汽車(chē)外飾塑料戶外曝曬與氙燈老化試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

摘要： 為研究外飾塑料在戶外曝曬和氙燈老化試驗(yàn)中的結(jié)果是否一致，選用了8種材料開(kāi)展試驗(yàn)，對(duì)比了外觀、色差、光澤度和拉伸強(qiáng)度，并利用相關(guān)系數(shù)分析了二者之間的相關(guān)性。研究結(jié)果顯示，不同材料的氙燈老化和戶外曝曬的結(jié)果不同。其中，6種外飾塑料在海南地區(qū)曝曬后比敦煌地區(qū)曝曬后的老化程度更嚴(yán)重。對(duì)于聚甲基丙烯酸甲酯、丙烯腈-丁二酸-苯乙烯合金（PMMA+ASA）、聚碳酸酯（PC）和聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA），SAE J2527不能準(zhǔn)確模擬海南地區(qū)的曝曬結(jié)果，氙燈老化4 000 kJ后與戶外曝曬2年后的拉伸強(qiáng)度變化率基本相同。

關(guān)鍵詞：老化 外飾塑料 戶外曝曬 氙燈老化

中圖分類(lèi)號(hào)：U465.4" "文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B" "DOI： 10.19710/J.cnki.1003-8817.20240221

Comparison between Outdoor Exposure and Xenon Lamp Aging Test for Automotive Exterior Trim Plastics

Luo Xiyuan， Wang Wei， Lan Yonghao， Sun Pengfei， Wang Zhibai

（Changan Automobile Global Ramp;D Center， Chongqing 401120）

Abstract： To in vestigate the consistency of results from outdoor exposure and xenon lamp aging tests on exterior plastics， 8 kinds of materials are selected to compare their appearance， clolr difference， gloss and tensile strength， and correlation coefficient is used to analyze the correlation between the two tests. The research results show that results of xenon lamp aging and outdoor exposure vary for ditferent materials， among which 6 materials have more severe results after Hainan exposure than Dunhuang exposure. For PMMA+ASA， PC and PMMA， SAE J2527 cannot accurately simulate exposure results in Hainan region. Furthermore the changes of tensile strength after xenon arc exposure 4 000 kJ are the same as 2 years outdoor exposure.

Key words： Aging， Exterior trim plastics， Outdoor exposure， Xenon lamp aging

1 前言

戶外曝曬和氙燈老化試驗(yàn)是汽車(chē)非金屬材料最常用的老化試驗(yàn)方法。氙燈老化試驗(yàn)是實(shí)驗(yàn)室驗(yàn)證汽車(chē)非金屬材料老化性能的主要試驗(yàn)方法，模擬了戶外老化條件。戶外曝曬試驗(yàn)最接近用戶實(shí)際使用狀態(tài)，試驗(yàn)條件為曝曬地的自然環(huán)境。

由于不同地區(qū)的氣候環(huán)境不同，不同暴曬地點(diǎn)的氣候環(huán)境存在差異，因此，戶外暴曬試驗(yàn)結(jié)果也存在差異。目前，汽車(chē)行業(yè)主要選擇2種氣候環(huán)境的暴曬地點(diǎn)，一種是干熱氣候環(huán)境的曝曬地，如中國(guó)敦煌、新疆，美國(guó)亞利桑那。另一種是濕熱氣候環(huán)境的暴曬地，如中國(guó)的海南和美國(guó)佛羅里達(dá)。

戶外曝曬試驗(yàn)的周期較長(zhǎng)，至少需要一年，很難滿足目前的汽車(chē)開(kāi)發(fā)周期。氙燈老化試驗(yàn)的周期相對(duì)較短，對(duì)于汽車(chē)外飾塑料，試驗(yàn)周期一般為3～4個(gè)月，是汽車(chē)開(kāi)發(fā)過(guò)程中的主要試驗(yàn)方法。氙燈老化試驗(yàn)?zāi)M了戶外的光照、溫度和濕度條件，但與戶外暴曬的相關(guān)性是汽車(chē)行業(yè)關(guān)心的重要問(wèn)題。汽車(chē)主機(jī)廠和設(shè)備供應(yīng)商均有相關(guān)研究，李慧蓮[1]等研究了儀表板材料氙燈老化試驗(yàn)結(jié)果與自然曝曬試驗(yàn)結(jié)果的相關(guān)性。柳立志、龔雯雯[2-3]研究了內(nèi)飾塑料氙燈老化試驗(yàn)結(jié)果與戶外曝曬試驗(yàn)結(jié)果的相關(guān)性。孫杏蕾[4]研究了外飾油漆氙燈老化試驗(yàn)和戶外曝曬試驗(yàn)結(jié)果的相關(guān)性。早在1987年，Gugumus[5]團(tuán)隊(duì)即研究了氙燈老化試驗(yàn)結(jié)果與戶外曝曬試驗(yàn)結(jié)果的相關(guān)性，分析了低密度聚乙烯（Low Density Polyethylene，LDPE）在歐洲中部和美國(guó)佛羅里達(dá)州的試驗(yàn)結(jié)果與實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)結(jié)果的相關(guān)性。Hamid[6]等研究了聚乙烯（Polyethylene，PE）材料在沙特地區(qū)曝曬試驗(yàn)結(jié)果與實(shí)驗(yàn)室加速試驗(yàn)結(jié)果的相關(guān)性。Tidjani[7]和Lü[8]等研究了聚丙烯（Polypropylene，PP）材料戶外曝曬試驗(yàn)結(jié)果與實(shí)驗(yàn)室加速試驗(yàn)結(jié)果的相關(guān)性。以上研究結(jié)果表明，不同曝曬地點(diǎn)、試驗(yàn)設(shè)備、材料的測(cè)試結(jié)果存在差異，因此，需要研究不同外飾塑料在戶外曝曬與氙燈老化試驗(yàn)間的相關(guān)性。

本文收集8種汽車(chē)外飾塑料，開(kāi)展氙燈老化試驗(yàn)和戶外曝曬試驗(yàn)，戶外曝曬地點(diǎn)為海南萬(wàn)寧和甘肅敦煌，并通過(guò)對(duì)比每種材料在氙燈老化、萬(wàn)寧和敦煌曝曬后的測(cè)試結(jié)果，分析氙燈老化和戶外曝曬試驗(yàn)結(jié)果的相關(guān)性。

2 試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)樣品

試驗(yàn)采用的樣品是汽車(chē)行業(yè)中常用的8種外飾塑料，每種樣品取3個(gè)平行樣，試驗(yàn)總樣本量為24個(gè)，如表1所示。

2.2 試驗(yàn)方法

氙燈老化試驗(yàn)方法采用SAE J2527-2017[9]，是汽車(chē)行業(yè)常用的外飾材料試驗(yàn)方法，其中總輻照量為4 000 kJ，每500 kJ評(píng)價(jià)色差、光澤度、拉伸強(qiáng)度，具體內(nèi)容如表2所示。

戶外曝曬試驗(yàn)的地點(diǎn)為海南萬(wàn)寧和甘肅敦煌。

萬(wàn)寧大氣試驗(yàn)站位于東經(jīng)110°15'、北緯18°58'，海拔12.3 m，平均溫度為24.6 ℃，平均相對(duì)濕度為86%，年總輻照量為4 826 MJ/m2，年總?cè)照諘r(shí)間為2 154 h，年降水總量為1 515 mm，降水pH值為5.4，屬于典型的高溫高濕海洋大氣環(huán)境。

敦煌大氣試驗(yàn)站海拔為1 199 m，平均溫度為10.8 ℃，最高溫度為45.6 ℃，最低溫度為-28.6 ℃，平均相對(duì)濕度為38%，年總輻照量為6 425.4 MJ/m2，年總?cè)照諘r(shí)間為3 257.8 h，年降水總量為39 mm，屬于典型的干熱沙漠環(huán)境條件。

戶外曝曬試驗(yàn)方法如表3所示。樣品暴曬過(guò)程中無(wú)背板，方向朝南，與水平面夾角為5°，如圖1所示。暴曬時(shí)間為2年，每3個(gè)月評(píng)價(jià)一次色差、光澤度、拉伸強(qiáng)度。

色差測(cè)量按照GB/T 3979—2008《物體色的測(cè)量方法》執(zhí)行，測(cè)量條件為：D65光源，10°觀察角，包含鏡面反射光。光澤度測(cè)量按照ASTM D523-14（2018）《Standard Test Method for Specular Gloss》執(zhí)行，測(cè)量角為60°。拉伸強(qiáng)度測(cè)量按照GB/T 1040.2—2022 《塑料拉伸性能的測(cè)定 第2部分：模塑和擠塑塑料的試驗(yàn)條件》執(zhí)行，1A型樣條，拉伸速度為50 mm/min。

本文利用皮爾遜相關(guān)系數(shù)r來(lái)表征氙燈老化試驗(yàn)與實(shí)際曝曬試驗(yàn)結(jié)果的相關(guān)性。相關(guān)系數(shù)越接近1，說(shuō)明二者之間的相關(guān)性越好。

2.3 試驗(yàn)設(shè)備

氙燈老化采用Atlas公司的Ci4000氙氣老化試驗(yàn)機(jī)，該設(shè)備具有3層試樣架，可容納65個(gè)樣品。采用S Boro/S Boro濾鏡后的光譜與太陽(yáng)光譜十分接近，同時(shí)該設(shè)備可噴淋，模擬戶外的雨水和潮濕條件。

色差儀采用Konica Minolta公司的積分球色差儀CM-700D，光學(xué)結(jié)構(gòu)D/8。儀器重復(fù)性：色度值標(biāo)準(zhǔn)偏差小于0.04。

光澤度儀采用Konica Minolta公司的MG268，該設(shè)備屬于三角度測(cè)試儀，具有20°、60°和85°測(cè)試角。儀器重復(fù)性：0.2 GU（10 GU～100 GU）、±0.2%（100 GU～2 000 GU）。

拉伸試驗(yàn)機(jī)采用Zwick公司的Z010。

3 結(jié)果及分析

3.1 外觀對(duì)比

圖2為樣品氙燈老化試驗(yàn)、海南和敦煌曝曬試驗(yàn)后的照片。PMMA+ASA、PC在海南暴曬后明顯變色，在氙燈老化和敦煌曝曬后顏色變化不明顯。

ASA、PA6-GF30、PP+EPDM+TD15、免噴涂PP、TPE等材料在氙燈老化和海南暴曬后的顏色變化基本一致，均比敦煌曝曬后的顏色變化更明顯。

3.2 色差對(duì)比

圖3所示為8種材料在氙燈老化和戶外暴曬下的色差-輻照量曲線。ASA和TPE在海南曝曬2年后的色差與敦煌曝曬2年后的色差基本一致，其他6種材料在海南曝曬2年后的色差均大于敦煌曝曬2年后的色差。

關(guān)于氙燈老化后的色差和戶外曝曬后的色差對(duì)比，不同材料的表現(xiàn)結(jié)果不同。對(duì)于PMMA+ASA、PC、PMMA和PP+EPDM-TD15，氙燈老化4 000 kJ和敦煌曝曬2年的色差基本一致，均小于海南暴曬2年的結(jié)果。對(duì)于PA6-GF30、免噴涂PP和TPE，氙燈老化4 000 kJ和海南暴曬2年的色差基本一致，均大于敦煌曝曬的結(jié)果。對(duì)于ASA，氙燈老化4 000 kJ與海南、敦煌曝曬2年的結(jié)果基本一致。

圖4為各種材料在3種試驗(yàn)下的色差相關(guān)系數(shù)。氙燈老化與海南曝曬的相關(guān)系數(shù)范圍為0.42～0.96，與敦煌曝曬后的相關(guān)系數(shù)范圍為0.5～0.9，說(shuō)明氙燈老化試驗(yàn)與戶外曝曬具有相關(guān)性。

對(duì)于不同的材料，氙燈老化和戶外曝曬的相關(guān)系數(shù)不同。對(duì)于免噴涂PP、TPE，氙燈老化試驗(yàn)和戶外曝曬的相關(guān)性較好，均高于0.8。對(duì)于PA6-GF30、PMMA+ASA，氙燈老化試驗(yàn)和戶外曝曬的相關(guān)性稍差，低于0.7。對(duì)于PC、ASA、PP+EPDM-TD15和免噴涂PP，氙燈老化與海南曝曬的相關(guān)性系數(shù)更高，相關(guān)性更好。對(duì)于PMMA+ASA、PMMA、PA6-GF30和TPE，氙燈老化試驗(yàn)與敦煌曝曬的相關(guān)系數(shù)更高，相關(guān)性更好。

圖5所示為氙燈老化對(duì)戶外暴曬的色差加速因子。對(duì)于不同的材料，氙燈老化試驗(yàn)對(duì)戶外曝曬的色差加速因子不同。除ASA外，其他材料氙燈對(duì)海南戶外暴曬的加速因子均小于對(duì)敦煌戶外暴曬的加速因子。

對(duì)于PMMA+ASA、PC和PMMA，氙燈對(duì)海南戶外曝曬的加速因子較小，氙燈4個(gè)月的結(jié)果明顯小于海南曝曬2年后的結(jié)果，如圖3所示，說(shuō)明氙燈老化（僅指SAE J2527-2017標(biāo)準(zhǔn)下）不能很好地模擬海南的試驗(yàn)結(jié)果，需要考慮其他方法驗(yàn)證老化性能。

3.3 光澤度對(duì)比

圖6所示為8種材料在氙燈老化和戶外曝曬下的光澤度變化率-輻照量曲線。ASA在海南曝曬2年后與敦煌曝曬2年后的光澤度變化率基本一致，PP+EPDM-TD15在海南曝曬2年后的光澤度變化率小于敦煌曝曬2年后的結(jié)果。其他6種材料在海南曝曬2年后的光澤度變化率均大于敦煌曝曬2年后的結(jié)果。

關(guān)于氙燈老化后的光澤度變化率和戶外曝曬后的結(jié)果對(duì)比，不同材料的表現(xiàn)不同。ASA、免噴涂PP和TPE在氙燈老化4 000 kJ后，與海南、敦煌曝曬2年后的光澤度變化率基本一致；PMMA+ASA、PC和PMMA氙燈老化4 000 kJ后，與敦煌曝曬2年后的光澤變化率基本一致，小于海南曝曬2年后的結(jié)果；對(duì)于PA6-GF30和免噴涂PP，氙燈老化4 000 kJ與海南曝曬2年后的光澤度變化率基本一致，高于敦煌曝曬2年后的結(jié)果；對(duì)于PP-EPDM-TD15，氙燈老化4 000 kJ與海南曝曬2年后的光澤度變化率基本一致，小于敦煌曝曬2年后的結(jié)果。

圖7為各種材料在氙燈老化試驗(yàn)后的光澤度變化與戶外曝曬結(jié)果的相關(guān)系數(shù)。氙燈老化與海南曝曬后的相關(guān)系數(shù)范圍為0.11～0.98，與敦煌曝曬后的相關(guān)系數(shù)范圍為0.11～0.97。

不同材料的氙燈老化和戶外曝曬相關(guān)系數(shù)不同。對(duì)于PMMA+ASA、PC、PA6-GF30和免噴涂PP，氙燈老化試驗(yàn)和戶外曝曬的相關(guān)性較好，相關(guān)系數(shù)均高于0.8。對(duì)于PMMA和ASA，氙燈老化試驗(yàn)和戶外曝曬的相關(guān)性系數(shù)低于0.5，相關(guān)性較差。對(duì)于PP+EPDM-TD15，氙燈老化與敦煌曝曬的相關(guān)性系數(shù)為0.91，相關(guān)性較好，與海南曝曬的相關(guān)系數(shù)為0.11，相關(guān)性較差。

圖8所示為氙燈老化對(duì)戶外暴曬的光澤度加速因子。不同材料的氙燈老化試驗(yàn)對(duì)戶外曝曬的光澤度加速因子不同。除PP+EPDM-TD15和PMMA外，其他材料氙燈對(duì)海南的加速因子均小于對(duì)敦煌的加速因子。

3.4 拉伸強(qiáng)度

圖9所示為8種材料在氙燈老化和戶外曝曬下的拉伸強(qiáng)度-輻照量曲線。海南曝曬2年后與敦煌曝曬2年后的拉伸強(qiáng)度變化率基本一致。

8種材料的拉伸強(qiáng)度變化率均小于30%。對(duì)于PMMA+ASA，氙燈老化4 000 kJ后的拉伸強(qiáng)度變化率小于戶外曝曬2年后的結(jié)果。對(duì)于其他材料，氙燈老化4 000 kJ后與戶外曝曬2年后的拉伸強(qiáng)度變化率基本相同。

4 結(jié)論

a.6種材料在海南曝曬2年后的色差和光澤度變化大于敦煌曝曬2年后的結(jié)果，說(shuō)明大部分外飾塑料在海南曝曬的結(jié)果更嚴(yán)重。萬(wàn)寧全年的輻照量和日照時(shí)間均小于敦煌，但平均溫度和平均濕度高于敦煌。說(shuō)明外飾塑料的老化因素除輻照量外，溫度和濕度也起著關(guān)鍵的作用。

b.不同材料在氙燈老化和戶外曝曬試驗(yàn)中的表現(xiàn)不同。部分材料氙燈老化4 000 kJ后的結(jié)果與海南、敦煌曝曬2年后的結(jié)果一致，如ASA、TPE；部分材料氙燈老化4 000 kJ后的結(jié)果與海南曝曬2年后的結(jié)果更接近，如PA6-GF30、免噴涂PP；部分材料氙燈老化4 000 kJ后的結(jié)果與敦煌曝曬2年后的結(jié)果更接近，如PMMA+ASA、PC和PMMA。SAE J2527不能很好地模擬這3種材料海南曝曬結(jié)果，需結(jié)合其他方法驗(yàn)證老化性能。

c.氙燈老化與海南曝曬的色差相關(guān)系數(shù)范圍為0.42～0.96，與敦煌曝曬后的色差相關(guān)系數(shù)范圍為0.5～0.9，說(shuō)明氙燈老化與戶外曝曬的色差具有相關(guān)性。

d.氙燈老化與海南曝曬的光澤度相關(guān)系數(shù)范圍為0.11～0.98，與敦煌曝曬后的光澤度相關(guān)系數(shù)范圍為0.11～0.97。不同材料氙燈老化與戶外曝曬后的光澤度相關(guān)性不同，ASA在氙燈老化后的光澤度與戶外曝曬后的光澤度相關(guān)性較差，與海南和敦煌的相關(guān)系數(shù)分別為0.28和0.11。PA6-GF30和免噴涂PP在氙燈老化后的光澤度與海南、敦煌曝曬后的光澤度相關(guān)性均較好，相關(guān)系數(shù)均高于0.9。

e.7種外飾塑料氙燈老化4 000 kJ后與戶外曝曬2年后的拉伸強(qiáng)度變化率基本相同，僅PMMA+ASA氙燈老化4 000 kJ后的拉伸強(qiáng)度變化率小于戶外曝曬2年后的結(jié)果。

參考文獻(xiàn)：

[1] 李慧連， 王文濤， 李莉， 等. 汽車(chē)儀表板材料氙燈老化試驗(yàn)與自然曝曬試驗(yàn)相關(guān)性研究[J]. 裝備環(huán)境工程， 2014， 11（1）： 30-33.

[2] 柳立志， 張恒， 孫杏蕾. 實(shí)驗(yàn)室加速老化試驗(yàn)與戶外曝曬試驗(yàn)的對(duì)比研究-汽車(chē)內(nèi)飾塑料氙燈試驗(yàn)與戶外曝曬試驗(yàn)之間的相關(guān)性研究[J]. 汽車(chē)工藝與材料， 2016（7）： 49-52.

[3] 龔雯雯， 張恒， 孫杏蕾. 實(shí)驗(yàn)室加速老化試驗(yàn)與戶外曝曬試驗(yàn)的對(duì)比研究-汽車(chē)內(nèi)飾塑料氙燈試驗(yàn)與戶外曝曬試驗(yàn)之間的加速因子[J]. 汽車(chē)工藝與材料， 2016（9）： 54-56.

[4] 孫杏蕾. 實(shí)驗(yàn)室加速老化試驗(yàn)與戶外曝曬試驗(yàn)的對(duì)比研究-外飾油漆氙燈試驗(yàn)與戶外曝曬試驗(yàn)之間的相關(guān)性研究[J]. 汽車(chē)工藝與材料， 2016（8）： 11-14.

[5] GUGUMUS F. The Use of Accelerated Tests in the Evaluation of Antioxidants and Light Stabilizers[J]. Development in Polymer Stabilisation， 1987， 8： 239-289.

[6] HAMID S H， AMIN M B. Lifetime Prediction of Polymers[J]. Journal of Applied Polymer Science， 1995， 55（10）： 1385-1394.

[7] TIDJANI A. Photooxidation of Polypropylene under Natural and Accelerated Weathering Conditions[J]. Journal of Applied Polymer Science， 1997， 64（13）： 2497-2503.

[8] Lü Y D， HUANG Y J， YANG J L， et al. Outdoor and Accelerated Laboratory Weathering of Polypropylene： A Comparision and Correlation Study[J]. Polymer Degradation and Stability， 2015， 112： 145-159.

[9] Performance Based Standard for Accelerated Exposure of Automotive Exterior Materials Using a Controlled Irradiance Xenon-Arc Apparatus： SAE J 2527-2017[S/OL]. 2017-09-19[2024-06-12]. https：//saemobilus.sae.org/standards/j2527_201709-performance-based-standard-accelerated - exposure-automotive-exterior-mat?erials-using-a-controlled-irradiance-xenon-arc-appara?tus.