空調(diào)白色面板ABS材料光老化研究

馬令慶 李云蹊 郝玉密 溫博 王明先

MA Lingqing1,2 LI Yunxi1,2 HAO Yumi1,2 WEN Bo1,2 WANG Mingxian1,2

1.海信家電集團股份有限公司 山東青島 266100；2.海信(山東)空調(diào)有限公司 山東青島 266100

1. Hisense Home Appliances Group Co., Ltd. Qingdao 266100;2. Hisense (Shandong) Air-conditioning Co., Ltd. Qingdao 266100

1 引言

丙烯腈-丁二烯-苯乙烯（ABS）樹脂具有優(yōu)異的剛韌平衡性、尺寸穩(wěn)定性和易加工性，廣泛用于家電產(chǎn)品。在空調(diào)產(chǎn)品上主要用于外觀和結(jié)構(gòu)部件，如面板、蝸殼、底座等，ABS材料的高光澤度和高強度大幅提升了產(chǎn)品質(zhì)感。但是由于ABS的橡膠相含有不飽和雙鍵，在加工過程中受高溫破壞、在使用過程中受紫外線的輻射，均會使其雙鍵斷裂，外觀表現(xiàn)為顏色變黃變灰、光澤度降低，同時力學性能降低[1-3]。為解決此類問題，常采用添加抗氧劑光穩(wěn)定劑等助劑，但也只能起延緩作用[4,5]。

為評價高分子材料的光老化性能，目前主要有大氣自然環(huán)境光老化和人工加速光老化兩大類。大氣自然環(huán)境光老化是將高分子材料暴露于典型自然環(huán)境中試驗，周期漫長難以滿足家電行業(yè)的研發(fā)進度要求；人工加速光老化分為氙弧燈暴露光老化試驗、熒光紫外燈暴露光老化試驗、碳弧燈暴露光老化試驗和金屬鹵素暴露光老化試驗等，人工加速光老化試驗效果與光源種類、光源輻照度和光源能譜分布有密切關(guān)系，不同測試方法其測試結(jié)果也有較大差異[6-8]。

在空調(diào)產(chǎn)品中，白色占絕大多數(shù)的比例，如果產(chǎn)品變黃，尤其是面板部件變黃將極大影響用戶的使用體驗，因此研究如何控制黃變老化以及選用合適的加速光老化測試方法，對提升產(chǎn)品質(zhì)量和保障新品研發(fā)進度具有十分重要的意義。本文針對目前空調(diào)面板常采用的改性料方案、色母料方案，采用家電行業(yè)常采用的氙弧燈暴露光老化試驗、熒光紫外燈暴露光老化試驗方法，研究了面板的色差、光澤度、透光率等指標變化，對比了光老化實驗方法的嚴酷程度。

2 實驗部分

2.1 實驗樣品

目前空調(diào)面板使用的ABS材料，分別制作如下三組色板，每組7塊，1#～6#為測試樣，7#為對比樣。色板中間部分測試光老化后的色差，較薄處（1.6 mm）測試透光率。

A組：白色色母料+ABS原材料制作的高光階梯板；B組：白色改性料制作的高光階梯板；Y組：ABS原材料制作的高光階梯板。

2.2 實驗方法

目前家電行業(yè)的光老化測試方法不統(tǒng)一，基本上是根據(jù)經(jīng)驗或設(shè)備現(xiàn)狀，參考國標GB/T 16422.2《塑料 實驗室光源暴露試驗方法第2部分：氙弧燈》和GB/T 16422.3《塑料 實驗室光源暴露試驗方法第3部分：熒光紫外燈》而制定，大致分為三種測試方法，具體條件見表1。

2.3 測試與表征

將每組樣品的1#、2#，放入氙燈老化試驗箱（美國Q-Lab，型號Q-Sun）進行X（氙燈）實驗，3#、4#放入紫外光老化箱（美國Q-Lab，型號QUV）進行ZA（UVA）實驗，5#、6#放入紫外光老化箱（美國Q-Lab，型號QUV）進行ZB（UVB）實驗。

測試完成后，使用色差儀（德國愛色麗，型號Xrite-Ci64），測試色板色差；使用光澤度計（德國BYK，型號4563），測試色板光澤度；使用透光率霧度測定儀（上海儀電，型號SGW-820），測試色板透光率。

3 結(jié)果與討論

3.1 光老化對色差的影響

對色母料、改性料和原材料的待測樣板分別進行氙弧燈、熒光紫外燈（UVA、UVB）人工加速光老化測試，實驗后的顏色色差ΔE變化見圖1。從圖1a可以看出經(jīng)光老化測試后顏色均發(fā)生變化，色差變化依次為改性料（B）＜色母料（A）＜原材料（Y），并且A組、Y組色板目視明顯變黃，尤其是原材料的Y組；B組經(jīng)X（氙燈）光老化測試后色差ΔE在0.5左右，接近人類視覺容差，目視變黃不太明顯。這是由于ABS樹脂的橡膠相含有不飽和的雙鍵，其側(cè)鏈CH離解能小于紫外線光能量，易受紫外線破壞，最終生成羰基、羧基等顯色基團，使產(chǎn)品變黃[9]。從圖1a根據(jù)色差ΔE變化可以看出三種材料的耐光老化能力為改性料（B）＞色母料（A）＞原材料（Y），這是由于材料供方根據(jù)主機廠要求及成本，對色母或原材料采用了不同的光穩(wěn)定劑（紫外線吸收劑）配方體系。

圖1 不同光老化測試后材料色差變化

表1 光老化測試條件

根據(jù)Lab顏色模型，L表示亮度，L值越大亮度越高；a表示顏色的紅綠，a值從小增大，表示顏色從綠向紅轉(zhuǎn)變；b表示顏色的黃藍，b值從小增大，表示顏色從藍向黃轉(zhuǎn)變。ΔL、Δa、Δb為分別為測試樣與標準樣的差值，ΔL為負值，表示測試樣的亮度低于標準樣，ΔL為正值，表示測試樣的亮度高于標準樣；Δa為負值，表示測試樣比標準樣偏綠，Δa為正值，表示測試樣比標準樣偏紅；Δb為負值，表示測試樣比標準樣偏藍，Δb為正值，表示測試樣比標準樣偏黃。從圖1b、c、d可以看出ΔL、Δa變化相對較小，其絕對值均小于4，而Δb的變化較大，原材料的Δb值為13左右，約為前兩者絕對值的4～5倍，且Δb與ΔE的變化趨勢一致，即ΔE的變化主要來源于b值的增大。b值增大表示黃色偏多，與實物色板變黃趨勢一致。

3.2 光老化對光澤度的影響

從圖2可以看出光老化測試前，改性料（B）和色母料（A）的光澤度數(shù)據(jù)均遠大于原材料（Y）的光澤度，改性料的光澤度數(shù)據(jù)最高，其在測試前原始數(shù)據(jù)接近100，測試后也大于85。而光老化測試后光澤度均有不同幅度的降低，但改性料（B）的光澤度變化最小。光澤度降低是由于紫外線破壞了材料表面分子鏈，導致分子分解，破壞了材料表面分子排列，同時也會導致填料外露，致使光澤度數(shù)據(jù)降低。

圖2 不同光老化測試對材料光澤度的影響

3.3 光老化對透光率的影響

由于用戶審美要求的提高，空調(diào)LED隱顯設(shè)計越來越多，這就對材料的透光率要求越來越高，要保證顯示的清晰度、數(shù)字邊界的清晰度（即銳度），同時要求材料較好的光穩(wěn)定性，不能因紫外線、可見光的照射而變色，也不能因光老化而使透光率變化過大，導致顯示變差。

從圖3可以看出，光老化測試后所有材料透光率均有不同幅度的降低，改性料（B）的原始透光率為8.5%，高于其他兩組樣品，在光老化作用下其透光率下降到6.5%，但仍高于色母料（A）和原材料（Y），表示還有較好的透光顯示效果。光老化測試后透光率均有不同幅度的降低，這是由于紫外線破壞了材料表面分子鏈，導致高分子粒徑變化，改變了光線通過時的路徑，使透光率降低。

圖3 不同光老化測試對透光率的影響

圖4 不同光老化測試方法對材料色差ΔE的影響

圖5 不同光老化測試方法對材料光澤度的影響

3.4 光老化實驗方法的嚴酷程度分析

從圖4可以看出，對同一組樣品進行三種不同的光老化測試，經(jīng)ZB（UVB）測試后色差最大，ZA（UVA）測試樣品色差次之，X（氙燈）測試樣品色差最?。粡膱D5和圖6可以看出對同一組樣品進行三種不同的光老化測試，其光澤度和透光率指標，經(jīng)ZB（UVB）測試后數(shù)據(jù)最小，ZA（UVA）測試樣品數(shù)據(jù)次之，X（氙燈）測試樣品最大。因此，色差增大幅度越大，以及光澤度和透光率降低越多，表示對應(yīng)的光老化越嚴酷，即三種光老化實驗的嚴酷性依次為ZB（UVB）測試＞ZA（UVA）測試＞X（氙燈）測試。這是因為紫外線波長越短光子能量越大，則其破壞力越強，見表2。根據(jù)表3不同人工光老化光源與日光相對輻照度對比，可以看出UVB紫外線波長主要集中在313 nm，且290 nm～320 nm之間的占47.8%，波長短且集中，所以破壞力最強；UVA紫外線波長主要集中在340 nm，且320 nm～360 nm之間的占60.9%，破壞力次之；而氙弧燈紫外線波長分布較寬，長波長占比多，與日光接近，能相對模擬日光環(huán)境，破壞力最低。

圖6 不同光老化測試方法對材料透光率的影響

表2 限定太陽輻射照度的國際標準中紫外光譜的范圍劃分

表3 不同光源與日光的相對光譜輻照度

4 結(jié)論

采用家電行業(yè)常用的3種光老化測試方法，對空調(diào)面板常采用的ABS材料樣板進行了測試，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：（1）經(jīng)人工加速光老化實驗后，色母料和改性料均會變色，且色母料色差、光澤度變化和透光率變化均大于改性料；（2）色差變化ΔE主要是由于b值的變化，L和a值變化相對較小；（3）三種光老化測試方法嚴酷程度為：熒光紫外燈（UVB）暴露光老化試驗＞熒光紫外燈（UVA）暴露光老化試驗＞氙弧燈暴露光老化試驗；（4）為提升產(chǎn)品質(zhì)感及產(chǎn)品質(zhì)量，建議中高端產(chǎn)品面板采用改性料方案；（5）為兼顧材料開發(fā)周期及對材料耐光老化性能的充分評價，建議同時采用熒光紫外燈（UVA）光老化試驗和氙弧燈光老化試驗進行評價，并分別制定標準。