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汽车用高分子材料的老化测试技术之一

[ 作者:Novtec  日期:2013-12-24 ]

汽车用高分子材料的老化测试技术之一
   节能、提高质量和功能、节约用材、简化工艺越来越成为汽车制造行业关注的焦点,汽车塑料化已成为解决上述问题的重要技术途径之一,且成为发展的大趋势。塑料件由普通的装饰件和软垫逐步向结构件和功能件转变,如塑料保险杠、仪表板、燃油箱等。越来越多的高分子材料在汽车生产制造中发挥着重要作用,高分子材料的老化测试技术也相应地倍受重视。
1.基本老化因素
   汽车用高分子材料老化降解的三个主要气候因素为:日光辐射、水(湿度)和温度。其中不仅有数量的问题,各参数的质量也是一个很重要的因素。不同波长的日光对高分子材料会造成不同程度的破坏,因为特定的高分子材料只吸收特定波长的光;材料与水的接触也分为不同的形式和阶段,这些不同将会导致不同的降解过程;温度的冷热循环会产生机械应力,特别是对于复合材料,与长期高温作用相比,会产生更多类型的降解。而在实际应用中,温度、湿度和辐射三者的作用是不可分割的,它们的协同作用更增加了研究材料老化的难度。除此之外,当然还有很多其他因素,诸如风沙、飘尘等。
2.自然老化测试
   2.1整车暴晒试验
   整车暴晒是模拟汽车最终使用环境条件的最佳方式。在整车暴晒过程中,所有的材料和零部件的分布跟使用情况保持一致,在老化过程中相互作用,老化速度和类型最接近于实际情况,加速度最小。因此,试验结果与实际使用状况的吻合程度最高。整车进行暴晒试验时,客户可以根据自己的试验目的,对整车的工作状态、车顶篷开启状态、车窗开启状态做出要求,一般使挡风玻璃面向赤道,并且根据季节的不同调整暴晒角度。暴晒的过程中,车的内饰件可能会产生一些挥发物、渗出物等附着在挡风玻璃或其他部件上,因此,需要定时清洗。暴晒周期一般不少于两年,暴晒后要对材料产生的缺陷如颜色变化、光泽降低、分层、翘曲、渗出物等进行检查评价。目前常用的整车暴晒标准有ASTM G7、ISO 877,另外FORD、VW等各大汽车制造商都有自己的整车暴晒试验标准。
为了提高试验速度,对整车暴晒进行加速试验,国外老化公司还发明一种太阳跟踪转盘,见图1。把整车暴露在上面使目标区域全天跟踪太阳,从而加速暴晒试验。在同样辐照量的情况下该装置可以加速30%。该装置使用了一个可以转动的平板,把车安装在平板上,平板的底部装有小脚轮,脚轮是按照旋转中心的切线方向排列的,可以在全天内跟踪太阳。在整车暴晒过程中,会有阴影区域,而通过该装置可以实现部分控制阴影,使汽车内饰件或外饰件的目标区域获得最大的辐照量[1]。
   2.2材料及零部件暴晒
汽车用材料及零部件暴晒是最为广泛的汽车材料试验方法,最常用就是直接静态暴露,如塑料样板、仪表板、保险杠等部件。暴晒的方式又可以分为有背板、无背板、黑箱暴晒等。有背板暴晒由于限制了样品背面的空气流通而使样品的温度较高;暴晒的角度通常为5°、45°和90°等。暴晒角度的选择通常是模拟材料或者零部件在车身实际的安装使用位置,如门板经常采用90°暴晒,而仪表板则采用5°暴晒。为了加速暴晒试验,还开发了跟踪太阳的暴晒,这样就确保样品在一天之内最大限度的接受太阳辐射而进行加速。材料及零部件的暴晒是必要的,但有时却是不够充分的,因为现在的汽车零部件往往由多种材料复合构成,不同的材料具有不同的老化性能,这就需要将整个部件一起进行测试。例如车头灯组件,是由塑料件、涂层、光学元件等构成的复合件,通常我们把它作为一个整体试验,而不是分别对材料进行试验。零部件直接暴晒最常用的标准有SAE J1976、SAE J576等,FORD、GM也都有相应的标准。
    对于内饰材料和部件需要考虑的另外一个因素是汽车的玻璃系统。汽车内饰件包括车顶装饰、内部装饰、仪表板等制件,座椅及内饰面用PVC,仪表板小零件用ABS,车厢内饰和方向盘用PP,座椅及内衬用PU等材料和部件不再直接暴露于阳光下,而是透过了玻璃的阳光。由于不同玻璃对太阳光的传导截止点以及对光线的透过率不同,车内的光谱能量分布也会不同,随着汽车玻璃面积的不断的增加,汽车玻璃对汽车内饰件的老化影响越来越突出。如前所述,不同的光谱能量分布会引起汽车内饰材料不同方式和程度的破坏,因此在试验中必须考虑汽车的玻璃系统。图2展示了不同类型的玻璃对紫外线的透射率[2]。
    鉴于玻璃对自然光的过滤作用,对于内饰材料和零部件最科学的方法是采用玻璃下暴晒。其中有控温控湿玻璃箱暴晒,该方法主要用于确定汽车内饰材料的老化性能,通过采用不同的覆盖玻璃来模拟各种不同的车用玻璃,并通过一个双轴跟踪系统使样品最大量的接收太阳辐射以加速暴晒。箱内温度白天维持在70℃,夜间温度为38℃,相对湿度维持在75%,常用试验标准有SAE J2230、AATCC 181等。
    另外,针对汽车内饰件如仪表板、面板、方向盘等零部件还研发了IP/DP(Instrument Panel / Door Panel)箱暴晒。它可以分为静态和跟踪太阳两种,暴晒角度一般为45°或者51°,箱体上表面要求用特定的覆盖玻璃,整个箱体式密闭的,箱内配有黑板温度计、各种传感器、温度调节风扇等装置;覆盖玻璃上有温控的帘子,在箱内温度超过限度并且风扇也不能够把箱内温度降到规定要求或者风扇失效时,会自动放下帘子进行遮盖,防止箱内的温度超过设定值。箱内的温度上限模拟了汽车内最严酷的情况,由于材料在车内的安装位置和使用条件不同,不同的材料和部件有不同的温度上限,见表格1[3]。各大汽车公司对格材料和零部件暴晒方法、温度上限都做了要求,并且有各自的试验规范.
    ATLAS气候服务集团还开发了另外一种加速自然暴晒装置—EMMA设备,就是利用多面镜子将自然光反射到受试材料样板上,使受试样品获得强度数倍于自然光的辐照。调整镜面,使照射到镜面的阳光刚好反射到受试样品上,从而加强辐照度,镜子支架通过双轴跟踪系统全天跟踪太阳,样品背后有风扇给样品降温。并且可以通过调整镜面的个数获得不同程度的加速暴晒试验,ATLAS还研发了带有温度控制、温度补偿、喷淋等附件的EMMA设备,甚至多个不同的EMMA联用。该装置要求镜面必须能够全光谱反射太阳光,以确保样品接受到的辐射光谱接近于太阳光谱[4]。该方法常用的试验标准有ASTM G90、ASTM D4141、ASTM D4364等.

 
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