實(shí)驗(yàn)室水質(zhì)對(duì)汽車外飾涂層氙燈老化試驗(yàn)的影響

張志松，田立然，金嘉欣

中汽研汽車檢驗(yàn)中心(天津)有限公司，天津 300300

氙燈試驗(yàn)常用來考察非金屬材料的耐光老化性能。在汽車行業(yè)，大體可分為內(nèi)飾條件和外飾條件，其中外飾條件以考察車身外飾涂層為主。為模擬自然環(huán)境中雨水或露水對(duì)車身外飾涂層的影響，在氙燈老化試驗(yàn)中通常會(huì)增加水噴淋，被水噴淋的涂層產(chǎn)品在經(jīng)過氙燈光照后會(huì)出現(xiàn)加劇老化的現(xiàn)象。本文對(duì)比分析了不同等級(jí)的實(shí)驗(yàn)室水質(zhì)對(duì)汽車外飾涂層氙燈老化試驗(yàn)的影響，以提升氙燈老化試驗(yàn)過程的品控。

1 實(shí)驗(yàn)室水質(zhì)分類與要求

GB/T 6682-2008《分析實(shí)驗(yàn)室用水規(guī)格和試驗(yàn)方法》中將實(shí)驗(yàn)室水質(zhì)分為3個(gè)級(jí)別，即一級(jí)水、二級(jí)水和三級(jí)水，它們的各項(xiàng)參數(shù)見表1。

表1 不同級(jí)別的實(shí)驗(yàn)室水質(zhì)參數(shù)Table 1 Parameters of different levels of laboratory water

實(shí)驗(yàn)室用水從制備原理上講大體可分為蒸餾水和去離子水。蒸餾水是指經(jīng)過蒸餾、冷凝操作所得到的去除了大部分無機(jī)鹽類的水。通常情況下，一次蒸餾水只能達(dá)到三級(jí)水標(biāo)準(zhǔn)，二次蒸餾水一般可達(dá)到二級(jí)水的標(biāo)準(zhǔn)[1]。去離子水是指通過離子交換、EDI(電極電離技術(shù))、反滲透等技術(shù)去除了呈離子形式的雜質(zhì)后的純水，采用不同的制備工藝可得到不同級(jí)別的實(shí)驗(yàn)室用水。

在汽車外飾件的氙燈老化試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)中，對(duì)實(shí)驗(yàn)室用水均有明確的要求，例如GB/T 1865-2009《色漆和清漆 人工氣候老化和人工輻射曝露 濾過的氙弧輻射》中 6.4條款規(guī)定：用于潤(rùn)濕的蒸餾水或去離子水的電導(dǎo)率應(yīng)低于2 μS/cm，且蒸餾殘余物應(yīng)少于1 mg/kg；再如GB/T 32088-2015《汽車非金屬部件及材料氙燈加速老化試驗(yàn)方法》、ISO 4892-2:2013Plastics — Methods of Exposure to Laboratory Light Sources — Part 2: Xenon-Arc Lamps和SAE J2527:2017Performance Based Standard for Accelerated Exposure of Automotive Exterior Materials Using a Controlled Irradiance Xenon-Arc Apparatus中都規(guī)定用于噴淋、加濕或其他用途的水不應(yīng)在試驗(yàn)板上留下任何沉積物或污跡，水中固體顆粒含量不應(yīng)超過百萬分之一，二氧化硅含量不超過千萬分之二，這實(shí)際上是二級(jí)水的要求。

2 汽車外飾涂層氙燈老化試驗(yàn)方法

在汽車行業(yè)，針對(duì)外飾涂層，不同主機(jī)廠所采用的氙燈老化試驗(yàn)方法不盡相同，國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)以ISO 4892-2:2013為代表，美標(biāo)以SAE J2527:2017為代表，國(guó)內(nèi)以GB/T 32088-2015和GB/T 1865-2009《色漆和清漆 人工氣候老化和人工輻射曝露 濾過的氙弧輻射》為代表。一些主機(jī)廠會(huì)根據(jù)自身的研究在這些標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上對(duì)試驗(yàn)條件作出一些變更。表2列舉了兩種不同的汽車外飾氙燈老化試驗(yàn)條件。

表2 兩種氙燈老化試驗(yàn)的條件Table 2 Conditions of two different methods of xenon lamp aging test

從表2可以看出，方法1的一個(gè)試驗(yàn)循環(huán)時(shí)間為180 min，其中水噴淋時(shí)間為80 min；方法2的一個(gè)試驗(yàn)循環(huán)時(shí)間為120 min，其中水噴淋時(shí)間為18 min。為研究噴淋條件下實(shí)驗(yàn)室用水對(duì)氙燈老化試驗(yàn)的影響，本文選擇了噴淋時(shí)間較長(zhǎng)的方法1(遵循SAE J2527:2017標(biāo)準(zhǔn))，所用設(shè)備為旋轉(zhuǎn)式樣品架。

常用的汽車外飾涂裝工藝體系按照涂層可分為二涂層體系(底漆+面漆)、三涂層體系(底漆+中涂+面漆)和四涂層體系(底漆+中涂+面漆+清漆)，本文采用三涂層體系紅色漆作為研究對(duì)象，進(jìn)行2 000 h氙燈老化試驗(yàn)。

3 不同水質(zhì)下汽車外飾涂層的氙燈老化試驗(yàn)

采用兩臺(tái)獨(dú)立供水系統(tǒng)的氙燈老化箱，一臺(tái)供二級(jí)水，另一臺(tái)供三級(jí)水。

3.1 評(píng)價(jià)指標(biāo)

試驗(yàn)前后對(duì)油漆試板的外觀、光澤變化率、色差、鮮映性(DOI)變化率進(jìn)行檢查。

3.1.1 光澤

光澤是在一組幾何規(guī)定條件下對(duì)材料表面反射光的能力進(jìn)行評(píng)價(jià)的物理量[2]，常用的入射角度為20°、60°和85°。涂層分為低光漆、半光漆和高光漆。一般先以60°入射角測(cè)量漆面的光澤，光澤在10 ～ 70 GU范圍內(nèi)為半光漆。對(duì)于光澤大于70 GU的高光漆，應(yīng)改用20°入射角測(cè)量；而對(duì)于光澤小于10 GU的低光漆，則改用85°入射角測(cè)量。本文的試板均為高光漆，所以采用20°入射角測(cè)量氙燈老化試驗(yàn)前后試板的光澤，分別記為A0和A1，參照GB/T 1766-2008《色漆和清漆 涂層老化的評(píng)級(jí)方法》計(jì)算光澤變化率(wg)，如式(1)所示。

3.1.2 色差

色差反映了顏色的差別，用ΔE*表示。如圖1所示，1976年國(guó)際顏色管理委員會(huì)(CIE)采用L*、a*和b*來表示物體的顏色參數(shù)，L*為明度坐標(biāo)，a*、b*為色度坐標(biāo)。+L方向?yàn)榘咨?L方向?yàn)楹谏?a方向?yàn)榧t色，-a方向?yàn)榫G色；+b方向?yàn)辄S色，-b方向?yàn)樗{(lán)色；中心為無色[3]。本文采用d/8°積分球式色差儀，由式(2)計(jì)算色差。

圖1 色空間示意圖Figure 1 Sketch of color space

3.1.3 鮮映性

鮮映性是指涂膜表面反映影像(或投影)的清晰程度，以DOI(distinctness of image)表示，代表了涂膜的綜合裝飾效果(如光澤、平滑度、豐滿度等)，如式(3)所示。

式中，du表示晦澀度(dullness)，用來評(píng)價(jià)光線散射，反映了小于0.1 mm的表面細(xì)微結(jié)構(gòu)對(duì)視覺外觀的影響；wa反映的是尺寸在0.1 ～ 0.3 mm之間表面結(jié)構(gòu)狀況對(duì)視覺的影響；wb反映的是尺寸在0.3 ～ 1.0 mm之間表面結(jié)構(gòu)狀況對(duì)視覺的影響[4]。

采用式(4)計(jì)算試驗(yàn)前后DOI的變化率(wDOI)，其中DOI0和DOI1分別表示試驗(yàn)前、后的DOI。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果

經(jīng)過2 000 h氙燈老化試驗(yàn)后，三級(jí)水供應(yīng)設(shè)備中的試板表面出現(xiàn)可視斑點(diǎn)，如圖2所示。二級(jí)水供應(yīng)設(shè)備中的試板表面目視有輕微變色，灰度等級(jí)為4-5級(jí)，屬于可接受的程度，無可視斑點(diǎn)、粉化、脫落等現(xiàn)象。

圖2 試板在三級(jí)水供應(yīng)設(shè)備中進(jìn)行氙燈老化試驗(yàn)后的外觀Figure 2 Appearance of painted panel after xenon lamp aging test with grade 3 water supply equipment

表3為二級(jí)水和三級(jí)水供應(yīng)設(shè)備中試驗(yàn)后試板的光澤變化率、色差和DOI變化率。從中可以看出，三級(jí)水供應(yīng)設(shè)備中紅色試板的3種指標(biāo)數(shù)據(jù)普遍比二級(jí)水供應(yīng)設(shè)備中試板的數(shù)據(jù)高，其中光澤變化率的差距最為顯著。

表3 涂層試板在氙燈老化試驗(yàn)后光澤變化率、色差和DOI變化率Table 3 Glossiness variation, color difference, and DOI variation of painted panels after xenon lamp aging test

4 涂層試板表面斑點(diǎn)成分分析

使用牛津EVO 15掃描電鏡(SEM)及其附帶的能譜儀(EDS)進(jìn)一步分析三級(jí)水供應(yīng)設(shè)備中試板涂層表面斑點(diǎn)的成分，結(jié)果見圖3、圖4和表4。從中可知，涂層中主要含C、N、O和Si四種元素，斑點(diǎn)處有涂層脫落。

表4 試板表面整體的元素組成Table 4 Overall elemental composition of painted panel（單位：%）

圖3 試板斑點(diǎn)部位的SEM圖像Figure 3 SEM images of defective spot on painted panel

圖4 試板斑點(diǎn)部位的EDS面掃圖像Figure 4 EDS mapping images of defective spot on painted panel

如圖5所示，進(jìn)一步對(duì)斑點(diǎn)及其附近不同位點(diǎn)進(jìn)行EDS分析，結(jié)果列于表5。可見斑點(diǎn)部位(對(duì)應(yīng)譜圖1-3和9-13)的Si、O含量明顯高于正常部位(譜圖4、5、8)。另外，正常部位存在大量白色點(diǎn)狀物質(zhì)(譜圖6和7)，它們的Si質(zhì)量分?jǐn)?shù)都高于正常部位。

表5 斑點(diǎn)及其附近各元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)Table 5 Mass fractions of different elements at a defective spot and in its vicinity（單位：%）

圖5 EDS分析取樣點(diǎn)Figure 5 Positions for analysis by EDS

結(jié)合斑點(diǎn)部位的SEM和EDS分析結(jié)果可知，斑點(diǎn)部位的主要成分為含氧化硅的化合物。這說明實(shí)驗(yàn)室用水的Si含量是影響汽車外飾涂層產(chǎn)品氙燈老化試驗(yàn)結(jié)果的主要因素，應(yīng)對(duì)其加以控制并做好日常點(diǎn)檢。水中硅含量的檢測(cè)可參考GB/T 6682-2008進(jìn)行，也可使用硅酸鹽水質(zhì)快速檢測(cè)盒等進(jìn)行檢測(cè)。

5 結(jié)論

在汽車外飾涂層產(chǎn)品氙燈老化試驗(yàn)中，氙燈老化箱噴淋、濕潤(rùn)所用到的水至少要滿足GB/T 6682-2008標(biāo)準(zhǔn)中二級(jí)水的要求，三級(jí)水的水質(zhì)(尤其是其硅含量)會(huì)直接影響試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)外觀和光澤變化率的影響最為顯著。建議實(shí)驗(yàn)室的氙燈老化箱使用單獨(dú)的純水供應(yīng)系統(tǒng)，并對(duì)氙燈老化箱噴淋出水口的水質(zhì)做好日常點(diǎn)檢和監(jiān)測(cè)。