汽車內(nèi)飾材料耐候性分析研究

邱均回，王受和，時宇

（中國電器科學(xué)研究院股份有限公司，工業(yè)產(chǎn)品環(huán)境適應(yīng)性國家重點實驗室，廣州 510663）

引言

工程塑料是汽車內(nèi)飾件最廣泛應(yīng)用的材料，始于上世紀(jì)50年代，60年代投入商品化的生產(chǎn)，70年代得以迅速發(fā)展，80年代進(jìn)入質(zhì)量輕強(qiáng)度高的復(fù)合材料，以聚合物合金，聚合物摻混物，聚合物復(fù)合物為代表的各種專用材料相繼出現(xiàn)，工程塑料從過去單一的內(nèi)飾件發(fā)展到當(dāng)今的各種零部件和功能件。隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，以減輕汽車重量，節(jié)約成本，提高競爭力為宗旨的工程塑料配件研究和開發(fā)正在不斷地深入發(fā)展。據(jù)統(tǒng)計，80年代國外平均每輛汽車使用的工程塑料90 kg，90年代達(dá)到130～140 kg。目前已達(dá)200 kg，約占家用轎車總重量的20 %。

1 影響高分子材料老化主要環(huán)境因素

在高分子材料的老化過程中，輻照、溫度、水分、氧氣、化學(xué)介質(zhì)等多種環(huán)境因素的共同作用[1]。其中老化機(jī)理如下[2-4]：

1.1 光和氧

通常光照在高分子材料表面后，其中一部分光被高分子材料吸收，被吸收的光會使高分子材料內(nèi)部的分子鏈破壞，從而使高分子材料老化，隨著時間的延長，材料老化程度逐步加深，近而產(chǎn)生顏色發(fā)黃、表面開裂、力學(xué)性能下降等現(xiàn)象。而氧氣主要是由于其可以氧化許多高分子材料，造成高分子降解或交聯(lián)，從而使高分子材料老化。此外，在光和氧氣都存在的環(huán)境下，光會加速氧氣對高分子的氧化作用[1]。經(jīng)研究表明，高分子材料的光老化，是在光和氧氣的共同作用下，高分子主鏈發(fā)生斷裂而產(chǎn)生的[5]。

1.2 溫度

分子運(yùn)動隨著溫度的升高而逐步加劇，高溫使得高分子材料降解或交聯(lián)加劇，而產(chǎn)生熱老化。通常大氣環(huán)境下，單純溫度因素造成的材料熱老化并不常見，通常需要其他因素的協(xié)同作用，比如光、氧等。研究表明，在持續(xù)較高溫度下，高分子材料分子鏈中的側(cè)鏈CH3-α處的碳碳鍵會發(fā)生斷裂［6]。

1.3 濕度或水分

大氣中的水分以不同的形式存在，主要有水蒸氣、降雨、降雪、冰雹等形式。水分通過化學(xué)和物理作用導(dǎo)致高分子材料的老化。水分對高分子材料的老化主要分為化學(xué)和物理作用。

化學(xué)作用主要是水分子引起的高分子材料分子鏈水解。因為高分子中的某些基團(tuán)易發(fā)生水解反應(yīng)，如酯基、酰胺基和腈基等。

高分子材料性能之所以發(fā)生改變主要是由于其主鏈發(fā)生斷裂，而該斷裂則由主鏈上的這些基團(tuán)發(fā)生水解造成。

物理作用主要體現(xiàn)在高分子材料吸水后，水分子的介入使得分子鏈之間相互作用力減弱，高分子材料的分子鏈段間的相對滑移阻力減小，引起高分子材料各項性能劣化［6]。

2 自然老化試驗

通常研究高分子材料耐老化性能，需要對其進(jìn)行老化試驗，其中的自然老化是極為重要的一種檢測方法，主要是將高分子材料直接暴露在自然環(huán)境下的一種方法，該方法是最可靠的老化方法，但其成本高、時間長[7]。

自然老化試驗主要用來研究自然環(huán)境中對高分子材料老化性能的影響因素。自然環(huán)境下研究高分子材料的自然老化規(guī)律和機(jī)理，可以為壽命預(yù)測提供重要的數(shù)據(jù)。

2.1 試驗材料

PP（共聚）：EPS30R，茂名石化； PC：141R，沙特基礎(chǔ)工業(yè)公司；PS：158K，揚(yáng)子巴斯夫。

2.2 自然老化試驗方法

按GB/T 3681-2000《塑料大氣暴露試驗方法》，分別在海拉爾、吐魯番、拉薩、瓊海（相關(guān)環(huán)境數(shù)據(jù)見表1）四個自然暴露試驗場開展PP 和PC 材料的自然大氣背板暴曬試驗，暴曬角為南向45 °，試驗期為三年，每三個月取一次樣，進(jìn)行力學(xué)性能（拉伸強(qiáng)度和沖擊強(qiáng)度）和光學(xué)性能（透光率和霧度）測試。

3 材料性能測試

力學(xué)性能在氣候老化試驗前后的變化是衡量汽車耐候性的重要指標(biāo)之一，本部分將主要對拉伸性能和沖擊性能這兩種力學(xué)性能進(jìn)行說明。

表1 相關(guān)地區(qū)環(huán)境數(shù)據(jù)

3.1 拉伸性能

拉伸性能測試是對試樣沿縱軸向施加靜態(tài)拉伸負(fù)荷，使其破壞。通過測定試樣的屈服力，破壞力，和試樣標(biāo)距間的伸長來求得試樣的屈服強(qiáng)度[8]。

拉伸性能測試后的主要性能指標(biāo)有：

拉伸應(yīng)力：試樣在計量標(biāo)距范圍內(nèi)，單位初始橫截面上承受的拉伸負(fù)荷。

拉伸強(qiáng)度：在拉伸試驗中，試樣直到斷裂為止，所承受的最大拉伸應(yīng)力。

汽車塑料件、橡膠件均可進(jìn)行拉伸性能測試，通常測試可應(yīng)用萬能材料試驗機(jī)進(jìn)行，依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)有：GB/T 1040、GB/T 528 等。

在拉伸性能測試中，觀察不同周期試樣拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線的變化對全面掌握試樣老化期間拉伸性能的變化十分有益。

在海拉爾、吐魯番、拉薩、瓊海（相關(guān)環(huán)境數(shù)據(jù)見表1）四個自然暴露試驗場開展PP 和PE 材料的自然大氣背板暴曬試驗，暴曬角為南向45 °，試驗期為三年，每三個月取一次樣，進(jìn)行拉伸強(qiáng)度測試。試驗結(jié)果如圖1～2所示：圖1 為PP 材料拉伸強(qiáng)度曲線圖，圖2 為PE 材料拉伸強(qiáng)度曲線圖。

從圖中可以看出，老化后的試驗樣品隨老化時間的延長，拉伸性能通常會下降，為確保老化前后數(shù)據(jù)的可比較，一般在選定拉伸速度時選用較小的拉伸速度，并前后保持一致。應(yīng)避免選用較高拉伸速度，這在老化早期可能符合標(biāo)準(zhǔn)要求，但到拉伸后期由于試樣變脆，較高的拉伸速度將無法正確反應(yīng)試樣的拉伸性能。

3.2 沖擊強(qiáng)度測試

沖擊性能測試是在沖擊負(fù)荷作用下測定試樣的沖擊強(qiáng)度。沖擊強(qiáng)度用于評價試樣抵抗沖擊的能力或判斷試樣的脆性或韌性程度。因此，沖擊強(qiáng)度也可稱為沖擊韌性。沖擊性能測試主要用于汽車上的塑料件和材料，塑料的沖擊韌性是一項重要的性能指標(biāo)，它反映了材料抵抗高速沖擊而導(dǎo)至破壞的能力。圖3 為簡支梁沖擊試驗示意圖。

簡支梁試驗主要是利用已知能量的擺錘經(jīng)一次沖擊破壞試樣，以沖擊前后擺錘的能量差確定試樣破壞時吸收的能量，并利用單位截面積所吸收的沖擊能表示強(qiáng)度。其中，沖擊方向以沖擊線為參考，而沖擊線則位于兩支座的中點處，如試樣需進(jìn)行缺口處理，則試驗時沖擊線應(yīng)正對試樣的缺口[9]。

簡支梁沖擊試驗結(jié)果的計算和表示為：

無缺口試樣簡支梁沖擊強(qiáng)度由式（1）計算得到，單位以kJ/m2表示。

圖1 PP 材料拉伸強(qiáng)度曲線圖

圖3 簡支梁沖擊試驗示意圖

式中：

a—無缺口試樣沖擊強(qiáng)度，kJ/m2；

A—試樣吸收的沖擊能量，J；

b—試樣寬度，mm；

d—試樣厚度，mm。

有缺口試樣簡支梁沖擊強(qiáng)度由式（2）計算得到，單位以kJ/m2表示。

式中：

ak—缺口試樣沖擊強(qiáng)度，kJ/m2；

Ak—缺口試樣吸收的沖擊能，J；

b—試樣寬度，mm；

dk—試樣厚度，mm。

簡支梁沖擊試驗時，為準(zhǔn)確反應(yīng)出老化對沖擊性能的影響，試驗樣品的暴露面應(yīng)背對擺錘，而非暴露面背對擺錘將獲得完全不同的測試結(jié)果。

在海拉爾、吐魯番、拉薩、瓊海四個自然暴露試驗場開展PP 和PE 材料的自然大氣背板暴曬試驗，暴曬角為南向45 °試驗期為三年，每三個月取一次樣，進(jìn)行沖擊強(qiáng)度測試。試驗結(jié)果如圖4～5 所示：圖4 為PE 材料沖擊強(qiáng)度曲線圖，圖5 為PP 材料沖擊強(qiáng)度曲線圖。

從圖中可以看出，老化后的試驗樣品隨老化時間的延長，沖擊強(qiáng)度通常會下降，PE 材料下降得比較線性，程直線下降，到了15 個月后失效。PP 材料在第3 個月有一個回升過程，也在15 個月后失效。

3.3 透光率和霧度測試

按照 GB/T 2410-2008《透明塑料透光率和霧度的測定》，用WGT-S 透光率/霧度測定儀測試PS 透光率和霧度。測試前預(yù)熱 1 h，每組 5 個試樣，試樣尺寸為 50 mm×50 mm×2 mm，以百分?jǐn)?shù)表示透光率和霧度，由以下公式進(jìn)行計算：

式中：

Tt—透光率；

H—霧度；

T1—入射光通量；

T2—通過試樣的總光通量；

T3—儀器散色光通量；

T4—儀器和試樣的散色光通量。

在海拉爾、吐魯番、拉薩、瓊海四個自然暴露試驗場開展PS 材料的自然大氣背板暴曬試驗，暴曬角為南向45 °，試驗期為一年，每一個月取一次樣，進(jìn)行透光率和霧度測試。試驗結(jié)果如圖6～7 所示：圖6 為PS 材料透光率曲線圖，圖7 為PS 材料霧度曲線圖。

圖4 PE 材料沖擊強(qiáng)度曲線圖

圖5 PP 材料沖擊強(qiáng)度曲線圖

從圖中可以看出，老化后的試驗樣品隨老化時間的延長，PS 材料的透光率衰減比較線性。PS 材料的霧度衰減得比較平緩。

圖6 PS 材料透光率曲線圖

圖7 PS 材料霧度曲線圖

4 結(jié)論

通過工程塑料在我國四個典型地區(qū)開展自然加速爆曬試驗，獲得了PP、PE、PS 三類材料在不同地區(qū)的力學(xué)性能和光學(xué)性能數(shù)據(jù)，對試驗數(shù)據(jù)時行統(tǒng)計分析，得到以下結(jié)論。

1）三類材料的力學(xué)性能均隨老化時間的延長而明顯退化，其中拉伸強(qiáng)度測試PE 較好，PP 較差。沖擊強(qiáng)度測試PP 較好，PE 稍差。

2）PS 材料通過透光率和霧度測試，PS 材料霧度較好，在一年的測試過程中變化無太大變化，衰減比較線性。PS 材料透光率比較差，基本上在測試3 個月后透光率超過50 %，均已失效。

3）汽車內(nèi)飾設(shè)計者應(yīng)該根據(jù)工程塑料的特性，在不同部位選擇不同的工程塑料，在滿足汽車內(nèi)飾要求同時，盡量節(jié)省成本，達(dá)到效益最大化。