免噴涂聚丙烯復(fù)合材料耐候性研究

劉 鑫，曾文波，張曉東，王 俊，王曉明，張舒寧

(1 中國電器科學(xué)研究院有限公司，廣東廣州 510663；2 通標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)服務(wù)有限公司廣州分公司，廣東廣州 510663)

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免噴涂聚丙烯復(fù)合材料耐候性研究

劉 鑫1，曾文波1，張曉東1，王 俊1，王曉明2，張舒寧2

(1 中國電器科學(xué)研究院有限公司，廣東廣州 510663；2 通標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)服務(wù)有限公司廣州分公司，廣東廣州 510663)

選擇四種不同顏色的免噴涂聚丙烯材料，分別在瓊海濕熱氣候、拉薩高原氣候和海拉爾寒冷氣候進(jìn)行大氣暴露試驗(yàn)，監(jiān)測不同氣候的環(huán)境條件參數(shù)(溫度、濕度及太陽輻照)，通過評價(jià)材料的光澤和色差，體現(xiàn)不同環(huán)境下材料的老化行為。研究結(jié)果表明：免噴涂材料具有較好的耐老化性能，但較差的耐刮性是其在汽車行業(yè)應(yīng)用的短板；太陽輻照是造成高分子材料老化的主要原因，但也不能忽視溫濕度及其他環(huán)境因素的協(xié)同作用。

免噴涂，自然環(huán)境，老化行為，耐候性，光澤，色差

免噴涂材料是在原料里事先加好帶顏色的金屬粉，直接注塑、無需噴涂就能實(shí)現(xiàn)多彩外觀效果的材料，在日用品的包裝、各種家電外殼及汽車的內(nèi)外飾等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用[1]。免噴涂復(fù)合材料作為一種進(jìn)行一次成型的材料，不僅給所生產(chǎn)的產(chǎn)品提供良好的外觀，同時(shí)省去了“噴涂”環(huán)節(jié)，可以避免油漆及噴漆過程產(chǎn)生的VOC，減少環(huán)境污染、降低了能源的耗費(fèi)和成本[2]。然而，免噴涂材料的金屬顏料對剪切力特別敏感，成型工藝如螺桿組合、加工溫度等對最終產(chǎn)品的表面效果至關(guān)重要[3]。此外，免噴涂材料的表面摩擦力更大，也更容易刮劃。對耐刮劃性能有著苛刻的要求的汽車企業(yè)來說，免噴涂材料存在軟肋。免噴涂材料的耐候性也有待進(jìn)一步研究[4-5]。因此，本文選擇了四種不同顏色的免噴涂PP材料分別在瓊海濕熱氣候、拉薩高原氣候和海拉爾寒冷氣候中進(jìn)行大氣曝露試驗(yàn)，研究免噴涂材料的光澤、色差性能的變化，考察材料在不同氣候條件下的耐候性。

1 試驗(yàn)

1.1 主要原材料

免噴涂聚丙烯(PP)復(fù)合材料；規(guī)格：60mm×80mm；生產(chǎn)廠家：金發(fā)科技股份有限公司；F：白色，L：銀色，O：金色，P：藍(lán)色。

1.2 主要設(shè)備

便攜式分光色差儀(X-Rite948)，美國愛色麗色彩科技有限公司；微型多角度光澤儀(byk 4430 mrco-tri-gloss)，德國BYK公司。

1.3 塑料自然暴露試驗(yàn)

GB/T 3681-2011《塑料 自然日光氣候老化、玻璃過濾后日光氣候老化和菲涅耳鏡加速日光氣候老化的暴露試驗(yàn)方法》，朝南傾斜45°，試驗(yàn)站點(diǎn)：海南瓊海、西藏拉薩、內(nèi)蒙古海拉爾，曝露試驗(yàn)時(shí)間：2015-05-15～2016-05-15。

表1 試驗(yàn)站點(diǎn)位置及環(huán)境特征Table 1 Location and environmental characteristics of natural exposure sites

1.4 測試與表征

依據(jù)ASTM D523-2014《鏡面光澤度的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法》測試塑料表面鏡面光澤度(60°)；依據(jù)GB/T 11186.2《涂膜顏色的測量方法》選擇Hunter L，a，b模式，D65光源，10°視角，去除鏡面反射幾何學(xué)測試塑料的色差。

2 結(jié)果及分析

2.1 免噴涂材料的光澤

免噴涂材料可選用特殊的原料及助劑實(shí)現(xiàn)高光澤、多顏色亮麗外觀，但是相較于噴涂層，相同硬度下，免噴涂材料的表面摩擦力更大，也更容易刮劃[4]，導(dǎo)致材料光澤的變化。圖1是四種免噴涂材料在瓊海濕熱、海拉爾寒冷和拉薩高原自然環(huán)境下的光澤變化。結(jié)果顯示，四種材料在不同的環(huán)境中，光澤度均有下降，其中瓊海濕熱環(huán)境中，材料光澤度下降最快，經(jīng)過一年的曝曬，失光率超過60%；海拉爾和拉薩材料的光澤保持率較好，但仍有20%～50%的失光率。這四種材料用于汽車用非金屬外飾件材料時(shí)，較難達(dá)到合格的要求(大眾汽車標(biāo)準(zhǔn)VW 50185中要求老化后光澤損失率小于10%)。瓊海地區(qū)由于常年高溫高濕，雨水較多，材料受多種環(huán)境因素影響，材料表面的老化較為嚴(yán)重，雨水容易侵蝕表面導(dǎo)致失光率較高；而材料在海拉爾和拉薩地區(qū)受到的環(huán)境影響較弱，材料表面老化效果較弱，且雨水較少，材料表面多為老化造成的龜裂和少量的雨水侵蝕，失光率較低。

(a)Qionghai

(b)Hailar

(c)Lhasa

2.2 免噴涂材料的色差

顏色變化是高分子材料老化的一個重要特征，同時(shí)也是考察材料綜合耐候性的重要指標(biāo)[6-7]。圖2是四種不同顏色的免噴涂PP材料在不同環(huán)境條件下老化過程中的色差變化。結(jié)果表明，在濕熱氣候環(huán)境中，色板O、P色差變化明顯，經(jīng)過一年的老化，色板O色差大于3.0，色板P亦有繼續(xù)增大的趨勢，色板F、L則變化平緩，說明色板O、P耐濕熱氣候性能較差；在寒冷氣候環(huán)境中，色板色差變化較為平緩，材料耐寒冷氣候性能較好；在高原氣候環(huán)境中，色板F變化較為明顯，色差接近3.0，高于其他色板，說明色板F耐高原氣候性能較差。綜合三地材料的老化結(jié)果，色板L色差均在1.0以下，環(huán)境適應(yīng)性較好，有較大的應(yīng)用范圍。材料顏色的變化與材料老化程度和著色劑的流失及分解有關(guān)。免噴涂材料的一個重要特征是加入帶顏色的金屬粉使材料自帶顏色，此工藝的缺陷在于金屬粉末可以作為基體材料的分解催化劑，加速材料降解。金屬著色劑可作為材料老化的催化劑而加速材料的老化，加上著色劑的流失與分解，發(fā)生顏色的變化。

(a)Qionghai

(b)Hailar

(c)Lhasa

2.3 老化影響因素分析

高分子材料在自然環(huán)境條件下的老化受太陽輻照、溫度和濕度的影響，影響高分子材料性能的主要因素隨環(huán)境條件的變化而變化[8-10]。圖3是瓊海、海拉爾和拉薩三地2015年6月至2016年5月之間輻照、溫度和濕度的變化。從圖中可以看出，免噴涂材料在不同地區(qū)受到不同自然環(huán)境條件的沖擊。瓊海地區(qū)屬典型的濕熱環(huán)境，具有較高的溫濕度，高分子材料同時(shí)受太陽輻照、溫度和濕度的影響，對高分子材料性能產(chǎn)生較為顯著的影響。海拉爾地區(qū)年太陽總輻照量與瓊海接近，但海拉爾地區(qū)平均溫度較低，高分子材料在此處主要受低溫沖擊；拉薩地區(qū)溫度和濕度適中，由于海拔較高，空氣稀薄，紫外線強(qiáng)烈，總太陽輻照量大于其他兩地，高分子材料受太陽輻照的影響較大。

(a)Irradiation dose(45°) (b)Temperature

(c)Relative humidity

根據(jù)圖形特征，將免噴涂材料的色差變化分為兩個階段：第一階段為第0～2個月，第二階段為第3～12個月，分別對兩個階段進(jìn)行擬合，斜率即為材料的老化速率，如表2所示。結(jié)果顯示，第一階段免噴涂材料老化速率均表現(xiàn)為迅速增大，且老化速率拉薩>海拉爾>瓊海。綜合環(huán)境條件對比，可以發(fā)現(xiàn)材料色差的變化與累積太陽輻照規(guī)律相似，說明第一階段免噴涂材料老化的主要環(huán)境因素是太陽輻照。隨著老化的進(jìn)行，色板O、P較F、L老化速率快，這是因?yàn)樯錙、P中存在著色劑，著色劑的流失和分解造成顏色變化較為明顯。對比色板O、P在不同環(huán)境中的老化速率，結(jié)果表明在瓊海濕熱環(huán)境中老化更快。這是因?yàn)殡S著老化的進(jìn)行，太陽輻照的影響逐漸減小，與溫度和濕度等其他環(huán)境條件的協(xié)同作用更加明顯，表現(xiàn)為色差增大。

表2 免噴涂材料的老化速率Table 2 Aging rate of spray-free composites

3 結(jié)論

(1)四種免噴涂材料在瓊海濕熱環(huán)境中失光率超過60%，而在海拉爾寒冷環(huán)境和拉薩高原環(huán)境失光率在20%～50%之間，試驗(yàn)使用的免噴涂材料在濕熱環(huán)境中的適用性較差。

(2)進(jìn)一步分析四種免噴涂材料的色差性能表明，色板L具有較好的耐候性，經(jīng)過一年的老化，在濕熱、寒冷及高原氣候環(huán)境中色差小于1.0，具有制造合格汽車外飾件的潛力。

(3)太陽輻照是造成高分子材料老化的主要原因，但也不能忽視溫濕度及其他環(huán)境因素的協(xié)同作用。

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更正說明：

本刊2017年第2期發(fā)表的《負(fù)離子粘膠纖維/滌綸Sirofil混紡紗性能探討》一文中，第二作者燕群社單位更正為“咸陽紡織集團(tuán)有限公司”。

The Aging Behavior of Spray-free Polypropylene Composites

LIU Xin1，ZENG Wen-bo1，ZHANG Xiao-dong1，WANG Jun1，WANG Xiao-ming2，ZHANG Shu-ning2

(1 China National Electric Apparatus Research Institute Ltd.，Guangzhou 510663，Guangdong，China；2 SGS-CSTC Standards Technical Services Co.，Ltd.，Guangzhou 510663，Guangdong，China)

Four different colors of spray-free polypropylene composites were selected to expose in Qionghai damp heat environment，Lhasa plateau climate environment，Hailar cold climate environment respectively. Monitor different climatic environmental conditions parameters such as temperature，humidity and solar irradiation. Through estimating the gloss and chromatic aberration，the aging behavior of the materials under different environment was reflected. The results indicated that spray-free polypropylene composites had a better ageing-resistant performance，but poorer scratch resistance，which was the defect of its application in the automotive industry. The main reason of the high polymer material ageing was the solar irradiation，however，synergistic effect between temperature humidity and other environmental factors could not be neglected.

spray-free，natural environment，aging behavior，weather ability，gloss，chromatic aberration

曾文波，碩士，工程師，主要從事高分子老化研究；E-mail：zengwb@cei1958.com；Tel：020-32068059

TG 147