基于Hallberg-Peck模型的汽車發(fā)動機罩蓋三元乙丙橡膠緩沖墊塊加速老化試驗條件研究

王偉健，陳燕飛，李書鵬，李 波，俞 雁

（廣州汽車集團股份有限公司 汽車工程研究院，廣東 廣州 511434）

汽車作為現(xiàn)代人類重要的交通工具，其外部氣候環(huán)境會隨著所在地點的改變而改變。汽車上大量使用的高分子材料不可避免地受到光、熱、水、氣等作用而出現(xiàn)老化現(xiàn)象，給汽車外觀、功能甚至安全性帶來不利影響[1-5]。因此，耐老化（耐候）是汽車的重要特性之一[6-8]。

汽車全壽命周期可以分為運動和停放兩部分。據(jù)統(tǒng)計[9]，我國汽車運動與停放時間之比達到1∶20～1∶15。對于汽車材料的耐老化性能而言，連續(xù)暴露于戶外典型自然環(huán)境下的試驗無疑是更貼近實際的有效檢驗手段。在我國，通常需要在海南或吐魯番試驗場開展為期1年的戶外自然暴露試驗，以評價整車的耐老化性能[10-12]。

盡管開展整車戶外自然暴露試驗是驗證其耐老化性能的最佳手段，但隨著汽車行業(yè)產(chǎn)品更新?lián)Q代的速度加快，戶外自然暴露試驗過長的試驗周期和難以再現(xiàn)的條件為大家所詬病。因此，大量學(xué)者圍繞實驗室加速老化試驗條件展開了研究。例如吳絲竹等[13]基于修正Arrhenius方程在溫度加速升高的條件下研究了三元乙丙橡膠（EPDM）材料貯存壽命規(guī)律；張曉東等[14]基于廣義Eyring模型及大數(shù)據(jù)研究了汽車外飾在光熱作用下的加速老化模型；張曉東等[15]基于Hallberg-Peck模型研究了車艙全密閉空間內(nèi)濕熱老化試驗的加速周期。這些研究都為汽車的加速老化試驗設(shè)計提供了參考。但是，針對汽車戶外自然暴露試驗時發(fā)動機艙內(nèi)半開放空間微環(huán)境而設(shè)計的實驗室加速老化試驗條件的研究尚不多見。

本研究以整車在海南戶外自然暴露試驗時經(jīng)常出現(xiàn)析出發(fā)白物質(zhì)而老化失效的發(fā)動機罩蓋EPDM緩沖墊塊為例，對其失效過程所監(jiān)測的微環(huán)境大數(shù)據(jù)進行分析，采用Hallberg-Peck模型推導(dǎo)實驗室加速老化試驗條件，并實際驗證該條件下加速老化試驗結(jié)果的準確性，意在為汽車發(fā)動機艙內(nèi)EPDM材料老化試驗設(shè)計提供參考。

1 研究對象及儀器

1.1 研究對象

根據(jù)QC/T 728—2005[16]，在海南試驗場開展自然暴露試驗，試驗車輛及析出發(fā)白物質(zhì)的發(fā)動機罩蓋EPDM緩沖墊塊（a為上墊塊，b為下墊塊）如圖1所示。

圖1 試驗車輛及其發(fā)動機罩蓋EPDM緩沖墊塊Fig.1 Test automobile and its engine cover EPDM cushion blocks

1.2 主要儀器

CR1000數(shù)據(jù)采集記錄儀，美國Campbell公司產(chǎn)品；HMP155A空氣濕度傳感器，芬蘭Vaisala公司產(chǎn)品；T型熱電偶表面溫度傳感器，上海儀表（集團）公司產(chǎn)品。

2 自然暴露試驗測試

整車戶外自然暴露試驗中發(fā)動機罩蓋保持關(guān)閉，機艙微環(huán)境中發(fā)動機罩蓋EPDM緩沖墊塊不受太陽光直接照射。因此，導(dǎo)致EPDM緩沖墊塊析出發(fā)白物質(zhì)而老化失效的因素可不考慮光輻照，主要考慮溫度和濕度。為方便研究，在緩沖墊塊附近表面安裝溫度監(jiān)控傳感器，在機艙內(nèi)部安裝濕度監(jiān)控傳感器（見圖2），以連續(xù)實時監(jiān)測試驗車輛機艙微環(huán)境條件，并按一定頻率進行數(shù)據(jù)采集和記錄。

圖2 自然暴露試驗車輛發(fā)動機罩蓋EPDM緩沖墊塊環(huán)境監(jiān)控傳感器Fig.2 Environmental monitoring sensors for engine cover EPDM cushion blocks of test automobile in natural exposure test

整車在海南試驗場自然暴露試驗時間為3個月（2019年10月1日～2019年12月31日），試驗結(jié)束時觀察到發(fā)動機罩蓋EPDM緩沖墊塊出現(xiàn)較明顯的析出發(fā)白物質(zhì)而老化的現(xiàn)象。收集整理試驗期間的溫度和濕度數(shù)據(jù)，因篇幅所限，在此節(jié)選部分監(jiān)測數(shù)據(jù)，如表1所示。表中設(shè)定數(shù)據(jù)記錄存儲頻率為5 min·次-1，每一時刻對應(yīng)的平均值、最高或最大值和最低或最小值分別表示其對應(yīng)5 min內(nèi)連續(xù)監(jiān)測到的溫度和相對濕度的平均值、最高或最大值和最低或最小值。

表1 海南自然暴露試驗車輛發(fā)動機罩蓋EPDM緩沖墊塊環(huán)境條件部分監(jiān)測數(shù)據(jù)Tab.1 Environmental condition partial monitoring data of engine cover EPDM cushion blocks of test vehicle in Hainan natural exposure test

3 加速老化試驗條件確定與試驗結(jié)果驗證

3.1 加速老化試驗計算模型

根據(jù)文獻[15]，在進行溫度和濕度作用的加速老化試驗時，研究材料的Hallberg-Peck模型為：

式中：FA為加速比；Δτu和Δτt分別為實際和加速老化試驗時間，s；Hu和Ht分別為實際和加速老化試驗相對濕度，%；Ea為老化活化能，J·mol-1；R為氣體常數(shù)，8.314 J·mol-1·K-1；Tu和Tt分別為實際和加速老化試驗溫度，K。

式（1）經(jīng)整理后，可得到式（2）和（3）。

式中，Δτti，Δτui和FAi為i時刻的相應(yīng)參數(shù)。

3.2 加速老化試驗條件確定

3.2.1 溫度

根據(jù)實測數(shù)據(jù)，試驗車輛發(fā)動機罩蓋EPDM緩沖墊塊附近最高溫度為69.09 ℃，出現(xiàn)在2019年12月4日。通過采用Hallberg-Peck模型分析可知，加速老化試驗的加速比對溫度不敏感，升高溫度對加速老化試驗時間影響不明顯，反而會帶來較高的試驗?zāi)芎?，因此，初步擬定加速老化試驗溫度為70 ℃。

3.2.2 濕度

根據(jù)實測數(shù)據(jù)，試驗車輛機艙內(nèi)相對濕度大于90%的時間占比約為30%，且在Hallberg-Peck模型下，加速老化試驗的加速比對濕度敏感。為了達到加速目的，設(shè)定加速老化試驗相對濕度并運用公式（1）—（3）計算加速老化試驗時間（按促進劑析出Ea＝40×103J·mol-1計）[17]，結(jié)果如表2所示。

表2 發(fā)動機罩蓋EPDM緩沖墊塊在各相對濕度下加速老化試驗時間和加速比Tab.2 Accelerated aging test time and acceleration ratios of engine cover EPDM cushion blocks under different relative humidities

從表2可以看出，發(fā)動機罩蓋EPDM緩沖墊塊在加速老化試驗時，在相對濕度為95%下，加速比為13.80，加速試驗時間為168 h（604 800 s），該條件下試驗的加速效果較好。

因此，根據(jù)研究結(jié)果，擬定發(fā)動機罩蓋EPDM緩沖墊塊析出發(fā)白物質(zhì)的實驗室加速老化試驗條件為：相對濕度95%/70 ℃×168 h。

3.3 加速老化試驗結(jié)果驗證

選取同批次發(fā)動機罩蓋EPDM緩沖墊塊新試樣，采用在相對濕度95%/70 ℃×168 h加速老化試驗條件下進行試驗結(jié)果檢驗。

3.3.1 試樣表面老化現(xiàn)象

經(jīng)過實驗室相對濕度95%/70 ℃×168 h加速老化試驗后，發(fā)動機罩蓋EPDM緩沖墊塊試樣表面析出的發(fā)白物質(zhì)與海南自然暴露試驗3個月后試樣相同，如圖3所示。

圖3 實驗室加速老化試驗與海南自然暴露試驗試樣表面老化狀況對比Fig.3 Comparison of surface aging status between laboratory accelerated aging test and Hainan natural exposure test samples

3.3.2 試樣析出物質(zhì)

用50 mL丙酮對發(fā)動機罩蓋EPDM緩沖墊塊新試樣、加速老化試驗后試樣、自然暴露試驗后試樣進行淋洗，將得到的溶液濃縮并采用氣相色譜-質(zhì)譜（GC-MS）聯(lián)用儀進行成分分析，結(jié)果如圖4所示。從圖4可以得出，加速老化試驗試樣析出的物質(zhì)與自然暴露試驗試樣相同，均為苯并噻唑類促進劑。

圖4 試樣析出物質(zhì)的GC-MS譜Fig.4 GC-MS spectra of substances precipitated from samples

4 結(jié)論

準確的加速老化試驗是提升汽車零部件設(shè)計認可效率的關(guān)鍵。本研究基于海南試驗場自然暴露試驗數(shù)據(jù)，利用Hallberg-Peck模型得到汽車發(fā)動機罩蓋EPDM緩沖墊塊析出發(fā)白物質(zhì)而老化的實驗室加速老化試驗條件：相對濕度95%/70℃×168 h，經(jīng)實際驗證，該條件下加速老化試驗結(jié)果準確。汽車主機廠與零件供應(yīng)商在日常質(zhì)量管控時應(yīng)重視零部件的加速老化試驗。