聚碳酸酯（PC）有機玻璃的性能及其在輕量化車窗上應用的研究

楊文葉 王立 吳亮發(fā) 朱長春 李莉 顧鵬云

摘 要：聚碳酸酯（PC）以其獨特的光學性能和優(yōu)異的機械性能、質(zhì)輕、設(shè)計自由度高等特性已經(jīng)替代傳統(tǒng)無機玻璃廣泛應用于諸多車型的角窗、固定天窗等部位。本文制備了一款車型的PC有機玻璃后角窗，依據(jù)ECE R43標準對其光學性能、機械性能以及環(huán)境性能進行測試。試驗結(jié)果表明，PC有機玻璃后角窗各項性能均滿足或高于法規(guī)要求，并且較采用傳統(tǒng)無機玻璃單車減重36.7%。此外，PC有機玻璃優(yōu)異的抗沖擊性能對乘員安全和行人保護具有重大意義。

關(guān)鍵字：PC有機玻璃；輕量化；光學性能；機械性能；環(huán)境性能

中圖分類號：U462 文獻標識碼：A 文章編號：1671-7988（2018）17-143-04

Abstract： Polycarbonate （PC） with its unique characteristic of mechanical properties， light weight， design freedom features， are instead of traditional inorganic glass and widely used in many areas of automobile. In this paper， a PC organic glass of angle window was prepared， and tested the optical properties， mechanical properties and environmental properties， according to the standard of ECE R43. The results showed that all the performances of PC angle window achieved the requirements of laws and regulations. Meanwhile， comparing to traditional inorganic glasses， PC organic glasses can reduce more than 36.7% of weight. In addition， the excellent impact resistance of PC organic glass had a significant effect on occupant safety and pedestrian protection.

KeywordS： PC organic glass； Lightweight； Optical properties； Mechanical properties； Environmental performance

CLC NO.： U462 Document Code： A Article ID： 1671-7988（2018）17-143-04

前言

聚碳酸酯（PC）以其獨特的光學特性和優(yōu)異的耐熱性、耐低溫性、抗沖擊性和質(zhì)輕等特性[1]，正在對無機玻璃的傳統(tǒng)地位進行挑戰(zhàn)，逐漸成為汽車輕量化車窗理想的首選材料。1998年P(guān)C有機玻璃在Smart的全景天窗上首次問世，此后在多款車型車窗上得以量產(chǎn)應用，如Mercedes A/B/C/GL- class， Audi R8 GT， Porsche GT3RS， Citroen GS5， Honda Civic， Fiat 500L，Toyota Prius等。

歐美及日本PC玻璃的生產(chǎn)方式為雙色注塑及淋涂硬化，模具開發(fā)難度大，成本高，周期長，良率低，故此生產(chǎn)方式的必然結(jié)果即高昂的模具費和高的成品單價[2，3]。因此，PC有機玻璃一直無法在國內(nèi)汽車市場廣泛應用。不過近年來，國內(nèi)幾家PC車窗生產(chǎn)企業(yè)在吸取歐美及日本生產(chǎn)經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，結(jié)合國內(nèi)行業(yè)狀況及自身優(yōu)勢，已經(jīng)能夠自主開發(fā)出低成本，高性價比并可滿足車窗使用要求的PC有機玻璃。

傳統(tǒng)的無機玻璃分為鋼化玻璃和夾層玻璃（PVB膜）兩類，而PC有機玻璃則由涂層和PC基材構(gòu)成（圖1）。與無機玻璃相比，PC有機玻璃具有以下優(yōu)勢 [4，5]：（1）設(shè)計自由度高，功能整合；（2）韌性好，抗沖擊性能優(yōu)異；（3）PC比重：玻璃比重=1.2：2.5，減重效果明顯；（4）隔音效果優(yōu)異，可有效阻隔由風等產(chǎn)生的高頻噪聲；（5）可回收，循環(huán)利用，環(huán)保。但是，PC有機玻璃在耐候性、耐磨性、抗UV性能以及剛度方面差于無機玻璃，需要依賴涂層技術(shù)得以改善和提升。

汽車車窗玻璃是重要的安全部件之一，因此作為汽車車窗玻璃的PC材質(zhì)應滿足相應的法規(guī)要求。目前，隨著汽車技術(shù)的發(fā)展，各地法規(guī)的陸續(xù)健全，統(tǒng)計全球玻璃法規(guī)見表1。

根據(jù)歐美和日本的法規(guī)，考慮到事故逃生的整車安全需求，PC有機玻璃不能應用于前風擋玻璃；后角窗、后風擋玻璃窗、層疊式天窗固定部分和全景天窗是目前PC有機玻璃主要應用的部位[6]，應用實例列舉見圖2。

本文以某車型的后固定角窗為研究對象，由乙盛精密工業(yè)股份有限公司制備了PC有機玻璃后角窗并對其應用于汽車車窗的相關(guān)性能要求按照ECER 43標準進行檢測，以驗證PC有機玻璃在輕量化車窗上應用的可行性和突出優(yōu)勢。

1 PC車窗玻璃的制備及性能檢測

1.1 PC有機玻璃后角窗制備工藝

根據(jù)某車型后角窗的3D數(shù)據(jù)（圖3）制備PC有機玻璃后角窗，零件外形近似尺寸544mm×203.5mm×29.5mm，評估后設(shè)計PC基材厚度為4mm。

PC有機玻璃后角窗制備主要分為PC有機玻璃工藝和包邊注塑工藝，具體流程如圖4：

該車型的左、右后角窗采用無機鋼化玻璃制備成型的重量為2.85kg；采用PC材質(zhì)制備成型的重量只有1.803kg，較無機玻璃方案減重36.7%。

1.2 PC有機玻璃后角窗試驗項目及試驗標準

1.2.1 可見光透射比

依據(jù)標準：ECE R43 A3 9.1，平行光管的白熾燈光源，電壓保證其顏色溫度為2856±50 K，透鏡經(jīng)色差校正，焦距長≥500 mm，透鏡孔徑不超過f/20，調(diào)節(jié)透鏡和光源之間的距離以獲得基本平行的光束。

1.2.2 耐磨性

依據(jù)標準：ECE R43 A14 6.1，切取100mm×100mm的正方形樣品，中心安裝孔直接6.4±0.2mm，逆時針旋轉(zhuǎn)65～75 r/min，每個砂輪上施加500g壓力。

1.2.3 抗沖擊性

依據(jù)標準：ECE R43 A3 2，測試樣品待選10個，≥5塊試樣符合規(guī)定即合格，≤3塊試樣符合為不合格；4塊試樣符合時，追加6塊，全符合為合格。

1.2.4 人頭沖擊測試

依據(jù)標準：ECE R43 A14 4，模型頭的總質(zhì)量10.0+ 0.2/-0.0 kg，在基礎(chǔ)板的中心和重心安裝加速計，沖擊下落高度150cm，測量HIC值。

1.2.5 PVC包邊粘接強度

測試在室溫下進行，將試片切去后留下15mm長的一段，施加98N/10mm的拉力，拉力速度50mm/min，試片和鐵片不可有分離現(xiàn)象。

1.2.6 耐光老化

依據(jù)標準：ECE R43 A3 6.4，長弧氙燈暴露裝置提供連續(xù)的光和間歇的周期為 2 h 的水霧，分兩個階段：102 min試樣接受光照，無水霧；18 min光照和水霧同時進行。在長弧氙燈下的總紫外暴露量為500MJ/㎡，2350h，1175個循環(huán)，幅照度為60W/m2。

1.2.7 燃燒性能

依據(jù)標準：ECE R43 A3 10，將試樣水平固定在 U 形支架上，暴露于燃燒室低能火焰中15 s，火焰作用于樣品自由端，確定材料燃燒速率。

1.2.8 耐潮濕性

依據(jù)標準：ECE R43 A14 6.4，將試樣在封閉容器中垂直放置兩周，該封閉容器內(nèi)溫度保持50±2℃，相對濕度95±4 %。

2 試驗結(jié)果及討論

2.1 光學性能

2.1.1 可見光透射比試驗

依據(jù)ECE R43 A3 9.1可見光透射比試驗標準，取3個試樣進行可見光透射比試驗，結(jié)果如表2。

透光性是用于玻璃材料的基本特性，在光線由空氣層射入材料介質(zhì)中時，該材料介質(zhì)與空氣界面間的損耗是影響材料透光性能的因素之一。由PC有機玻璃后角窗可見光透射比試驗結(jié)果可以看出，PC材料的透光率>80%，與無機玻璃相當且高于法規(guī)要求，能夠滿足汽車對車窗透玻璃透光率的要求。

2.2 機械性能

2.2.1 耐磨性能試驗

依據(jù)ECE R43 A14 6.1耐磨性能試驗標準，取6個試樣分兩組，一組試樣的外表面做500圈測試后測霧度變化率，另一組試樣的內(nèi)表面做100圈測試后測霧度變化率，試驗結(jié)果如表3。

與傳統(tǒng)無機玻璃相比，PC材質(zhì)的耐磨性有明顯差距，這也是PC有機玻璃固有的劣勢，但是經(jīng)過表面的涂層工藝可得到改善和提升以滿足其應用于汽車車窗的使用要求。由表3顯示，試驗后樣品外表面霧度變化率均值8.22%≤10%，內(nèi)表面霧度變化率均值2.98%≤4%，均高于法規(guī)要求。

2.2.2 抗沖擊性能試驗

依據(jù)ECE R43 A3 2抗沖擊性試驗標準，分別取10個試樣在室溫和低溫（-18℃±2℃）下，用重227g，直徑38mm的硬質(zhì)鋼球，從3m的高度自由降落，測試結(jié)果如表4。

由PC有機玻璃后角窗抗沖擊性試驗結(jié)果可以看出，無論在常溫還是低溫環(huán)境下，10個試樣均無破碎，表明PC板材優(yōu)異的抗沖擊性能。有研究表明[7]，PC的抗沖擊強度比普通無機玻璃高250倍，一個重1kg的球狀物體以540km/h的速度撞擊15mm的PC玻璃不會擊碎。因此，在汽車發(fā)生碰撞尤其是在翻滾的情況下，PC有機玻璃優(yōu)異的抗沖擊性能可以防止車窗撞擊碎裂刺傷和乘員彈出窗外造成的人體傷害。

2.2.3 人頭沖擊性能試驗

依據(jù)ECE R43 A14 4人頭沖擊試驗標準，取6個試樣測試結(jié)果如表5。

人頭模型撞擊用來評價車窗玻璃在鈍物沖擊下是否具有最低強度或粘結(jié)強度。試驗的6個樣品測試結(jié)果顯示，試樣既無穿透也沒有被沖擊成完全分離的打碎片，并且HIC值分布在404～465，均值430，顯著低于法規(guī)要求HIC<1000。因此，PC有機玻璃在人頭沖擊方面能夠滿足應用于汽車角窗的要求，在人與車輛發(fā)生碰撞的時候，能夠起到行人保護的作用。

2.2.4 PVC包邊粘接強度試驗

依據(jù)試驗標準，取4個試樣進行PVC包邊粘接強度測試，結(jié)果如表6，試樣測試前后的試樣對比如圖5。

PC有機玻璃后角窗PVC包邊粘接強度測試結(jié)果顯示，4個試樣的最大拔脫力均值992.3N，明顯高于目標要求≥600N；由樣品測試前后的對比圖可見，PC有機玻璃后角窗PVC包邊無分離現(xiàn)象。因此，經(jīng)與傳統(tǒng)無機玻璃一致的包邊工藝，PC有機玻璃后角窗PVC包邊粘接強度完全滿足法規(guī)要求。

2.3 環(huán)境性能

2.3.1 耐光老化性能試驗

依據(jù)ECE R43 A3 6.4耐光老化試驗標準，取3個試樣測試透光率，然后進行耐光老化試驗。在進行1250h，1175個循環(huán)后測試試樣的透光率，試驗結(jié)果如表7。

由試樣結(jié)果可以看出，3個樣品經(jīng)耐光老化試驗后表觀無氣泡、顏色、混濁、脫落等現(xiàn)象；試驗前后的透光率比值均大于95%。因此，雖然PC材質(zhì)的耐光老化性能不如無機玻璃，但是經(jīng)過淋涂等工藝處理后得到改善和提升，能夠滿足應用于汽車車窗的法規(guī)要求。

2.3.2 燃燒性能試驗

依據(jù)ECE R43 A3 10燃燒性能試驗標準，取5個試樣進行燃燒性能測試，結(jié)果如表8。

由PC有機玻璃后角窗燃燒性能試驗結(jié)果顯示，5個試樣的燃燒速率均為0，滿足目標要求≤110 mm/min。因此，經(jīng)淋涂工藝處理后的PC有機玻璃是不燃制品，不存在燃燒方面的安全隱患，完全滿足車窗玻璃在燃燒性能方面的要求。

2.3.3 耐潮濕性能試驗

依據(jù)ECE R43 A14 6.4耐潮濕性試驗標準，10個試樣的測試結(jié)果如表9。

耐潮濕試驗是人工模擬氣候環(huán)境，主要檢驗車窗玻璃能否經(jīng)受一定時間的大氣濕氣作用。試驗選取10個試樣在設(shè)定的溫濕度環(huán)境作用后，外觀均未發(fā)生氣泡狀或乳濁狀的分解；試驗前后透光率比值分布在99.2%～99.8%，均值99.7%，滿足法規(guī)要求的≥95%。因此，PC有機玻璃優(yōu)異的耐潮濕性能保證了車窗即使在長期的潮濕環(huán)境下也能保持其優(yōu)異外觀質(zhì)量和良好的抗沖擊性能。此外，光學性能損耗微小不影響乘員的視野和自然光感透射情況。

3 結(jié)論

隨著PC材料性能的不斷提升，各地法規(guī)的陸續(xù)健全，生產(chǎn)工藝的逐步優(yōu)化，PC有機玻璃車窗技術(shù)日趨成熟，將成為汽車輕量化設(shè)計、節(jié)能減排、提升安全性能和美化造型的重要途徑之一。本文研究的某車型PC有機玻璃后角窗在滿足ECER 43法規(guī)要求的同時，實現(xiàn)整車減重1.05kg。PC材質(zhì)優(yōu)異的抗沖擊性能有利于提高整車安全性能，其固有的耐磨性、耐候性等難點也通過涂層技術(shù)得到提升，所制PC有機后角窗玻璃的各項性能均能滿足汽車車窗的法規(guī)要求，因此，PC有機玻璃能夠推廣且廣泛應用于汽車角窗。

致謝

感謝乙盛精密工業(yè)股份有限公司為本文所研究的產(chǎn)品及其試驗提供的技術(shù)支持！

參考文獻

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