基于車用塑料專利產(chǎn)品使用壽命的評(píng)估與研究

張毅 王夢(mèng)雅

（國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作河南中心，河南鄭州 450002）

基于車用塑料專利產(chǎn)品使用壽命的評(píng)估與研究

張毅 王夢(mèng)雅

（國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作河南中心，河南鄭州 450002）

本文主要對(duì)汽車上采用的各種塑料的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)進(jìn)行介紹，從塑料的壽命評(píng)估方法和塑料的壽命評(píng)估過(guò)程兩方面對(duì)塑料的壽命進(jìn)行預(yù)測(cè)，發(fā)掘車用塑料領(lǐng)域的新材料，為我國(guó)汽車塑料領(lǐng)域的研究提供一定參考。關(guān)鍵詞：塑料；汽車；壽命；評(píng)估

1 引言

目前，世界汽車材料技術(shù)的發(fā)展越來(lái)越傾向于輕量環(huán)保，汽車用塑料的優(yōu)良特性受到與日俱增的青睞。據(jù)測(cè)算，汽車自身質(zhì)量每減輕10%，燃油消耗就可降低6%～8%[1]。就抗沖性能而言，單位質(zhì)量塑料絲毫不輸于金屬。在現(xiàn)代汽車制造業(yè)中，為了大幅減輕撞擊時(shí)對(duì)人的身體傷害，提高汽車的安全系數(shù)，目前更多的使用可吸收震動(dòng)能量和沖擊能量的發(fā)泡塑料、彈性體制造汽車座椅、儀表板、頭枕等。塑料的特性表現(xiàn)在質(zhì)量輕、不會(huì)銹蝕、耐沖擊性好、透明度高、耐磨損性和絕緣性好、導(dǎo)熱性低，一般成型性及著色性好、加工成本低等［2］，在汽車設(shè)計(jì)中采用大量的塑料，可以綜合反映出對(duì)汽車設(shè)計(jì)性能的要求，塑料材料在汽車制造中創(chuàng)新應(yīng)用將會(huì)是最受到更多的關(guān)注和重視，在人們更加向往健康舒適環(huán)保安全的未來(lái)，塑料技術(shù)的發(fā)展將會(huì)受到更大程度依賴。

2 汽車上主要采用的塑料

2.1 聚烯烴制品

未來(lái)在汽車領(lǐng)域，高昂的有色金屬以及其他合金材料將會(huì)逐步被聚烯烴塑料制品取代，相應(yīng)地可以提高汽車設(shè)計(jì)的靈活性與造型的美觀，裝配與維修的費(fèi)用，而且還能大幅降低汽車的能源消耗。隨著汽車工業(yè)領(lǐng)域的日益蓬勃發(fā)展，車用聚烯烴塑料制品也將毫無(wú)疑問(wèn)地得到更多的需求。據(jù)分析，我國(guó)汽車消費(fèi)的各種聚烯烴制品總量到2010年將達(dá)到23萬(wàn)t，并將保持年均10%的增長(zhǎng)率［3］。汽車工業(yè)領(lǐng)域在未來(lái)將大量使用聚烯烴塑料制品，因?yàn)榫巯N材料性能較好、密度小、成本低，汽車工業(yè)領(lǐng)域近來(lái)有把汽車外飾和內(nèi)飾材料統(tǒng)一到聚烯烴塑料材料的傾向性，由此可以判斷，在將來(lái)其需求量必然會(huì)有更大的增長(zhǎng)。

2.2 聚氨酯在汽車行業(yè)的新運(yùn)用

聚氨酯材料越來(lái)越多的應(yīng)用于汽車行業(yè)，由于聚氨酯產(chǎn)品均勻性和耐磨性好，受到了許多汽車材料開(kāi)發(fā)商的關(guān)注和重視。目前，聚氨酯產(chǎn)品在汽車塑料中的用量約為20%，車用泡綿則達(dá)約60%。隨著汽車工業(yè)的迅速發(fā)展，聚氨酯產(chǎn)品的新用途自然會(huì)隨之日益突出。而且聚氨酯產(chǎn)品的應(yīng)用領(lǐng)域也十分廣泛，例如汽車的內(nèi)飾件和外飾件，包括隔音、儀表盤、坐墊、頭枕、頂棚襯里、遮陽(yáng)板、門板等內(nèi)飾件以及阻留板、保險(xiǎn)杠等外部構(gòu)件。由于聚氨酯良好的耐磨性、耐候性、彈性等等優(yōu)良特性，聚氨酯產(chǎn)品在汽車行業(yè)中還可以用于生產(chǎn)輪胎，例如，美國(guó)艾美萊輪胎公司與固特異輪胎橡膠公司合作研發(fā)的聚氨酯車用輪胎。相比于普通橡膠，聚氨酯的耐氣候、氣密性能更好，并且不易出現(xiàn)胎面剝落的現(xiàn)象。隨著生產(chǎn)工藝的不斷改進(jìn)，在不久將來(lái)會(huì)實(shí)現(xiàn)大量生產(chǎn)聚氨酯輪胎。

2.3 纖維增強(qiáng)塑料

纖維增強(qiáng)復(fù)合材料也稱玻璃鋼，是一種品種繁多、性能個(gè)別、用途廣泛的復(fù)合材料，它是由合成樹(shù)脂和玻璃纖維經(jīng)復(fù)合工藝制成的一種功能型新材料，是最重要的復(fù)合材料之一。其主要優(yōu)點(diǎn)是耐腐蝕性能好、介電性能好、熱性能良好、可設(shè)計(jì)性能、工藝性優(yōu)良，其主要缺點(diǎn)是彈性模量小、長(zhǎng)期耐溫性差。目前西歐纖維增強(qiáng)塑料的年用量已超過(guò)40萬(wàn)t，其中約50%應(yīng)用于汽車工業(yè)［4］。建筑業(yè)和汽車業(yè)是纖維復(fù)合材料十分重要的應(yīng)用市場(chǎng)，其中玻纖增強(qiáng)熱塑性塑料是最重要的汽車用纖維復(fù)合材料之一，現(xiàn)在玻璃纖維增強(qiáng)熱塑性塑料作為一種新型輕質(zhì)高強(qiáng)工程結(jié)構(gòu)材料，已廣泛應(yīng)用于汽車、機(jī)械、電器、輪船、建筑和航空航天等工業(yè)部門及高新技術(shù)領(lǐng)域［5］。我國(guó)正處于人口多、汽車工業(yè)發(fā)展快的階段，了解世界發(fā)展趨勢(shì)將有利于我國(guó)纖維增強(qiáng)塑料領(lǐng)域的發(fā)展。

3 塑料的壽命預(yù)測(cè)

塑料因其具有諸多優(yōu)良的性能而廣泛被關(guān)注，例如化學(xué)性能力、學(xué)性能、電性能等等。但是，塑料也存在嚴(yán)重的弊端——不耐老化，而且其老化機(jī)理特別復(fù)雜，老化主要原因也多種多樣，其中最常見(jiàn)的原因有氧及臭氧老化、光老化、生物降解、水降解等。因?yàn)槔匣瘷C(jī)理復(fù)雜，老化原因?qū)е碌牧W(xué)性能變化目前還難于直接研究，更多的是通過(guò)試驗(yàn)加以間接研究分析。目前的老化試驗(yàn)包括兩類，一是自然老化試驗(yàn),,二是人工加速老化試驗(yàn)。由于老化因素的多樣性、老化機(jī)理的復(fù)雜性，自然老化試驗(yàn)仍是目前最可靠和最重要的老化試驗(yàn)方法。但這種方法也客觀存在一些問(wèn)題，即費(fèi)時(shí)間又昂貴,獲得的試驗(yàn)數(shù)據(jù)有限。人們很難對(duì)塑料制品采用與實(shí)際使用貯存條件完全相同的狀況來(lái)獲得其老化數(shù)據(jù)。所以,較真實(shí)的模擬實(shí)際使用貯存情況的加速老化方法和壽命評(píng)估模型具有很重要的應(yīng)用價(jià)值。

目前，常用的老化測(cè)試包括：人工加速老化測(cè)試、人工氣候老化試驗(yàn)、氙弧燈老化試驗(yàn)、碳弧燈老化試驗(yàn)、紫外老化試驗(yàn)、濕熱老化試驗(yàn)、熱空氣老化試驗(yàn)、臭氧老化試驗(yàn)、二氧化硫老化試驗(yàn)、二氧化硫/臭氧試驗(yàn)、熱氧老化試驗(yàn)、自然氣候暴曬試驗(yàn)、材料貯存壽命推算、鹽霧測(cè)試、高低溫試驗(yàn)、液體介質(zhì)老化試驗(yàn)、戶外暴露試驗(yàn)、汽車零部件耐候性試驗(yàn)、用戶特定條件老化試驗(yàn)等等。

老化性能檢測(cè)包括：拉伸強(qiáng)度、撕裂強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度、壓縮強(qiáng)度、沖擊強(qiáng)度、粘結(jié)強(qiáng)度、熱變形溫度、維卡軟化溫度、熔融指數(shù)、氧指數(shù)、導(dǎo)熱系數(shù)、煙密度、表面電阻、體積電阻、擊穿電壓、電氣強(qiáng)度、光澤、熱應(yīng)力開(kāi)裂、環(huán)境應(yīng)力開(kāi)裂、透光率、霧度、燃燒性能、線膨脹系數(shù)、壓縮永久變形、氧化誘導(dǎo)期、低溫沖擊試驗(yàn)、霧化試驗(yàn)、介電強(qiáng)度、脆性溫度、耐熱指數(shù)、溫度指數(shù)、橡膠貯存性能等等。

3.1 壽命評(píng)估方法

選取四種（t1、t2、t3、t4、t5）或以上高溫環(huán)境，跟蹤測(cè)試樣機(jī)殼體材料的力學(xué)老化行為，建立樣機(jī)殼體材料的力學(xué)性能高溫老化規(guī)律，外推到常溫預(yù)測(cè)樣機(jī)殼體材料的使用壽命。

3.1.1 每個(gè)老化溫度，每次測(cè)試樣品數(shù)量不少于6個(gè)(分子量測(cè)試為不少于4個(gè))。

3.1.2 按照試驗(yàn)大綱中有效數(shù)據(jù)選取的原則，舍去數(shù)據(jù)之間的差別大于10%及其以上的數(shù)據(jù)后，將剩下的數(shù)據(jù)進(jìn)行平均(此時(shí)，每一個(gè)溫度下，每一個(gè)時(shí)間點(diǎn)所生的數(shù)據(jù)均大于或等于4個(gè)；分子量為大于或等于4個(gè))，平均值為此次測(cè)量的有效值。

3.1.3 在整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中，每個(gè)老化溫度共有10組(包含殼體材料性能P的初始值)測(cè)量數(shù)據(jù)。

3.2 壽命評(píng)估過(guò)程

3.2.1 將各個(gè)老化溫度下測(cè)得的性能P值分別與時(shí)間作圖。按照試驗(yàn)大綱對(duì)殼體材料老化數(shù)據(jù)處理的方法，采用線性方程：

式中為Pt老化時(shí)間達(dá)到t時(shí)，性能P的值；

P0為老化性能P的初始值；

k為老化速率常數(shù)；

t為老化時(shí)間。

對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得到相關(guān)系數(shù)r。如果r值小于0.90，則舍去原始數(shù)據(jù)中偏離擬合曲線最嚴(yán)重的點(diǎn)，再進(jìn)行擬合。如此類推，直到r大于或等于0.90，此時(shí)，所得擬合曲線方程的斜率即為殼體材料在此老化溫度下的老化速率常數(shù)。

3.2.2 將各老化速率常數(shù)的對(duì)數(shù)值(即lnkt1、lnkt2、lnkt3、lnkt4、lnkt5)與1/T作圖，根據(jù)Arrihenius公式的對(duì)數(shù)形式：

式中A-頻率因子或Arrihenius指數(shù)；

E-活化能；

R-普世氣體常數(shù)；

T-絕對(duì)溫度。

可知，lnk與1/T符合線性關(guān)系，對(duì)圖中的曲線進(jìn)行線性擬合，得到相關(guān)系數(shù)r。

3.2.3 為了使保證老化壽命預(yù)測(cè)方程的準(zhǔn)確性，要求r值必須達(dá)到0.99以上。如果r值小于0.99，則舍去偏離擬合曲線最嚴(yán)重的點(diǎn)，再進(jìn)行擬合，如此類推，直到r值大于或等于0.99，得到擬合方程Y=a+bX。

3.2.4 根據(jù)a=lnA，-E/R=b，求得A及E的值。

3.2.5 將E和A值帶到Arrihenius方程:

k=Aexp(-E/RT)

求T＝293 K和298 K時(shí)，殼體材料的老化速率常數(shù)k20和k25。

3.2.6 將k20和k25帶入方程（1），得到殼體材料在20℃以及25℃下，性能P的老化方程：

3.2.7 P0為回歸的性能參數(shù)初始值，它與老化溫度有兩種關(guān)系，有以下兩種求法：①如果P0與老化溫度成線性關(guān)系，且經(jīng)顯著水平α＝0.2的相關(guān)性檢驗(yàn)線性成立，則P0可通過(guò)回歸分析求取。

如果P0與老化溫度不呈線性關(guān)系，每個(gè)溫度下的P0接近于某一定值，則把P0取為n個(gè)溫度下的平均值，即：

3.2.8 求得本試驗(yàn)的P0值以后，帶入到方程（3）和（4），根據(jù)國(guó)標(biāo)GB/T 20028-2005，取性

能P下降50%作為臨界值(即失效點(diǎn))，求得殼體材料在20℃以及25℃下的儲(chǔ)存壽命。

4 結(jié)論

本文主要對(duì)汽車上采用的各種塑料的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)進(jìn)行了介紹，從塑料的壽命評(píng)估方法和塑料的壽命評(píng)估過(guò)程兩方面對(duì)塑料的壽命進(jìn)行預(yù)測(cè)，發(fā)掘車用塑料領(lǐng)域的新材料，為我國(guó)汽車塑料領(lǐng)域的研究提供一定的參考。

［1］李軍，陳云霞，李中兵.汽車輕量化應(yīng)用技術(shù)探討［J］.汽車工藝與材料,2010（2）:12-17．

［2］倪紅.塑料在汽車上的運(yùn)用及汽車塑料零件成本構(gòu)成淺析［J］.中國(guó)科技信息，2008（19）:132-133．

［3］胡琪.車用聚烯烴產(chǎn)品商機(jī)凸現(xiàn)［J］.工程塑料應(yīng)用, 2003，31（11）:38-38.

［4］王莉莉,高國(guó)強(qiáng),李松.國(guó)外汽車用復(fù)合材料近況與發(fā)展趨勢(shì)［C］.玻璃鋼學(xué)會(huì)第十六屆全國(guó)玻璃鋼/復(fù)合材料學(xué)術(shù)年會(huì)論文集.2006，277-281.

［5］王德喜.玻纖增強(qiáng)熱塑性塑料技術(shù)發(fā)展概況［J］.塑料技術(shù)2013，31（增刊）:27-30.

The Evaluation and Research on Service Lifeof Automotive Plastics

Zhang Yi WangMengya
(Patent Examination Cooperation Henan Centerof the Patent Office SIPO,Zhengzhou Henan 450002)

In this paper,the advantages and disadvantages of various plastics used in automobiles are introduced. The lifeexpectancy ofplastics is forecasted from two aspects:the lifeevaluationmethod ofplastic and the lifeevaluation of plastic.The newmaterials in automotive plastics field are excavated.Aiming at providing some suggestions to theevaluation and research on service lifeofautomotive plastics.

plastics;automotive;service life;evaluation

U465

A

1003-5168（2017）01-0051-03

2016-12-28

張毅（1988-），男，碩士，審查員，研究方向：材料領(lǐng)域發(fā)明專利申請(qǐng)的實(shí)質(zhì)審查；王夢(mèng)雅（1989-），女，碩士，審查員，研究方向：材料領(lǐng)域發(fā)明專利申請(qǐng)的實(shí)質(zhì)審查（等同于第一作者）。