聚丙烯汽車保險(xiǎn)杠耐候性研究

王鑫　李雙　金秀英

摘 要：聚丙烯汽車保險(xiǎn)杠在服役過程中，會因光照、溫度、濕度等氣候因素發(fā)生老化現(xiàn)象。為對聚丙烯汽車保險(xiǎn)杠材料老化機(jī)理進(jìn)行研究，本文選取人工加速老化方式對保險(xiǎn)杠進(jìn)行老化，并通過對比老化前后材料外觀、機(jī)械性能的變化對材料耐候性進(jìn)行分析。結(jié)果表明，聚丙烯汽車保險(xiǎn)杠在老化后，材料韌性變差。

關(guān)鍵詞：聚丙烯 汽車保險(xiǎn)杠 耐候性 人工加速老化 機(jī)械性能

汽車保險(xiǎn)杠具有緩沖碰撞沖擊力、保護(hù)車輛及成員、裝飾車輛等作用。為降低汽車生產(chǎn)成本，滿足輕量化技術(shù)要求，保險(xiǎn)杠生產(chǎn)材料已由早期金屬材料轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂辛己玫膹?qiáng)度、剛性以及可塑性的工程塑料[1]。聚丙烯因具有低成本、輕量化、可循環(huán)利用的性能優(yōu)勢，已成為保險(xiǎn)杠生產(chǎn)用工程塑料的主流[2]。聚丙烯作為一種高分子材料，會因環(huán)境中的光照、溫度、濕度等多種氣候因素的共同作用，發(fā)生內(nèi)部分子鏈斷裂，材料性能劣化的現(xiàn)象[3-5]。而汽車保險(xiǎn)杠由于其水平懸掛位置，更易受到外部氣候環(huán)境的影響發(fā)生老化現(xiàn)象，導(dǎo)致材料性能衰減[6]。因此，為提升保險(xiǎn)杠的使用耐久性，對保險(xiǎn)杠材料進(jìn)行耐候性分析研究是十分必要的。

目前，主要有戶外自然老化、人工加速老化兩種試驗(yàn)方法測試保險(xiǎn)杠材料的耐候性能[7]。與戶外自然老化相比，人工加速老化具有試驗(yàn)周期短、試驗(yàn)條件可控、試驗(yàn)重復(fù)性強(qiáng)的優(yōu)勢，近年來得到了廣泛應(yīng)用[8]。在人工加速老化試驗(yàn)方法中，與其它人造光源相比，金屬鹵素?zé)舻墓庾V分布近太陽光光譜能量分布，且金屬鹵素?zé)粢?guī)模較大更適用于整車及大型零部件的人工加速老化試驗(yàn)[9]。

為對投產(chǎn)應(yīng)用最為廣泛的聚丙烯材質(zhì)汽車保險(xiǎn)杠的耐候性進(jìn)行分析，研究其老化后材料性能衰減，并為后續(xù)保險(xiǎn)杠材料研發(fā)及生產(chǎn)工藝改進(jìn)提供數(shù)據(jù)支持。本文根據(jù)國內(nèi)外應(yīng)用廣泛的人工加速老化試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)DIN 75220：1992Ageing automobile components in solar simulation units，選用金屬鹵素?zé)糇鳛楣庠?，對聚丙烯保險(xiǎn)杠進(jìn)行人工加速老化，并對比老化前后保險(xiǎn)杠材料的外觀變化、機(jī)械性能變化，對聚丙烯保險(xiǎn)杠材料的耐候性進(jìn)行分析。

1 試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)材料

為排除影響耐候性分析的干擾因素，試驗(yàn)選用同一批次生產(chǎn)的兩件同材質(zhì)聚丙烯保險(xiǎn)杠材料，任取一件進(jìn)行人工加速老化處理，另一件作為空白對比件，進(jìn)行耐候性測試研究。

1.2 試驗(yàn)儀器設(shè)備

本文使用的儀器設(shè)備信息見表1。

1.3 耐候性老化試驗(yàn)方法

為對聚丙烯保險(xiǎn)杠材料進(jìn)行耐候性分析，本文按照標(biāo)準(zhǔn)DIN75220：1992Ageing automobile components in solar simulation units的要求對保險(xiǎn)杠進(jìn)行人工加速老化。按照標(biāo)準(zhǔn)要求，試驗(yàn)依次完成15個(gè)干熱氣候循環(huán)、10個(gè)濕熱氣候循環(huán)試驗(yàn)。其中，干熱氣候單次循環(huán)試驗(yàn)過程依次為：8h日間干熱氣候、3.5h夜間干熱氣候、8h日間干熱氣候、3.5h夜間干熱氣候，具體試驗(yàn)條件見表2;濕熱氣候單詞循環(huán)試驗(yàn)過程依次為：5h夜間濕熱氣候、12h日間濕熱氣候、6h夜間濕熱氣候具體試驗(yàn)條件見表3。

1.4 耐候性老化前后指標(biāo)選擇及測試方法

為了客觀全面表征聚丙烯保險(xiǎn)杠材料老化前后的性能變化，本文選取了以下評價(jià)指標(biāo)及相應(yīng)測試方法對該材料進(jìn)行耐候性分析[8]：

1.4.1 外觀檢查

保險(xiǎn)杠人工加速老化后，目視檢查其表面有無裂紋，與空白對比件相比，表面顏色光澤有無變化。

1.4.2 機(jī)械性能測試

通過測試保險(xiǎn)杠人工加速老化前后拉伸強(qiáng)度、斷裂伸長率、彎曲強(qiáng)度、懸臂梁沖擊強(qiáng)度、硬度、熱變形溫度、密度、落錘沖擊強(qiáng)度[10]，并計(jì)算變化率，來全面分析其老化后機(jī)械性能變化情況。具體試驗(yàn)方法如下：

拉伸強(qiáng)度、斷裂伸長率：按照標(biāo)準(zhǔn)GB/T 1040.2-2006《塑料拉伸性能的測定第2部分：模塑和擠塑塑料的試驗(yàn)條件》進(jìn)行測試，選用5A型試樣，標(biāo)距20mm，試驗(yàn)速度50mm/min。

彎曲強(qiáng)度：按照標(biāo)準(zhǔn)GB/T 9341-2008《塑料彎曲性能的測定》進(jìn)行測試，試驗(yàn)速度2mm/min。

懸臂梁沖擊強(qiáng)度：按照標(biāo)準(zhǔn)GB/T 1843-2008《塑料懸臂梁沖擊強(qiáng)度的測定》進(jìn)行測試，選用無缺口試樣。

硬度：按照標(biāo)準(zhǔn)GB/T 2411-2008 《塑料和硬橡膠使用硬度計(jì)測定壓痕硬度（邵氏硬度）》進(jìn)行測試，讀數(shù)時(shí)間15s。

熱變形溫度：按照標(biāo)準(zhǔn)GB/T 1634.2-2004《塑料 負(fù)荷變形溫度的測定第2部分：塑料、硬橡膠和長纖維增強(qiáng)復(fù)合材料》進(jìn)行測試，初始溫度23℃，升溫速率50℃/h。

密度：按照標(biāo)準(zhǔn)GB/T 1033.1-2008《塑料非泡沫塑料密度的測定第1部分浸漬法、液體比重瓶法和滴定法》方法A進(jìn)行測試，選用無水乙醇作為浸漬液。

落錘沖擊強(qiáng)度：按照標(biāo)準(zhǔn)GB/T 14153-1993《硬質(zhì)塑料落錘沖擊試驗(yàn)方法通則》進(jìn)行測試，錘頭質(zhì)量3kg，錘頭直徑15.8mm。

2 結(jié)果與討論

2.1 外觀變化

在保險(xiǎn)杠人工加速老化結(jié)束后，保險(xiǎn)杠表面沒有裂紋、斑痕等明顯缺陷出現(xiàn)，經(jīng)與空白件對比，表面顏色無明顯變化。

2.2 機(jī)械性能變化

在保險(xiǎn)杠人工加速老化后，分別從老化后保險(xiǎn)杠、空白件上取樣，進(jìn)行材料機(jī)械性能測試，并計(jì)算材料老化前后機(jī)械性能變化率。如圖1所示，與空白件對比，人工加速老化后，材料硬度變化率為1%，拉伸強(qiáng)度變化率為7%，彎曲強(qiáng)度變化率為-4%，密度變化率為-1%，熱變形溫度變化率為-3%，懸臂梁沖擊強(qiáng)度變化率為-25%，斷裂伸長率變化率為-46%，落錘沖擊強(qiáng)度變化率為-19%。材料硬度、拉伸強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度、密度、熱變形溫度變化率均在±10%以內(nèi)，變化幅度較小;但材料斷裂伸長率、懸臂梁沖擊強(qiáng)度、落錘沖擊強(qiáng)度明顯降低。由此表明，老化后聚丙烯保險(xiǎn)杠材料斷裂伸長率、耐沖擊性明顯變差。

2.3 耐候性分析

在老化過程中，聚丙烯材料受到光照影響，材料內(nèi)部分子鏈發(fā)生斷裂，導(dǎo)致材料脆化，當(dāng)環(huán)境中存在氧氣的情況下，材料內(nèi)部分子鏈斷裂情況會進(jìn)一步加劇。同時(shí)，環(huán)境溫度升高會加速分子運(yùn)動，導(dǎo)致材料內(nèi)部的碳單鍵斷裂，材料發(fā)生熱老化。而環(huán)境中存在的水分會引起材料吸水，減弱了分子鏈間的滑移阻力，同時(shí)導(dǎo)致部分基團(tuán)發(fā)生水解，分子鏈斷裂。通過對比人工加速老化后保險(xiǎn)杠材料與空白件保險(xiǎn)杠材料的外觀、機(jī)械性能可知，在老化后，材料明顯脆化，使用壽命降低。

3 結(jié)語

通過分析對比老化前后聚丙烯保險(xiǎn)杠材料的外觀、機(jī)械性能變化，得出以下結(jié)論：

a.老化后，聚丙烯保險(xiǎn)杠材料外觀無明顯變化，拉伸強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度、密度、硬度保持率較高，但斷裂伸長率、耐沖擊韌性明顯變差，材料變脆;b.在對保險(xiǎn)杠材料進(jìn)行耐候性分析評價(jià)時(shí)，應(yīng)全面選取材料性能的評價(jià)指標(biāo)，關(guān)注保險(xiǎn)杠材料外觀、機(jī)械性能的變化，尤其需要關(guān)注材料老化后斷裂伸長率、耐沖擊性的變化;c.在保險(xiǎn)杠研發(fā)生產(chǎn)過程中，可適當(dāng)添加具有延緩、阻滯高分子材料交聯(lián)反應(yīng)的穩(wěn)定劑，用于改善保險(xiǎn)杠的耐候老化性能，延長保險(xiǎn)杠的使用壽命。

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