高透塑膠材料SAE J2527 氙燈老化測試結(jié)果偏離的原因分析及對策

洪城明

（道生天合材料科技（上海）股份有限公司，上海）

引言

隨著汽車輕量化和電動化趨勢，外飾塑膠材料的應用大幅增加，同時各主機廠對其耐候性能要求也越來越高。目前汽車工業(yè)中，實驗室氙燈加速老化在多種材料加速光老化技術(shù)中屬于最先進、也是應用最廣泛的測試技術(shù)，能快速預測和評估塑膠材料在生命周期的耐侯耐性能[1]。因此規(guī)范開展實驗室氙燈老化測試，對客觀評估塑膠材料耐候性能、推動新材料開發(fā)改進以及產(chǎn)品質(zhì)量控制都有著重要意義。

美國汽車工程學會標準SAE J2527[2]是評估汽車外飾材料氙燈老化性能的主要標準之一。實驗室參加了某主機廠組織的依據(jù)該標準的氙燈光老化測試比對，樣品為具有高透光率的塑膠材料，比對結(jié)果顯示樣品的色差和黃變指標偏離。本文針對試驗過程的各影響因素進行分析，確認了造成結(jié)果偏離的原因，并開展技術(shù)驗證，建立長期預防措施。

1 試驗原理及結(jié)果偏離失效現(xiàn)象

1.1 試驗原理

根據(jù)外飾材料在室外環(huán)境中的晝夜不同光照條件，并結(jié)合冷凝、雨淋等濕態(tài)條件，SAE J2527 標準從光熱水三個環(huán)境因素模擬室外環(huán)境，標準測試循環(huán)步驟如表1。每個測試循環(huán)包括4 步階段，每循環(huán)的總輻照能量為3.96 kJ·m-2·nm-1@340nm。

表1 SAE J2527 測試循環(huán)步驟

具體測試參數(shù)控制要求如表2。

表2 SAE J2527 各步驟的目標參數(shù)控制

比對試驗采用兩組代碼分別為Z01 和V02 的高透樣品同步開展，試驗總輻照劑量為442kJ/m2@340nm，在試驗中的94.8 kJ/m2、221.2 kJ/m2、316 kJ/m2、442 kJ/m2四個輻照節(jié)點，分別測試樣品的色差ΔE 和黃變指數(shù)Δb。

1.2 結(jié)果偏離失效現(xiàn)象

根據(jù)比對統(tǒng)計分析，樣品Z01 的色差ΔE 和黃變Δb 均偏大離群[3]，樣品V02 雖未離群，但測試值同樣呈現(xiàn)偏高趨勢。結(jié)果表明，樣品在試驗中產(chǎn)生了過度老化，導致色差ΔE 和黃變Δb 高于正常范圍，并且在相同測試條件下，Z01 的老化趨勢較V01 更為顯著。

2 原因分析

針對試驗中可能造成樣品色差和黃變指標偏離以及可能引起樣品過度老化的因素進行分析。具體分析因素如表3 所示，并逐一進行追溯驗證和技術(shù)分析。

表3 造成試驗結(jié)果偏離的可能因素

2.1 氙燈箱運行控制追溯

比對試驗采用轉(zhuǎn)鼓水冷型氙燈試驗箱，型號為Atlas Ci4400。黑板溫度計、輻照度計、箱體溫濕度計以及標準氙燈管均為參數(shù)控制監(jiān)測的關(guān)鍵部件，經(jīng)查校準信息，技術(shù)狀態(tài)均正常。氙燈燈管作為試驗光源，是影響輻照度和光譜分布的核心部件，設(shè)備所用氙燈燈管有效壽命為2 000 H，經(jīng)查使用記錄，燈管在試驗中處于最佳壽命狀態(tài)。實驗室定期進行輻照強度核查，經(jīng)查相關(guān)記錄，試驗中設(shè)備的輻照度核查校正開展有效。

其次檢查氙燈箱參數(shù)設(shè)置及運行狀態(tài)。根據(jù)氙燈箱的運行參數(shù)曲線，如圖1 所示，試驗中的實際參數(shù)設(shè)置均符合標準要求，參數(shù)波動也在正常范圍內(nèi)。

圖1 Ci4400 氙燈箱運行SAE J2527 的實測控制曲線

試驗中通過對樣品噴淋來模擬冷凝及雨淋效應，加速塑膠材料的結(jié)構(gòu)劣化從而加速老化[4]。因此噴淋水質(zhì)的影響不可忽略，試驗采用的噴淋水經(jīng)反滲透系統(tǒng)去離子化，經(jīng)送檢，水質(zhì)符合標準要求。具體指標如表4 所示。

表4 噴淋水質(zhì)指標

試驗中采用標準PS 質(zhì)控板（批次Lot9）監(jiān)測設(shè)備總體運行狀態(tài)，每周按規(guī)定輻照劑量取出PS 質(zhì)控板并測量黃變值Δb，經(jīng)對比其黃變值參考范圍，如圖2，可以判斷氙燈箱在試驗中的總體運行符合要求。

圖2 試驗中PS 質(zhì)控板實際黃變與參考黃變Δb

2.2 顏色測試方法確認

試驗中樣品的色差ΔE 及黃變Δb 通過分光測色計測量，型號為柯尼卡美能達CM-2500d，SAE J2527 中顏色測試參數(shù)見表5，經(jīng)確認，試驗參數(shù)選擇符合要求。實施比對的試驗員具備主機廠認可資質(zhì)，經(jīng)考察確認，各操作步驟均符合作業(yè)規(guī)范及標準要求。

表5 標準參數(shù)要求

另外，測試顏色時，針對透明試驗樣品，應在樣品下方用標準白板或等同物質(zhì)作為一致的測試背景。實際試驗中，組織方統(tǒng)一提供了淡黃色非熒光卡紙作為背景色。

綜上分析，氙燈箱實際運行控制以及顏色的測試方法均符合要求。

2.3 樣品因素

首先分析試驗樣品Z01 和V02 的具體材質(zhì)，采用FTIR 進行紅外分析，儀器型號為ThermoFisher Nicolet iS-5，分析譜圖如圖3、圖4 所示。

圖3 Z01 樣品的FTIR 譜圖

圖4 V02 樣品的FTIR 譜圖

經(jīng)譜圖解析，Z01 樣品材質(zhì)為PS，V02 樣品材質(zhì)為PC。將Z01 與PS 質(zhì)控板進行匹配度分析，如圖5，兩者的匹配度為100%，因此可得結(jié)論，Z01 樣品與PS 質(zhì)控板同材。

圖5 Z01 樣品與PS 質(zhì)控板的紅外譜圖比對

從圖6 可見，試驗中PS 質(zhì)控板在各輻照能量點的色差ΔE 和黃變Δb 值始終在Z01 參考偏差范圍內(nèi)，未出現(xiàn)顯著偏離。而同材質(zhì)的Z01 樣品的實際色差ΔE 與黃變指數(shù)Δb 均顯著高于PS 質(zhì)控板。

圖6 質(zhì)控PS 板實測、Z01 樣品實測與Z01 參考色差ΔE 和參考黃變指數(shù)Δb 比較

試驗中的質(zhì)控PS 板由樣品夾固定后緊靠黑板溫度計放置在轉(zhuǎn)鼓架上，樣品Z01 和V02 也由樣品夾固定后放置在轉(zhuǎn)鼓同一水平位置，因此試樣與質(zhì)控PS 板同光源距離一致。

綜上分析，質(zhì)控PS 板與Z01 樣品雖同材，但在相同試驗條件下出現(xiàn)了顯著結(jié)果差異。因此通過比較質(zhì)控PS板與Z01 樣品在試驗中的差異點，就可鎖定結(jié)果偏離原因。

經(jīng)核對測試操作，最終確認差異點為樣品的裝夾方式。試驗中，試驗員根據(jù)常規(guī)操作，在樣品背部安裝了鋁制背板，而質(zhì)控PS 板則按規(guī)范未采用鋁制背板。背板的作用是支撐試樣及遮擋缺漏部位，而關(guān)于背板的使用原則，SAE J2527 中并未明確說明，因此在常規(guī)操作中都會使用背板。同類外飾氙燈老化測試標準ASTM G155則指出樣品裝夾時是否使用背板應根據(jù)測試相關(guān)方的具體要求而定。

3 驗證分析及改進對策

3.1 試驗驗證分析

在氙燈老化測試中，鋁制背板的裝夾方式差異對透明塑膠樣品老化過程的影響如何形成，對此開展了驗證測試和探討。依據(jù)SAE J2527 標準，用質(zhì)控PS 板作為試樣，分別裝夾和不裝夾鋁背板，測試在同一輻照劑量下兩者的黃變Δb，結(jié)果如圖7 所示。

圖7 不同夾持方式引起老化的黃變指數(shù)Δb 比較

從驗證數(shù)據(jù)得到結(jié)論，在同樣測試條件下裝夾鋁背板的PS 板的黃變值Δb 較無背板的樣品更高，表明背板的裝夾造成樣品的老化程度增加，老化速率更快。具體原因是，在裝夾背板后，樣品背部的空氣對流受限，延緩熱量釋放而導致熱量聚集，因此樣品實際光熱老化速率加劇，老化程度增加，從而引起黃變值數(shù)據(jù)更大。

兩種不同裝夾方式的PS 板累計505.6 kJ/m2輻照后，通過DSC 分析兩者玻璃化溫度（Tg），結(jié)果顯示，裝夾背板的PS 板Tg 為92.3 ℃，未裝夾背板的PS 板Tg 為93.3 ℃，Tg 溫度的下降表明背板裝夾導致老化趨嚴，同樣條件下的分子鏈降解程度更大。

針對V02 樣品數(shù)據(jù)未離群的現(xiàn)象，從其色差ΔE和黃變Δb 的數(shù)據(jù)看，也因裝夾背板同樣呈現(xiàn)數(shù)值偏高和老化更嚴重的趨勢。從材料結(jié)構(gòu)角度分析，V02 的PC材質(zhì)，相比于PS 的脂肪族主鏈結(jié)構(gòu)，其雙酚A 型芳香族主鏈結(jié)構(gòu)具備更高鍵能，測試時能經(jīng)受更高能量光子轟擊，同等條件下分子斷鏈更少，老化速率更慢。

3.2 改進對策

根據(jù)上述分析結(jié)果和驗證結(jié)論，在氙燈加速測試中，透明塑膠樣品雖因結(jié)構(gòu)差異有不同的耐老化性，但總體上相比于常規(guī)不透明樣品，其黃變和色差效應更易顯現(xiàn)，因此針對透明塑膠樣品，實驗室要求在滿足支撐和足夠遮擋尺寸的前提下，測試裝夾時均不使用背板，避免背板導致散熱困難而引起的加速老化效應。

4 結(jié)論

本文針對SAE J2527 標準氙燈老化比對試驗中的高透塑膠樣品結(jié)果偏離，開展原因分析，從氙燈箱運行控制、顏色測試、樣品三個因素展開進行過程追溯和技術(shù)分析，確定了導致結(jié)果偏離的原因在于樣品裝夾時的背板使用。通過試驗驗證了裝夾背板對高透塑膠樣品在氙燈老化中的影響機制，即背板促進樣品熱量積聚從而加速老化，對于高透塑膠材料，黃變和色差效應更易顯現(xiàn)。針對高透塑膠材料的氙燈老化試驗方法，確認預防措施，即在滿足試樣支撐和足夠遮擋尺寸的前提下均不使用背板，從而提升測試結(jié)果的可靠性。