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汽车高分子材料老化分析

作者:标准集团 添加时间:2020-07-20
排放法规的加严与新能源汽车的兴起,将人们的目光更多地聚焦于汽车制造业的轻量化,汽车材料也由原来单一使用金属材料,逐渐向新型金属、非金属与合成材料共用过渡。纺织品、塑料与橡胶等高分子材料在汽车上的应用案例越来越多,应用范围也不断扩大。随着材料工艺的改进与制品性能的提升,塑料与橡胶部件已经逐渐从内部装饰部件扩展到一些外部装饰件。因此,对主机厂在塑料、橡胶等高分子材料的老化性能把控方面提出了更高的要求。老化试验是材料与产品性能可靠性试验的一部分,试验中应尽可能还原产品实际使用环境中所涉及的各种因素,进行相应条件的试验,以实现先期验证。文章依据车型开发经验,总结归纳了高分子材料老化的机理与主要试验方案,并提出了相应的解决方案,以期可供汽车工程师借鉴。
 
1 老化现象主要失效模式
根据GB/T 32088—2015 标准的表述与汽车在实际使用过程中发生的变化,从性能管控角度分析老化现象,将其归纳为3类[1]:
1)外观的变化,包括出现污渍、斑点、银纹、裂缝、喷霜、粉化、发黏、翘曲、收缩以及表面光泽的变化;
2)物理性能的变化,包括耐热、耐寒等性能的变化;
3)力学性能的变化,包括拉伸强度、弯曲强度、剪切强度、冲击强度等性能的变化。
 
2 高分子材料的老化机理
高分子材料在加工、贮存和使用过程中,由于受内外因素的综合作用,其性能逐渐变坏,以致最后丧失使用价值,这种现象就是老化[2]。根据老化机理,导致老化的因素主要包含以下4种[3]:
1)光老化:光照是导致高分子材料老化的主要因素,聚合物由于吸收光能而发生光化学反应,使得材料性能劣化。虽然290~400 nm的波长只占太阳整个波长辐射量的5%~6%,但光波的波长越短,能量越高,对于化学键的破坏性也就越显著,对塑料等高分子材料的破坏作用就越大。
2)热老化:高温不仅会破坏共价键,使大分子发生裂解,还会引起大分子间的交联。高温还会加速高分子化合物的氧化,从而加速聚合物材料的热老化。
3)氧化:大气中的氧或臭氧会氧化高分子材料,导致分子链断裂,从而发生老化现象。一般情况下,高分子化合物的碳链不饱和相比碳链饱和的情况更容易被老化。
4)侵蚀:高分子材料在特定条件下也会受到侵蚀,导致性能劣化。以侵蚀类型分类,化学物质污染和微生物霉变是最主要的2种表现形式。
在高分子材料老化的早期,老化过程缓慢,变化多发生在材料内部,人眼不易观察到外部的细微变化。在老化后期,由于降解产生羧基、羟基等发色团,发生光化学反应,加速了紫外光的吸收,进一步加速高分子的降解和交联速率。老化过程加速导致聚合物材料变色、开裂,机械和物理性能降低,影响外观质量与使用安全。
 
3 高分子材料的老化试验
通过将材料与部件置于自然环境或特定条件下的人工模拟环境中,确定其各方面性能是否满足工程目标值,考察材料与产品对服役环境的适应性和匹配性,以提前识别可能出现的外观与性能变化,降低项目开发风险,有效控制汽车内外装饰材料的抗老化性能。
3.1 耐候性试验
耐候性就是高分子材料暴露于日光、冷热、风雨等气候条件下的耐久性。耐候性试验应模拟车辆的真实使用环境,记录试验各阶段汽车外观、颜色及性能的变化情况,对材料或制品的老化规律和特征进行分析研究。但由于户外暴露试验的气候因素差异很大,不同地区、季节的试验环境存在显著不同,典型气候能代表材料及制品在相对恶劣情况下的适应情况,但各气候彼此间的试验结果无法进行横向比较。不同样品在不同气候下的敏感性也不尽相同,而且户外试验周期漫长,因此车型开发过程中通常先期借助试验室加速老化模拟光长期暴露作用来检测材料的耐候性能。
耐候性试验主要包含以下3 种类型:1)自然老化试验;2)试验室加速老化试验,通过模拟阳光、温度、湿度、降雨或凝露等气候因素进行短时间强化试验;3)太阳跟踪聚光加速暴露试验。
3.2 耐热性试验
高温是高分子材料发生老化反应的重要影响因素之一,高温会导致高分子材料分子链断裂,从而产生自由基,形成自由基链式反应,导致聚合物发生降解和交联,性能劣化[4]。
烘箱法老化试验是一种常用的检测手段。在选定条件下将样品放入烘箱,并定期检查样品的外观和测试相关性能,以评估样品的耐热性是否满足设计要求。该试验通常用于塑料和橡胶的性能检验。
3.3 湿热试验
湿热老化试验主要用于鉴定高分子材料在高温、高湿环境下的耐老化性能。水蒸气对高分子材料具有一定的渗透性,尤其是在高温环境下,水分子的运动速率加快,渗透性更强,可以渗透进材料体系中,随着时间的推移,集聚形成水泡,原分子间的相互作用力减弱,使得材料性能劣化。
湿热老化试验通常要求具备一定温度(40~60 ℃)和较高的相对湿度(90%RH 以上)。虽然提高试验温度有利于加速老化试验进程,提高单位时间的测试效率,但如果测试温度选择过高,会导致材料性能破坏速度过快,不利于区分材料的优劣,而且过高的温度也脱离了实际使用环境,失去了测试意义。所以应根据材料不同的服役部位,选择合适的测试温度。
3.4 抗霉试验
天然有机材料(如植物纤维、皮革等)最容易受霉菌破坏;合成材料(塑料、橡胶等)因为在加工的过程中会添加增塑剂、稳定剂等成分,为微生物提供了生存环境,在潮湿环境中也容易生霉。霉菌引起的腐烂和老化严重影响制品的外观质量和使用体验,会引起用户抱怨。抗霉试验应根据其功能及成分特殊性,对不同的高分子材料选用各异的菌种进行试验。本试验周期一般为28天。
3.5 耐寒试验
低温对于塑料和橡胶制品的性能影响极大。聚合物的耐寒性是指它抵抗低温引起性能变化的能力,耐寒试验可以鉴定高分子材料的低温储存和使用特性。本试验通常在-30~-40 ℃的环境下放置24 h,具体温度与时长视材料种类与使用环境的情况确定。
 
4 预防与改进措施
4.1 内、外饰零件耐老化的技术要求
汽车内外件设计人员应具备必要的材料老化知识,合理确定零部件的老化性能,避免因要求过低而导致产品出现质量问题,也应避免因要求过高而造成性能过剩。例如,地毯与备胎罩很少暴露在阳光下,所以老化要求不需要定义得很高。在设计过程中应该整体考虑零件在整车上的应用位置,而不能仅仅依靠所用高分子材料本身的材料特性确定零部件的老化定义。
4.2 内、外饰材料的选择
根据各零部件的老化性能要求,综合考虑零部件的其他各项功能性要求,选择合适的材料种类。老化性能的改善,应以满足设计过程中的性能指标为前提,不能片面追求耐老化性能的提高。对于各项功能要求表现优异,但耐老化性能存在不足的材料,可以尝试加入光稳定剂、防霉剂等助剂。当前助剂应用较广,技术已经成熟,对配方进行适当添加并不会明显影响制品的使用性能。
4.3 耐老化性能的充分验证
在车型开发过程中,需要从多维度充分地验证和评价内、外饰零件的耐老化性能,否则存在不可控因素,车辆交付用户使用后会产生较大的质量风险。老化试验根据试验对象层级可以分为材料级、零部件级与整车级。
首先,测试过程中应贴近实际的使用状态与服役环境,不应设定为同一测试条件,应选取合适的测试条件,体现制品的差异性。例如:在进行人工加速老化试验时,由于窗玻璃的透光性各不相同,内饰部件的辐射环境与外饰件显著不同,所以内饰件试验必须考虑车窗玻璃的影响。典型样件如座椅、仪表板和转向盘等,使用环境并不直接暴露在阳光下,所以它们必须通过玻璃进行测试。其次,考察层次要全面,从多维度和多级别进行测试,因材料的耐候性与制品的耐候性并不是一一对应的关系,所以不仅要对材料进行耐老化测试,还要从零部件以及整车的角度进行评估以校正偏差,为材料级测试提供修正理论基础。第三,试验方式要互相补充,因自然老化存在各种弊端,设计初期可以在试验室进行人工加速老化测试,待到后续车型验证评价阶段,再行开展自然老化试验,两者结果彼此验证,从时间与性能要求等维度建立企业级的标准规定。
4.4 生产过程的质量监控
即使在车型研发阶段,材料与零部件通过了相关的老化性能测试,在生产过程中也需要加强过程质量控制,发现问题及时反馈,研发、质保与采购各级联动、共同推动,保证供应商的材料和生产工艺等不发生变化。主机厂也应及时对应发生的性能质量问题,从而使产品质量保持稳定,并不断积累经验,提升产品竞争力[5]。
 
5 结论
随着汽车工业的发展,汽车轻量化水平的提高是大势所趋。新型材料的研发、新兴工艺的改进,都将加速轻量化的发展进程。人们在开发过程中不断完善测试方法和检测技术,老化测试技术愈发科学高效,加速了车用材料的发展。“把合适的材料用在合适的地方”是汽车选材不变的思路。