣候交變試驗的意義，而事實上是無法實現(xiàn)的。舉例說明，選取一種產(chǎn)品，假設它在85個月的時候開始失效，在氣候交變試驗中經(jīng)過53個循環(huán)開始失效，因此認為1個循環(huán)代表85:53個時間生命長度。如果產(chǎn)品的設計生命周期是10年（120個月），那么就需要保證產(chǎn)品在120/（85:53）=75個循環(huán)前不失效。然而這一推斷不成立，原因有兩個：①老化不是勻速進行的 ；②一種產(chǎn)品所得到的比例，由于產(chǎn)品結構間的差別，無法應用到另一種新的產(chǎn)品中。

表1 溫濕、低溫條件必要性對比驗證條件

沒有規(guī)律可循，汽車制造商是如何規(guī)避產(chǎn)品在消費市場風險的呢？表2描述了四種常見的氣候交變試驗條件，可以發(fā)現(xiàn)各個標準溫濕度的設定值有不小的差別，每種條件的保持時間也有不小的差別，經(jīng)過這些標準驗證過的產(chǎn)品均沒有得到來自市場的大的抱怨。這主要是由于環(huán)境試驗的評價項是外觀上的，客戶很少在此方面遇到故障而產(chǎn)生大的抱怨。主機廠主要是要把產(chǎn)品做得比競爭對手的好。如何做得更好呢，只需要將試驗條件和評價標準設定得更苛刻。

4 氣候交變試驗與功能試驗

在實際使用過程中，功能試驗也是評判塑料零部件質量的重要指標之一。如雜物箱松動，副儀表板扶手鎖止失效，撥鈕操作力增加等問題，都會給我們的使用帶來很多麻煩。然而在試驗驗證的過程中，單單去做操作力、濫用力之類的試驗是不夠的，此類問題多出現(xiàn)在長時間使用的情況下。因此需要經(jīng)過疲勞試驗之后，再去驗證零件各項力學試驗才更有意義。

表2 氣候交變試驗條件對比[1]

對高分子疲勞性能產(chǎn)生影響的因素包括溫度和水分等，因此疲勞試驗在氣候交變條件下進行才能更有意義。

溫度和水分對疲勞性能的影響機理尚不明確，以下的說明將有助于理解二者的聯(lián)系。塑料在疲勞的過程中，主要是裂紋的變化使得整體性能發(fā)生了改變。銀紋是高分子材料區(qū)別于金屬材料的特有的損傷形式，是導致高分子材料與金屬材料疲勞性能明顯差異的根本原因，例如循環(huán)軟化現(xiàn)象、形式繁多的疲勞裂紋微觀擴展機制。裂紋的引發(fā)和擴展兩個階段有各自不同的特征。在周期性負荷初期，第一階段包括了銀紋產(chǎn)生和剪切屈服，從而產(chǎn)生了裂紋。第二個階段則為產(chǎn)生裂紋后的擴展乃至產(chǎn)生斷裂。

5 結束語

本文提出了驗證氣候交變試驗標準合理性的疑問，并給出了初步驗證的方法。這需要充分的試驗數(shù)據(jù)，同時更加合理的驗證方法會在具體試驗過程中得到改進。無論是哪一種結果，它將作為一個正確的選擇，來保證今后的研究工作是從一個正確的出發(fā)點出發(fā)的。對于產(chǎn)品生命周期的驗證方法，還有很大的改進空間。只有當我們掌握了更加有預知力的驗證技術，才會方便我們做更加有突破性的創(chuàng)新工作，這也是自主品牌搶先站領有利地位的機會。氣候交變試驗與功能試驗的充分結合需要一定的時間，消費者在此方面消費需求的提高將會大大加速這一進程。

[1]田永.汽車外飾塑料零部件的耐溫性試驗評述[J].上海汽車，2009.7.

[2]任圣平,張立.高分子材料老化機理初探[J].信息記錄材料，2004.4.

[3]何曼君,張紅東,陳維孝,董西俠.高分子物理第三版[M].北京：復旦大學出版社.2006.