汽車(chē)高分子材料老化分析

陳浩

（中國(guó)第一汽車(chē)股份有限公司天津技術(shù)開(kāi)發(fā)分公司）

排放法規(guī)的加嚴(yán)與新能源汽車(chē)的興起，將人們的目光更多地聚焦于汽車(chē)制造業(yè)的輕量化，汽車(chē)材料也由原來(lái)單一使用金屬材料，逐漸向新型金屬、非金屬與合成材料共用過(guò)渡。紡織品、塑料與橡膠等高分子材料在汽車(chē)上的應(yīng)用案例越來(lái)越多，應(yīng)用范圍也不斷擴(kuò)大。隨著材料工藝的改進(jìn)與制品性能的提升，塑料與橡膠部件已經(jīng)逐漸從內(nèi)部裝飾部件擴(kuò)展到一些外部裝飾件。因此，對(duì)主機(jī)廠在塑料、橡膠等高分子材料的老化性能把控方面提出了更高的要求。老化試驗(yàn)是材料與產(chǎn)品性能可靠性試驗(yàn)的一部分，試驗(yàn)中應(yīng)盡可能還原產(chǎn)品實(shí)際使用環(huán)境中所涉及的各種因素，進(jìn)行相應(yīng)條件的試驗(yàn)，以實(shí)現(xiàn)先期驗(yàn)證。文章依據(jù)車(chē)型開(kāi)發(fā)經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)歸納了高分子材料老化的機(jī)理與主要試驗(yàn)方案，并提出了相應(yīng)的解決方案，以期可供汽車(chē)工程師借鑒。

1 老化現(xiàn)象主要失效模式

根據(jù)GB/T 32088—2015 標(biāo)準(zhǔn)的表述與汽車(chē)在實(shí)際使用過(guò)程中發(fā)生的變化，從性能管控角度分析老化現(xiàn)象，將其歸納為3類(lèi)[1]：

1）外觀的變化，包括出現(xiàn)污漬、斑點(diǎn)、銀紋、裂縫、噴霜、粉化、發(fā)黏、翹曲、收縮以及表面光澤的變化；

2）物理性能的變化，包括耐熱、耐寒等性能的變化；

3）力學(xué)性能的變化，包括拉伸強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度、剪切強(qiáng)度、沖擊強(qiáng)度等性能的變化。

2 高分子材料的老化機(jī)理

高分子材料在加工、貯存和使用過(guò)程中，由于受內(nèi)外因素的綜合作用，其性能逐漸變壞，以致最后喪失使用價(jià)值，這種現(xiàn)象就是老化[2]。根據(jù)老化機(jī)理，導(dǎo)致老化的因素主要包含以下4種[3]：

1）光老化：光照是導(dǎo)致高分子材料老化的主要因素，聚合物由于吸收光能而發(fā)生光化學(xué)反應(yīng)，使得材料性能劣化。雖然290～400 nm的波長(zhǎng)只占太陽(yáng)整個(gè)波長(zhǎng)輻射量的5%～6%，但光波的波長(zhǎng)越短，能量越高，對(duì)于化學(xué)鍵的破壞性也就越顯著，對(duì)塑料等高分子材料的破壞作用就越大。

2）熱老化：高溫不僅會(huì)破壞共價(jià)鍵，使大分子發(fā)生裂解，還會(huì)引起大分子間的交聯(lián)。高溫還會(huì)加速高分子化合物的氧化，從而加速聚合物材料的熱老化。

3）氧化：大氣中的氧或臭氧會(huì)氧化高分子材料，導(dǎo)致分子鏈斷裂，從而發(fā)生老化現(xiàn)象。一般情況下，高分子化合物的碳鏈不飽和相比碳鏈飽和的情況更容易被老化。

4）侵蝕：高分子材料在特定條件下也會(huì)受到侵蝕，導(dǎo)致性能劣化。以侵蝕類(lèi)型分類(lèi)，化學(xué)物質(zhì)污染和微生物霉變是最主要的2種表現(xiàn)形式。

在高分子材料老化的早期，老化過(guò)程緩慢，變化多發(fā)生在材料內(nèi)部，人眼不易觀察到外部的細(xì)微變化。在老化后期，由于降解產(chǎn)生羧基、羥基等發(fā)色團(tuán)，發(fā)生光化學(xué)反應(yīng)，加速了紫外光的吸收，進(jìn)一步加速高分子的降解和交聯(lián)速率。老化過(guò)程加速導(dǎo)致聚合物材料變色、開(kāi)裂，機(jī)械和物理性能降低，影響外觀質(zhì)量與使用安全。

3 高分子材料的老化試驗(yàn)

通過(guò)將材料與部件置于自然環(huán)境或特定條件下的人工模擬環(huán)境中，確定其各方面性能是否滿(mǎn)足工程目標(biāo)值，考察材料與產(chǎn)品對(duì)服役環(huán)境的適應(yīng)性和匹配性，以提前識(shí)別可能出現(xiàn)的外觀與性能變化，降低項(xiàng)目開(kāi)發(fā)風(fēng)險(xiǎn)，有效控制汽車(chē)內(nèi)外裝飾材料的抗老化性能。

3.1 耐候性試驗(yàn)

耐候性就是高分子材料暴露于日光、冷熱、風(fēng)雨等氣候條件下的耐久性。耐候性試驗(yàn)應(yīng)模擬車(chē)輛的真實(shí)使用環(huán)境，記錄試驗(yàn)各階段汽車(chē)外觀、顏色及性能的變化情況，對(duì)材料或制品的老化規(guī)律和特征進(jìn)行分析研究。但由于戶(hù)外暴露試驗(yàn)的氣候因素差異很大，不同地區(qū)、季節(jié)的試驗(yàn)環(huán)境存在顯著不同，典型氣候能代表材料及制品在相對(duì)惡劣情況下的適應(yīng)情況，但各氣候彼此間的試驗(yàn)結(jié)果無(wú)法進(jìn)行橫向比較。不同樣品在不同氣候下的敏感性也不盡相同，而且戶(hù)外試驗(yàn)周期漫長(zhǎng)，因此車(chē)型開(kāi)發(fā)過(guò)程中通常先期借助試驗(yàn)室加速老化模擬光長(zhǎng)期暴露作用來(lái)檢測(cè)材料的耐候性能。

耐候性試驗(yàn)主要包含以下3 種類(lèi)型：1）自然老化試驗(yàn)；2）試驗(yàn)室加速老化試驗(yàn)，通過(guò)模擬陽(yáng)光、溫度、濕度、降雨或凝露等氣候因素進(jìn)行短時(shí)間強(qiáng)化試驗(yàn)；3）太陽(yáng)跟蹤聚光加速暴露試驗(yàn)。

3.2 耐熱性試驗(yàn)

高溫是高分子材料發(fā)生老化反應(yīng)的重要影響因素之一，高溫會(huì)導(dǎo)致高分子材料分子鏈斷裂，從而產(chǎn)生自由基，形成自由基鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，導(dǎo)致聚合物發(fā)生降解和交聯(lián)，性能劣化[4]。

烘箱法老化試驗(yàn)是一種常用的檢測(cè)手段。在選定條件下將樣品放入烘箱，并定期檢查樣品的外觀和測(cè)試相關(guān)性能，以評(píng)估樣品的耐熱性是否滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。該試驗(yàn)通常用于塑料和橡膠的性能檢驗(yàn)。

3.3 濕熱試驗(yàn)

濕熱老化試驗(yàn)主要用于鑒定高分子材料在高溫、高濕環(huán)境下的耐老化性能。水蒸氣對(duì)高分子材料具有一定的滲透性，尤其是在高溫環(huán)境下，水分子的運(yùn)動(dòng)速率加快，滲透性更強(qiáng)，可以滲透進(jìn)材料體系中，隨著時(shí)間的推移，集聚形成水泡，原分子間的相互作用力減弱，使得材料性能劣化。

濕熱老化試驗(yàn)通常要求具備一定溫度（40～60 ℃）和較高的相對(duì)濕度（90%RH 以上）。雖然提高試驗(yàn)溫度有利于加速老化試驗(yàn)進(jìn)程，提高單位時(shí)間的測(cè)試效率，但如果測(cè)試溫度選擇過(guò)高，會(huì)導(dǎo)致材料性能破壞速度過(guò)快，不利于區(qū)分材料的優(yōu)劣，而且過(guò)高的溫度也脫離了實(shí)際使用環(huán)境，失去了測(cè)試意義。所以應(yīng)根據(jù)材料不同的服役部位，選擇合適的測(cè)試溫度。

3.4 抗霉試驗(yàn)

天然有機(jī)材料（如植物纖維、皮革等）最容易受霉菌破壞；合成材料（塑料、橡膠等）因?yàn)樵诩庸さ倪^(guò)程中會(huì)添加增塑劑、穩(wěn)定劑等成分，為微生物提供了生存環(huán)境，在潮濕環(huán)境中也容易生霉。霉菌引起的腐爛和老化嚴(yán)重影響制品的外觀質(zhì)量和使用體驗(yàn)，會(huì)引起用戶(hù)抱怨?？姑乖囼?yàn)應(yīng)根據(jù)其功能及成分特殊性，對(duì)不同的高分子材料選用各異的菌種進(jìn)行試驗(yàn)。本試驗(yàn)周期一般為28天。

3.5 耐寒試驗(yàn)

低溫對(duì)于塑料和橡膠制品的性能影響極大。聚合物的耐寒性是指它抵抗低溫引起性能變化的能力，耐寒試驗(yàn)可以鑒定高分子材料的低溫儲(chǔ)存和使用特性。本試驗(yàn)通常在-30～-40 ℃的環(huán)境下放置24 h，具體溫度與時(shí)長(zhǎng)視材料種類(lèi)與使用環(huán)境的情況確定。

4 預(yù)防與改進(jìn)措施

4.1 內(nèi)、外飾零件耐老化的技術(shù)要求

汽車(chē)內(nèi)外件設(shè)計(jì)人員應(yīng)具備必要的材料老化知識(shí)，合理確定零部件的老化性能，避免因要求過(guò)低而導(dǎo)致產(chǎn)品出現(xiàn)質(zhì)量問(wèn)題，也應(yīng)避免因要求過(guò)高而造成性能過(guò)剩。例如，地毯與備胎罩很少暴露在陽(yáng)光下，所以老化要求不需要定義得很高。在設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)該整體考慮零件在整車(chē)上的應(yīng)用位置，而不能僅僅依靠所用高分子材料本身的材料特性確定零部件的老化定義。

4.2 內(nèi)、外飾材料的選擇

根據(jù)各零部件的老化性能要求，綜合考慮零部件的其他各項(xiàng)功能性要求，選擇合適的材料種類(lèi)。老化性能的改善，應(yīng)以滿(mǎn)足設(shè)計(jì)過(guò)程中的性能指標(biāo)為前提，不能片面追求耐老化性能的提高。對(duì)于各項(xiàng)功能要求表現(xiàn)優(yōu)異，但耐老化性能存在不足的材料，可以嘗試加入光穩(wěn)定劑、防霉劑等助劑。當(dāng)前助劑應(yīng)用較廣，技術(shù)已經(jīng)成熟，對(duì)配方進(jìn)行適當(dāng)添加并不會(huì)明顯影響制品的使用性能。

4.3 耐老化性能的充分驗(yàn)證

在車(chē)型開(kāi)發(fā)過(guò)程中，需要從多維度充分地驗(yàn)證和評(píng)價(jià)內(nèi)、外飾零件的耐老化性能，否則存在不可控因素，車(chē)輛交付用戶(hù)使用后會(huì)產(chǎn)生較大的質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)。老化試驗(yàn)根據(jù)試驗(yàn)對(duì)象層級(jí)可以分為材料級(jí)、零部件級(jí)與整車(chē)級(jí)。

首先，測(cè)試過(guò)程中應(yīng)貼近實(shí)際的使用狀態(tài)與服役環(huán)境，不應(yīng)設(shè)定為同一測(cè)試條件，應(yīng)選取合適的測(cè)試條件，體現(xiàn)制品的差異性。例如：在進(jìn)行人工加速老化試驗(yàn)時(shí)，由于窗玻璃的透光性各不相同，內(nèi)飾部件的輻射環(huán)境與外飾件顯著不同，所以?xún)?nèi)飾件試驗(yàn)必須考慮車(chē)窗玻璃的影響。典型樣件如座椅、儀表板和轉(zhuǎn)向盤(pán)等，使用環(huán)境并不直接暴露在陽(yáng)光下，所以它們必須通過(guò)玻璃進(jìn)行測(cè)試。其次，考察層次要全面，從多維度和多級(jí)別進(jìn)行測(cè)試，因材料的耐候性與制品的耐候性并不是一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系，所以不僅要對(duì)材料進(jìn)行耐老化測(cè)試，還要從零部件以及整車(chē)的角度進(jìn)行評(píng)估以校正偏差，為材料級(jí)測(cè)試提供修正理論基礎(chǔ)。第三，試驗(yàn)方式要互相補(bǔ)充，因自然老化存在各種弊端，設(shè)計(jì)初期可以在試驗(yàn)室進(jìn)行人工加速老化測(cè)試，待到后續(xù)車(chē)型驗(yàn)證評(píng)價(jià)階段，再行開(kāi)展自然老化試驗(yàn)，兩者結(jié)果彼此驗(yàn)證，從時(shí)間與性能要求等維度建立企業(yè)級(jí)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。

4.4 生產(chǎn)過(guò)程的質(zhì)量監(jiān)控

即使在車(chē)型研發(fā)階段，材料與零部件通過(guò)了相關(guān)的老化性能測(cè)試，在生產(chǎn)過(guò)程中也需要加強(qiáng)過(guò)程質(zhì)量控制，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題及時(shí)反饋，研發(fā)、質(zhì)保與采購(gòu)各級(jí)聯(lián)動(dòng)、共同推動(dòng)，保證供應(yīng)商的材料和生產(chǎn)工藝等不發(fā)生變化。主機(jī)廠也應(yīng)及時(shí)對(duì)應(yīng)發(fā)生的性能質(zhì)量問(wèn)題，從而使產(chǎn)品質(zhì)量保持穩(wěn)定，并不斷積累經(jīng)驗(yàn)，提升產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力[5]。

5 結(jié)論

隨著汽車(chē)工業(yè)的發(fā)展，汽車(chē)輕量化水平的提高是大勢(shì)所趨。新型材料的研發(fā)、新興工藝的改進(jìn)，都將加速輕量化的發(fā)展進(jìn)程。人們?cè)陂_(kāi)發(fā)過(guò)程中不斷完善測(cè)試方法和檢測(cè)技術(shù)，老化測(cè)試技術(shù)愈發(fā)科學(xué)高效，加速了車(chē)用材料的發(fā)展?！鞍押线m的材料用在合適的地方”是汽車(chē)選材不變的思路。