汽車內(nèi)飾件用抗噪聲ABS材料的性能研究

郟 樑,李欣達,李文龍,張 彤

(1.上汽大眾汽車有限公司，上海 201805；2.上海金發(fā)科技發(fā)展有限公司，上海 201799；3.江蘇金發(fā)科技新材料有限公司,江蘇昆山 215300)

0 前言

丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(ABS)樹脂是由丙烯腈(AN)、丁二烯(BD)、苯乙烯(St)三種單體共聚而成的三元聚合物，其兼具了聚丙烯腈的機械強度、耐化學(xué)性、耐熱性，聚丁二烯的高抗沖擊性、耐延展性，以及聚苯乙烯的透明性、高流動性和良好的尺寸穩(wěn)定性，具有非常優(yōu)異的綜合性能[1-2]。另外，由于ABS樹脂上游原料易得、生產(chǎn)工藝成熟、價格相對低廉等特點，ABS樹脂被廣泛應(yīng)用在汽車內(nèi)飾行業(yè)，用于生產(chǎn)例如門板扶手、開關(guān)面板、杯托儲物盒、裝飾條等零件[3-4]。汽車內(nèi)飾件一般為卡扣裝配，兩個不同零件直接接觸的概率較大，在汽車行駛過程中由于抖動會引起相互摩擦，產(chǎn)生噪聲，在汽車內(nèi)部比較封閉和狹小的環(huán)境內(nèi)顯得尤為惱人，嚴(yán)重影響舒適度和駕乘體驗。目前，大多數(shù)廠家通過在塑料材料搭接位置采用毛氈包裹、涂覆潤滑油脂或者阻尼涂料等后處理方式[5-7]來控制異響，但是這些后處理會帶來裝配工序、人力、物力以及綜合成本的增加，且考慮到零部件的復(fù)雜不規(guī)則結(jié)構(gòu)，裝配質(zhì)量難以保證，最主要的是在汽車行駛高里程后(尤其是長時間暴露在高低溫環(huán)境下)，毛氈、潤滑油脂、涂料位置容易出現(xiàn)脫落或損失，導(dǎo)致控制異響的效果大幅衰減，異響出現(xiàn)頻次急劇增加。

通過外部輔助的方式控制車內(nèi)零部件摩擦異響效果有限，并非最優(yōu)的解決方案，而如果能夠獲得一種抗噪聲的材料用于生產(chǎn)此類零件，則可以從根本上解決摩擦異響問題。目前，國外已有材料廠家在開發(fā)此類材料，例如：日本的Techno公司推出了HUSHLLOY系列低摩擦雜音材料，通過在材料中添加摺動成分(一種特殊聚合物)可以更好地提高材料的摺動性能，抑制摩擦雜音的產(chǎn)生；西班牙Elix Polymers公司也開發(fā)出一系列ABS、聚碳酸酯(PC)/ABS的特種等級材料，可以減少塑料件與塑料件、皮革、聚氯乙烯(PVC)蒙皮以及其他零件之間相互接觸產(chǎn)生的噪聲。但是進口抗噪聲材料價格極其昂貴，且供應(yīng)較為受限，影響了其在國內(nèi)市場的推廣應(yīng)用。目前，國內(nèi)材料供應(yīng)商也有一些關(guān)于此類材料的研究，例如：重慶普利特新材料有限公司報道了一種耐磨、輕質(zhì)、低噪聲汽車內(nèi)飾用ABS復(fù)合材料及其制備方法[8]，通過在ABS樹脂中添加聚酰胺(PA)樹脂，使制備的ABS復(fù)合材料具有耐磨和自潤滑的效果以具有一定的降噪性能；上海長偉錦磁工程塑料有限公司報道了一種降噪和高強度的PC/ABS合金[9]，在-20～40 ℃的使用條件下，該材料保持了優(yōu)異的降噪性能，提高了汽車的整體品質(zhì)；上海錦湖日麗塑料有限公司選擇聚氨酯作為消聲降噪改性劑，提高了材料的阻尼系數(shù)，降低了材料在摩擦過程中的噪聲[10]。

總體看來，國內(nèi)抗噪聲材料還處于前期預(yù)研究和開發(fā)階段，缺少在實際項目汽車內(nèi)飾具體零部件中的應(yīng)用和驗證。金發(fā)科技股份有限公司在低噪聲材料方面已有較多研究成果[11-13]，筆者利用上汽大眾汽車有限公司優(yōu)秀的材料評估和應(yīng)用平臺資源，以及豐富的汽車零部件開發(fā)經(jīng)驗，通過向基體樹脂中添加降噪助劑和有效的配方優(yōu)化設(shè)計，經(jīng)過大量實驗驗證，系統(tǒng)評估了材料和制成零部件的力學(xué)性能、耐熱性能、耐光老化性能及抗噪聲特性，成功開發(fā)出一款抗噪聲、高耐熱、耐光照的ABS材料，應(yīng)用于大眾品牌某熱門車型的門板把手零件。該材料的成功開發(fā)和應(yīng)用對于未來抗噪聲材料在汽車內(nèi)飾的進一步推廣具有十分重要的意義。

1 實驗部分

1.1 主要原料

ABS，ABS 275(缺口沖擊強度為10 kJ/m2，維卡軟化溫度為97 ℃)、ABS 3504(缺口沖擊強度為23 kJ/m2，維卡軟化溫度為99 ℃)，中國石化高橋石化公司；

耐熱劑，苯乙烯-馬來酸酐-N-苯基馬來酰亞胺共聚物，MS-NB，日本DENKA公司；

光穩(wěn)定劑，苯并三唑類、受阻胺類，市售；

抗氧劑，受阻酚類、亞磷酸酯類，市售；

色母粒，黑色，市售；

ABS降噪助劑，自主開發(fā)。

1.2 主要設(shè)備及儀器

雙螺桿擠出機，SH-35型，南京富亞橡塑機械有限公司；

注塑機，T80型，寧波海天塑機集團有限公司；

萬能材料試驗機，Z010型，德國ZWICK公司；

擺錘沖擊試驗機，5.5P型，德國ZWICK公司；

維卡熱變形測試儀，40-197型，德國COSFIELD公司；

氙燈老化試驗機，Ci4000型，美國ATLAS公司；

手持式噪聲測試儀，HT-80A型，上海標(biāo)康公司；

棒狀滑動試驗機，SSP-02型，德國Ziegler Instruments公司；

熱氧老化試驗機，EAT-216型,中國臺灣巨孚儀器公司。

1.3 實驗樣品制備

將事先經(jīng)過干燥處理的ABS、降噪助劑、耐熱劑、抗氧劑、光穩(wěn)定劑和色母粒以一定的質(zhì)量比例混合均勻，投入雙螺桿擠出機，螺桿溫度設(shè)定為220～230 ℃，螺桿轉(zhuǎn)速設(shè)定為500 r/min。經(jīng)過熔融、共混、擠出、冷卻、切粒，再經(jīng)充分干燥后在注塑機上注塑成型，注塑溫度設(shè)定為230～240 ℃，注塑速度及壓力設(shè)定為中速中壓，模具溫度為60 ℃，分別獲得標(biāo)準(zhǔn)力學(xué)性能測試樣條、皮紋樣板以及門板把手零件用于性能測試。

1.4 性能測試與表征

按照ISO 527-2—2012 《塑料 拉伸性能的測定》測試樣品的拉伸強度，試驗速率為50 mm/min。

按照DIN EN ISO 178—2016 《塑料 彎曲性能的測定》測試樣品的彎曲強度和彎曲模量，試驗速率為14 mm/min。

按照DIN EN ISO 179—2010 《塑料 沖擊性能的測定》測試樣品的簡支梁缺口和無缺口沖擊強度，擺錘能量4 J，U形缺口，缺口深度為2 mm。

按照ISO 306—2013 《熱塑性塑料維卡軟化溫度的測定》測試樣品的維卡軟化溫度，載荷為50 N，升溫速率為50 K/h(B50)。

按照大眾集團企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)PV 1303 《非金屬材料汽車內(nèi)部空間里結(jié)構(gòu)件光照射實驗》測試樣品的耐光老化性能，在420 nm條件下輻照度為1.2 W/m2，窗玻璃濾光片，艙內(nèi)溫度為(65±3) ℃，黑標(biāo)溫度為(100±3) ℃，相對濕度為(20±10)%，連續(xù)光照，每周期光照時間約為65 h，測試時間為3周期。

按照VDA 230-206—2005 《粘滑(stick-slip)測試》測試樣品的噪聲風(fēng)險等級(RPN)，通過收集材料在不同載荷、速度、加速度條件下摩擦力的變化，通過公式擬合計算輸出RPN，RPN分為1～10級，等級越高，噪聲風(fēng)險越大。

自主搭建的材料摩擦噪聲測試設(shè)備及測試原理見圖1。

圖1 摩擦噪聲測試設(shè)備及原理圖

通過利用豎直固定在夾具的上板在一定的載荷下和固定在載物臺的下板產(chǎn)生相互摩擦滑動生成噪聲，上板尺寸為20 mm×40 mm×2 mm，下板厚度為2 mm，測試中在支架上固定20 N的砝碼給上板施加固定載荷FN。上板在滑動過程中由于受到摩擦力作用會發(fā)生一定的形變，即沿著受到摩擦力的方向彎曲，隨著相對滑動的進行，材料繼續(xù)彎曲形變，當(dāng)形變產(chǎn)生的回彈力超過摩擦力時，材料就會發(fā)生回彈恢復(fù)形變，當(dāng)材料不斷重復(fù)“形變-回彈”的過程時即可能會產(chǎn)生噪聲?；瑒又欣檬殖质皆肼暅y試儀記錄摩擦過程產(chǎn)生的噪聲，手持式噪聲測試儀和摩擦界面始終保持2～4 cm的距離;同時,利用聲音采集裝置收集噪聲信號，通過Adobe Audition軟件擬合處理得到噪聲音頻圖譜。

2 結(jié)果與討論

2.1 車內(nèi)摩擦噪聲產(chǎn)生及消除機理簡述

同一平面內(nèi)兩個相互接觸的制件在受到震動產(chǎn)生的法向應(yīng)力作用下會產(chǎn)生“粘-滑(stick-slip)”現(xiàn)象(見圖2)。當(dāng)Part A受到外力作用時傾向在兩者接觸面產(chǎn)生相互運動，受摩擦因數(shù)的作用先產(chǎn)生靜摩擦力，以阻礙相互運動的趨勢，此過程相當(dāng)于“粘”，此時蓄積機械能；當(dāng)外力不斷提升超過靜摩擦力時，則無法阻擋運動，Part A和Part B之間產(chǎn)生相對位移，此過程相當(dāng)于“滑”，前期積累的機械能釋放，轉(zhuǎn)化為運動的動能和聲能，從而產(chǎn)生噪聲，其中積累的機械能越多，產(chǎn)生的噪聲越大；而當(dāng)積累的機械能釋放完，則運動停止、噪聲消失，又開始“粘”的過程以積累能量。如此往復(fù)循環(huán)產(chǎn)生“粘-滑-粘-滑”轉(zhuǎn)變，從而產(chǎn)生有規(guī)律的噪聲[14-15]。

圖2 制件相互摩擦產(chǎn)生噪聲示意簡圖

針對以上的機理研究，可以從以下幾個方向來嘗試降低噪聲[16-17]:

(1) 增大摩擦因數(shù)，使靜摩擦力高于震動外力，避免“滑”階段的出現(xiàn)，阻礙機械能轉(zhuǎn)換為聲能。該方式較難實現(xiàn)，且汽車內(nèi)飾件都有指定的光澤度要求，通過增加材料表面粗糙度的方式容易使產(chǎn)品外觀產(chǎn)生缺陷。

(2) 減小摩擦因數(shù)，盡可能減小靜摩擦力，使得很輕微的外力即可引起滑動，避免機械能的大量積累，盡可能減小產(chǎn)生聲能的水平。一般可以通過向材料中添加潤滑劑來實現(xiàn)，但是要達到此效果需要添加較多含量潤滑劑以保證制件表面非直接接觸，在長期使用過程中可能會引起助劑析出問題。

(3) 增加積累機械能釋放轉(zhuǎn)化的方式，即除了動能、聲能以外，新增一種可以轉(zhuǎn)化機械能的路徑，以減小聲能的水平。該方向可以通過向材料中添加具有高阻尼的橡膠類彈性體來實現(xiàn)[18]，這樣在能量轉(zhuǎn)換的過程中其自身也可以通過內(nèi)部分子鏈形變來吸收大部分機械能，并通過分子運動產(chǎn)生的熱能耗散掉，以減少摩擦轉(zhuǎn)為聲能的產(chǎn)生，為抗噪聲ABS材料提供了可能。筆者將從該方向出發(fā)嘗試研究降低噪聲的方法。

2.2 抗噪聲ABS材料的性能研究

2.2.1 常規(guī)性能

不同ABS實驗配方見表1，各配方中抗氧劑、光穩(wěn)定劑、色母粒添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)不變，分別為0.2%，0.8%、1%。其中，ABS 1采用了滿足大眾ABS材料企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)TL 527-B的一個典型的配方，可以用于大量普通ABS類別的內(nèi)飾零件，如門板把手、開關(guān)面板、座椅零件等。ABS 2和ABS 3為添加了2%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)降噪助劑的材料，ABS 3 相對于ABS 2在基本樹脂組成上有所變化。

表1 不同ABS實驗配方 %

不同ABS的性能對比見表2。對比ABS 1和ABS 2的配方組成和基本性能可以看出：在保持其他組分基本不變，僅添加了2%降噪助劑以后，整體表現(xiàn)出剛性降低，韌性升高的狀態(tài)。這是由于所添加的降噪助劑是一種類似于橡膠的彈性體物質(zhì)，其均勻地分散在ABS的基體中，當(dāng)材料受到?jīng)_擊時，可以通過自身形變來吸收部分能量，阻止裂紋的形成和擴展，起到了增韌劑的作用，所以有利于沖擊強度的提升。而由于降噪助劑粒子較易發(fā)生形變，所以導(dǎo)致材料的整體剛性有所降低，使得拉伸、彎曲以及耐熱性能有一定程度的下降。由于汽車內(nèi)飾件所處環(huán)境比較封閉且長期受陽光暴曬影響，所以其對材料的耐熱性能要求較高，如果因為抗噪聲的需求犧牲耐熱性而帶來制件變形風(fēng)險，是不符合設(shè)計需求的。因此，為了彌補由于降噪助劑的引入帶來的性能損失，表1中ABS 3在配方上提升了耐熱劑MS-NB的用量，MS-NB的分子中含有大量剛性基團，玻璃化轉(zhuǎn)變溫度高達180 ℃，可以有效提升ABS材料對高溫的耐受力，但是其分子剛性大，含量提升會導(dǎo)致整體韌性降低，因此選用了沖擊強度較高的ABS 3504來部分替代ABS 275，以保證一定的韌性，滿足性能需求。配方優(yōu)化之后的ABS 3綜合了ABS 1和ABS 2的優(yōu)點，缺口沖擊強度為11.2 kJ/m2，無缺口沖擊強度為68.9 kJ/m2，熱變形溫度(0.45 MPa)為104 ℃，維卡軟化溫度為112 ℃，其中特別是熱變形溫度和維卡軟化溫度有較大的提升，更加適合汽車內(nèi)飾件選材需求。

表2 不同ABS性能對比

2.2.2 光老化性能

耐光老化性能是汽車內(nèi)飾件需要重點考察的性能，筆者采用大眾集團企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)PV 1303對以上三種材料制備的皮紋樣板進行了3周期的考察，技術(shù)要求為：灰色等級≥4，表面相對于原始狀態(tài)不出現(xiàn)顯著變化，如顏色變化、粉化和開裂等。表3顯示了三種ABS樣品測試后灰度等級、樣品表面狀態(tài)、光澤度變化情況，圖3顯示了三種ABS樣品測試前后外觀對比情況。由表3、圖3可以看出：ABS 2出現(xiàn)失效，主要的失效現(xiàn)象是其灰度等級未達到4級要求，且樣品變形并出現(xiàn)明顯的表面發(fā)亮狀況，ΔG高達1.6 GU，而ABS 1和ABS 3結(jié)果都合格，ΔG僅為0.6 GU和0.2 GU，其中ABS 3試樣未變形、表面無變化。由于PV 1303標(biāo)準(zhǔn)的黑板溫度為100 ℃，即測試樣品的表面溫度達100 ℃，對于ABS 2樣品來說溫度偏高，超過材料的承受能力，導(dǎo)致樣品發(fā)生形變，而由于形變導(dǎo)致表面皮紋的微觀結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，降低了其對光線的漫反射效果，所以導(dǎo)致光澤度提升，看起來明顯發(fā)亮。ABS 3由于提升了耐熱性，避免了形變的產(chǎn)生，可以穩(wěn)定滿足光老化要求。

表3 不同ABS光老化測試結(jié)果

注：1) ΔG=G1-G0,光澤度測試角度為60°。

圖3 不同ABS光老化測試前后外觀對比

2.2.3 抗噪聲性能

由于人們對噪聲的感受比較主觀，同樣的噪聲在不同人的感受中可能呈現(xiàn)出非常具有差異的結(jié)果，目前市面上暫未見可以用于測試摩擦噪聲的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備及方法。為了盡可能客觀地描述ABS材料的噪聲，筆者采用自行設(shè)計搭建的噪聲測試設(shè)備對ABS進行抗噪聲性能評估。圖4是三種ABS材料的噪聲音頻圖。由圖4可以看出:ABS 1即普通ABS的噪聲性能非常差，音頻圖出現(xiàn)了明顯的波動和振幅，噪聲高達90 dB，且測試過程中人耳也可以聽到明顯有規(guī)律的“嘎吱聲”；而添加了降噪助劑的ABS 2和ABS 3的音頻圖幾乎無波動，噪聲分別降低至60 dB和58 dB，測試過程中完全感受不到特定噪聲，說明所開發(fā)的抗噪聲ABS材料已經(jīng)具有顯著的降噪能力，基本消除了ABS制件之間的摩擦噪聲。添加的降噪助劑具有高阻尼的橡膠特性，在能量轉(zhuǎn)換的過程中通過自身分子運動產(chǎn)生的熱能耗散消耗了機械能轉(zhuǎn)化為聲能的水平，所以使得摩擦噪聲大幅降低，實現(xiàn)抗噪聲特性。

(a) ABS 1

(b) ABS 2

(c) ABS 3

為了給自主開發(fā)的非標(biāo)測試方法做補充，筆者選用了棒狀滑動試驗機，采用VDA 230-206—2005標(biāo)準(zhǔn)來評估抗噪聲ABS的RPN，用于間接描述其抗噪聲特性，其數(shù)值10代表最高風(fēng)險水平，表示非常容易產(chǎn)生摩擦噪聲，1代表最低風(fēng)險水平，表示不容易產(chǎn)生摩擦噪聲，測試了在不同施加力(2.4 N、40.0 N、80.0 N)，不同速度(1 mm/s、6 mm/s、12 mm/s)條件下的情況(見表4)。由表4可以看出：ABS 1的RPN普遍高于抗噪聲ABS 2、ABS 3，尤其是在40 N載荷、1 mm/s速度以及80 N載荷、1 mm/s速度條件下ABS 1材料的RPN達到了較高的6級和9級，已經(jīng)屬于噪聲高風(fēng)險區(qū)域；而添加了降噪助劑的ABS材料在所有測試條件下的RPN都僅為1級或2級，表現(xiàn)出非常低的噪聲風(fēng)險，該結(jié)果與圖4結(jié)果十分吻合，其中不同的負(fù)載和速度是用于模擬在實際情況中不同的零件裝配壓力及產(chǎn)生震動摩擦之后的相互滑動速度，從以上結(jié)果可以大致推斷抗噪聲ABS在實際應(yīng)用過程中也可能具有較好的抗噪聲特性。

表4 不同ABS材料的RPN

2.3 抗噪聲ABS材料的應(yīng)用

圖5是大眾品牌某車型車門把手零件照片，把手蓋板和把手支架通過卡扣卡接組成。

(a) 把手蓋板

(b) 把手支架

普通ABS材料生產(chǎn)的制件，在實際使用的過程中當(dāng)用手握住時，即由圖中白色箭頭方向施加壓力時，非常容易出現(xiàn)噪聲，并且車內(nèi)溫度越高噪聲越明顯。而采用抗噪聲ABS材料生產(chǎn)的零件在相同條件測試下則沒有噪聲，并且在更為苛刻的90 ℃、500 h熱老化存放后再進行把手扭轉(zhuǎn)測試仍然沒有噪聲產(chǎn)生，表現(xiàn)出了極為可靠的抗噪聲特性。除此以外，抗噪聲ABS材料生產(chǎn)的零件還通過了大眾集團企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)PV 1200標(biāo)準(zhǔn)8周期、PV 2005標(biāo)準(zhǔn)50周期的氣候交變、環(huán)境老化實驗，以及其他可靠性實驗要求，已經(jīng)陸續(xù)開始在不同車型上替換原用普通ABS材料進行性能升級，對于推動汽車內(nèi)飾用抗噪聲材料的發(fā)展具有十分重要的意義。

3 結(jié)語

(1) 向ABS基體中添加2%降噪助劑可以提升材料的韌性，降低剛性，通過提升配方中耐熱劑的含量和調(diào)節(jié)ABS樹脂組成，可以將ABS的熱變形溫度提升至104 ℃，維卡軟化溫度提升至112 ℃，缺口沖擊強度提升至11.2 kJ/m2，獲得性能綜合的抗噪聲ABS材料。

(2) 配方優(yōu)化后的抗噪聲ABS可以穩(wěn)定滿足大眾集團企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)PV 1303標(biāo)準(zhǔn)3周期的光老化測試要求，測試后樣品未見形變，光澤度變化僅為0.2 GU。

(3) 對抗噪聲性能測試結(jié)果顯示，抗噪聲ABS材料的噪聲僅為58 dB，遠(yuǎn)低于普通ABS材料的90 dB，抗噪聲ABS材料在40 N載荷、1 mm/s速度下的RPN為1級，在80 N載荷、1 mm/s速度下的RPN為1級，都明顯低于普通ABS材料的6級和9級。

(4) 抗噪聲ABS材料應(yīng)用于大眾某品牌車門把手零件具有明顯的抗噪聲特性，已通過各項實驗要求，用于替代普通ABS材料的生產(chǎn)方案。