實驗室加速老化試驗與戶外曝曬試驗的對比研究

柳立志1 張恒2 孫杏蕾2

（1.國家汽車質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心，襄樊  441004；2.美國Q-Lab公司中國代表處，上海，200436）

摘要：簡單介紹了汽車行業(yè)老化試驗國家標(biāo)準(zhǔn)的制定情況，重點對比、分析了汽車內(nèi)飾的戶外曝曬試驗及實驗室氙燈加速老化試驗的結(jié)果。結(jié)果表明，實驗室氙燈加速老化試驗與戶外曝曬試驗后比對，在樣品光澤變化和顏色變化方面的相關(guān)性都比較好。

關(guān)鍵詞：汽車  戶外曝曬  加速老化  氙燈試驗  內(nèi)飾塑料

為了制定汽車行業(yè)老化試驗國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 32088-2015《汽車非金屬部件及材料氙燈加速老化試驗方法》和GB/T 31881-2015《汽車非金屬部件及材料紫外加速老化試驗方法》，我們組織進行了實驗室加速老化試驗與戶外曝曬試驗的對比研究。本文是此次對比研究系列文章的第1部分，主要介紹針對汽車內(nèi)飾的氙燈耐候老化試驗方法及試驗結(jié)果。

1 汽車行業(yè)老化試驗國家標(biāo)準(zhǔn)制定工作背景

我國汽車行業(yè)老化試驗的現(xiàn)狀是，測試方法沒有相關(guān)的國家標(biāo)準(zhǔn)或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，不同主機廠使用不同的測試方法，從而造成行業(yè)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)使用混亂的局面，具體表現(xiàn)在以下幾個方面。

a.某零部件廠商如果給幾家主機廠供貨，那么同一種產(chǎn)品需要使用多種方法進行重復(fù)測試。

b.因為國內(nèi)汽車?yán)匣瘶?biāo)準(zhǔn)的缺失，業(yè)內(nèi)有些供應(yīng)商和主機廠常采用其它行業(yè)（如油漆、塑料和紡織等）的標(biāo)準(zhǔn)，而這些標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的測試條件不一定適用于汽車行業(yè)。

c.目前使用的一些國際標(biāo)準(zhǔn)或歐美汽車主機廠的標(biāo)準(zhǔn)往往是根據(jù)歐美氣候條件制定的，試驗方法是否可以模擬我國的氣候條件有待考證。

因此制定統(tǒng)一的汽車行業(yè)老化試驗國家標(biāo)準(zhǔn)非常重要。由國家汽車質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心（襄陽）申請制定的GB/T 32088-2015《汽車非金屬部件及材料氙燈加速老化試驗方法》和GB/T 31881-2015《汽車非金屬部件及材料紫外加速老化試驗方法》已經(jīng)正式發(fā)布。這兩個標(biāo)準(zhǔn)由全國汽車標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會歸口，國家汽車質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心（襄陽）和美國Q-Lab公司中汽車有限公司、中國兵器工業(yè)第五九研究所、海南熱帶汽車試驗有限公司、泛亞國代表處負責(zé)組織工作，東風(fēng)汽車公司技術(shù)中心、中國第一汽車股份有限公司技術(shù)中心、一汽-大眾汽車技術(shù)中心有限公司和神龍汽車有限公司等20家單位參與了標(biāo)準(zhǔn)制定。

2 汽車內(nèi)飾塑料耐候老化測試方法

制定《汽車非金屬部件及材料氙燈加速老化試驗方法》和《汽車非金屬部件及材料紫外加速老化試驗方法》標(biāo)準(zhǔn)，需要相關(guān)對比試驗數(shù)據(jù)的支持，不僅要開展實驗室加速老化試驗，也應(yīng)開展戶外老化曝曬試驗。因為戶外自然曝曬是實驗室加速老化試驗的基礎(chǔ)，可用于指導(dǎo)實驗室加速老化試驗方法的制定。

2.1 戶外曝曬試驗

選擇了兩個典型曝曬場。一個是中國兵器工業(yè)第五九研究所的敦煌曝曬場，屬典型的沙漠氣候條件。該曝曬場位于東經(jīng)94°41′、北緯40°09′，海拔高度1 139.0m；年輻射總量為6 425 MJ/m2、年均降雨量為39 mm，年均相對濕度38%、年平均氣溫為10.8 ℃，月平均最高氣溫為24.9 ℃（7月）。

另一個是海南熱帶汽車試驗有限公司的瓊海曝曬場，屬典型的亞熱帶氣候條件。該曝曬場位于東經(jīng)110°28′、北緯19°15′，海拔高度20.0 m；年輻射總量為5 400 MJ/m2、年均降雨量為2 000 mm，年均相對濕度85%、年平均氣溫24.0℃，月平均最高氣溫為28.4 ℃（7月）。

不管是敦煌曝曬場還是瓊海曝曬場，試驗樣品都是放在汽車內(nèi)飾件戶外曝曬2.3 

試驗樣品

參箱（AIM Box）中進行曝曬。敦煌曝曬場的AIM Box曝曬角度為45°朝南，瓊海曝曬場的AIM Box曝曬角度為20°朝南；箱內(nèi)的最高溫度都設(shè)定為102 ℃。

2.2實驗室加速老化試驗

針對汽車內(nèi)飾塑料制定了多種氙燈老化試驗方法，如表1所示。其中試驗方法3是參考SAE J2412標(biāo)準(zhǔn)《使用可控輻照度的氙燈設(shè)備對汽車內(nèi)飾件進行加速暴露測試》中的方法；試驗方法1是對SAE J2412中方法的優(yōu)化，因為針對汽車內(nèi)飾塑料，窗玻璃濾光器比紫外延展濾光器更適合模擬車內(nèi)情況；試驗方法2、試驗方法4和試驗方法5是參考一些主要汽車主機廠的試驗方法。

表1 氙燈老化試驗方法

與制定本標(biāo)準(zhǔn)的單位一共提供了45種塑料樣板。這些樣板均為PP材料，樣品顏色有黑、米、灰3種，每種顏色分別有15種樣板。

3 汽車內(nèi)飾塑料耐候老化測試結(jié)果及分析

3.1 戶外曝曬結(jié)果

對測試樣品進行評估時，會測量樣品的光澤變化、顏色變化，觀察樣品是否出現(xiàn)粉化、起泡、開裂、氧化、脆化等。本文主要分析樣品的光澤和顏色變化。

a.樣品光澤變化的評定參照ASTMD523《鏡面光澤試驗方法》，用反射計以85°幾何條件進行測定。

b.樣品顏色變化的評定參照ASTMD2244《用儀器測定顏色坐標(biāo)法計算顏色容差和色差的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范》，選用CIE L*a*b*色空間、D65光源、10°觀察者、鏡面反射包含條件進行測定。

在敦煌曝曬場和瓊海曝曬場分別曝曬18個月，樣板的失光率分布和顏色變化分布情況見圖1和圖2。

圖4 樣板經(jīng)1200 h氙燈試驗的顏色變化分布

由圖4看出，不同試驗方法的樣板的顏色變化快慢不同。試驗方法4的樣板的顏色變化最慢，因為樣品的顏色變化更多地與光源的光譜、輻射量相關(guān)，所以可能是因為輻照度較低造成的；而其它試驗方法的輻照度相差不大，所以樣板的顏色變化快慢差不多。

3.3 實驗室加速老化試驗與戶外曝曬試驗之間的相關(guān)性

實驗室加速老化試驗與戶外曝曬之間的相關(guān)性以及兩個戶外曝曬場之間的相關(guān)性研究參考了ASTM G169《環(huán)境試驗基本統(tǒng)計方法應(yīng)用指南》中的spearman排序方法。相關(guān)系數(shù)rs指的是利用兩種不同的測試方法對一組樣品進行測試，所得試驗結(jié)果之間的相關(guān)性。rs的計算公式如下。

rs=1-6∑di2/[n(n2-1)]

式中，di為兩列成對變量的等級差數(shù)，n為樣品的個數(shù)。

將18個月戶外曝曬試驗數(shù)據(jù)按照樣板的失光率和顏色變化△E*大小分別進行排序；將氙燈試驗數(shù)據(jù)按照樣板失光率達到50%和顏色變化△E*達到3.0的時間分別進行排序。表2是樣板的光澤變化的相關(guān)系數(shù)，表3是樣板的顏色變化的相關(guān)系數(shù)。

表2 氙燈試驗與戶外曝曬試驗之間樣品光澤變化的相關(guān)系數(shù)    

從表2看出，對于樣板的光澤變化而言，相比于敦煌和瓊海這兩個戶外曝曬場之間0.09的相關(guān)系數(shù)，氙燈試驗與敦煌曝曬試驗、氙燈試驗與瓊海曝曬試驗之間的相關(guān)系數(shù)都比較好，尤其是試驗方法1與瓊海曝曬試驗之間的相關(guān)系數(shù)達到了0.80。

表3 氙燈試驗與戶外曝曬試驗之間樣品顏色變化的相關(guān)系數(shù)

從表3發(fā)現(xiàn)，對于樣板的顏色變化而言，氙燈試驗與兩個戶外曝曬場之間的相關(guān)系數(shù)都比較好，而且兩個戶外曝曬場之間的相關(guān)系數(shù)也比較好。

4 結(jié)論

a.對于樣品的光澤變化，相比較敦煌和瓊海這兩個戶外曝曬場之間0.09的相關(guān)系數(shù)，氙燈試驗與敦煌和瓊海之間的相關(guān)系數(shù)都比較好。因此，不同試驗條件下的戶外曝曬是必要的；

b.對于樣品的顏色變化，氙燈試驗與敦煌和瓊海之間的相關(guān)性都比較好；而且兩個戶外曝曬場之間的相關(guān)系數(shù)也比較好；

c.對于氙燈老化加速試驗，綜合考慮樣品的失光、顏色變化以及與戶外曝曬之間的相關(guān)性，將試驗方法1、試驗方法2和試驗方法3（首推試驗方法1）推薦并寫入GB/T 32088-2015《汽車非金屬部件及材料氙燈加速老化試驗方法》中。