關于汽車內飾塑料件氣候交變試驗的分析

王富貴，王 玉，張 影，王長余，賈曉彥

（長春富維-江森自控汽車飾件系統有限公司，長春 130033）

前言

耐候性能是評判汽車內飾塑料零部件質量的重要指標之一，也是汽車零部件試驗必檢項目之一，特別是在一些環境比較惡劣、溫度變化范圍大、光照強烈的地區，塑料件的耐候特性更顯重要。[1]氣候交變試驗最大程度的模擬了溫度、濕度條件的變化，是重點試驗之一。氣候交變試驗的條件復雜，對設備能力要求很高；而且它是多循環試驗，試驗周期長，不僅會產生較高的試驗費用，也大大延長了產品驗證周期。然而，氣候交變試驗相對于高溫老化試驗的意義真的更大嗎？氣候交變試驗的循環個數有多有少，其設定的依據是什么呢？氣候交變試驗中是否應該有功能評價，其重要程度是怎樣的呢？這些都值得我們深入探討。

1 原理

1.1 高溫條件

在氣候試驗上，我們主要關注的是化學老化。化學老化是由于組分內部具有易引起老化的化學鍵，如不飽和雙鍵、支鏈、羰基、末端上的羰基等。聚合物的化學老化是按自由基化學反應機理進行的，是一個自動氧化過程。光輻射和溫度是以高能量的方式使得聚合物分子發生鏈斷裂，從而產生自由基。其包括以下三個階段：引發產生R·或RO2· 自由基；鏈增長 R·+O2→RO2·，R O2·+R H →R O O H+R·；鏈終長2 R·→R-R，RO2·+R·→ROOR ，2RO2·→非活性化合物，其中R代表高分子基團。[2]

1.2 溫濕條件

水汽對高分子材料具有一定的滲透能力，尤其是在熱的作用下，這種滲透能力更強，能滲透到材料體系內部并積累起來形成水泡，從而降低分子間的相互作用，導致材料的性能劣化。濕熱老化試驗一般使用濕熱試驗箱，要求在 一定的溫度下（40℃～60℃），保持較高的濕度（90%RH以上）。[2]

1.3 低溫試驗

低溫狀態下，特別是玻璃化溫度以下（純PP的玻璃化轉變溫度為-10℃），分子運動的能量很低，不足以克服主鏈內旋轉的位壘，因此不足以激發起鏈段的運動，鏈段處于被凍結的狀態，只有那些較小的運動單元，如側基、支鏈和小鏈節等才能運動，因此高分子鏈不能實現從一種構象到另一種構象的轉變，此時聚合物所表現的力學性質和小分子的玻璃差不多。當非晶態聚合物在較低溫度下受到外力時，由于鏈段運動被凍結，只能使主鏈的鍵長和鍵角有微小的改變，因此從宏觀上來說，聚合物受力后的形變是很小的。[3]低溫條件，主要考察樣件的耐沖擊性能。

2 氣候交變試驗的合理性

氣候交變試驗一般為高溫、低溫、溫濕條件的交變試驗。然而，為了驗證內飾塑料件在自然條件下的耐候性能，真的有必要竭力去模擬實際的氣候嗎？要回答這個問題，必須再次明確氣候交變試驗的目的，它主要是為了驗證氣候交變試驗條件下，產品老化后其性能是否滿足設計要求。

從低溫條件的原理來看，低溫本身不以長時間作用來實現老化。熱脹冷縮的原理被認為可以引起尺寸上的變化，然而沒有證據表明這種影響在汽車內飾塑料零部件氣候交變試驗中是一種顯著的影響。低溫條件是否適用于內飾塑料件氣候交變試驗需要充分論證。

雖然水汽在高溫條件下滲透到了材料體系內部，但緊接著的高溫干燥條件會不會使水汽從材料體系內部擴散出來呢，減弱分子間相互作用的效果會不會消失呢？因此溫濕條件是否適用于內飾塑料件氣候交變試驗需要充分論證。

采用對比的方法來對溫濕、低溫條件的必要性來進行驗證，見表1。需要注意的是要選擇所有的評價項進行對比，如尺寸、裂紋、顏色、硬化等，并需要對所有評價項進行量化（可觀察的現象是隨著整個氣候交變一直發生變化的），否則可能得到錯誤的判斷。

對比分析將得到以下四種結果：

1）對比組1有差異，對比組2無差異，則溫濕條件沒必要，低溫條件有必要，只需做高低溫交變試驗；

2）對比組1無差異，對比組2有差異，則溫濕條件有必要，低溫條件沒必要，可以去掉低溫條件；

3）對比組1無差異，對比組2無差異，則溫濕條件沒必要，低溫條件沒必要，沒必要做氣候交變試驗，只做高溫老化試驗即可；

4）對比組1有差異，對比組2有差異，則溫濕條件有必要，低溫條件有必要，氣候交變試驗有意義。

以上的四種結果中只有第四個結果支持現有氣候交變試驗方法，另外三種都否認現有氣候交變試驗的合理性。

3 氣候交變試驗與產品生命周期

以下將舉例說明氣候交變試驗并不能預測產品的實際生命周期，以及在這種情況下氣候交變試驗是如何實現其價值的。

將氣候交變試驗進行n個循環，它能代表產品的實際生命周期是多長呢？這個被認為是氣候交變試驗的意義，而事實上是無法實現的。舉例說明，選取一種產品，假設它在85個月的時候開始失效，在氣候交變試驗中經過53個循環開始失效，因此認為1個循環代表85:53個時間生命長度。如果產品的設計生命周期是10年（120個月），那么就需要保證產品在120/（85:53）=75個循環前不失效。然而這一推斷不成立，原因有兩個：①老化不是勻速進行的 ；②一種產品所得到的比例，由于產品結構間的差別，無法應用到另一種新的產品中。

表1 溫濕、低溫條件必要性對比驗證條件

沒有規律可循，汽車制造商是如何規避產品在消費市場風險的呢？表2描述了四種常見的氣候交變試驗條件，可以發現各個標準溫濕度的設定值有不小的差別，每種條件的保持時間也有不小的差別，經過這些標準驗證過的產品均沒有得到來自市場的大的抱怨。這主要是由于環境試驗的評價項是外觀上的，客戶很少在此方面遇到故障而產生大的抱怨。主機廠主要是要把產品做得比競爭對手的好。如何做得更好呢，只需要將試驗條件和評價標準設定得更苛刻。

4 氣候交變試驗與功能試驗

在實際使用過程中，功能試驗也是評判塑料零部件質量的重要指標之一。如雜物箱松動，副儀表板扶手鎖止失效，撥鈕操作力增加等問題，都會給我們的使用帶來很多麻煩。然而在試驗驗證的過程中，單單去做操作力、濫用力之類的試驗是不夠的，此類問題多出現在長時間使用的情況下。因此需要經過疲勞試驗之后，再去驗證零件各項力學試驗才更有意義。

表2 氣候交變試驗條件對比[1]

對高分子疲勞性能產生影響的因素包括溫度和水分等，因此疲勞試驗在氣候交變條件下進行才能更有意義。

溫度和水分對疲勞性能的影響機理尚不明確，以下的說明將有助于理解二者的聯系。塑料在疲勞的過程中，主要是裂紋的變化使得整體性能發生了改變。銀紋是高分子材料區別于金屬材料的特有的損傷形式，是導致高分子材料與金屬材料疲勞性能明顯差異的根本原因，例如循環軟化現象、形式繁多的疲勞裂紋微觀擴展機制。裂紋的引發和擴展兩個階段有各自不同的特征。在周期性負荷初期，第一階段包括了銀紋產生和剪切屈服，從而產生了裂紋。第二個階段則為產生裂紋后的擴展乃至產生斷裂。

5 結束語

本文提出了驗證氣候交變試驗標準合理性的疑問，并給出了初步驗證的方法。這需要充分的試驗數據，同時更加合理的驗證方法會在具體試驗過程中得到改進。無論是哪一種結果，它將作為一個正確的選擇，來保證今后的研究工作是從一個正確的出發點出發的。對于產品生命周期的驗證方法，還有很大的改進空間。只有當我們掌握了更加有預知力的驗證技術，才會方便我們做更加有突破性的創新工作，這也是自主品牌搶先站領有利地位的機會。氣候交變試驗與功能試驗的充分結合需要一定的時間，消費者在此方面消費需求的提高將會大大加速這一進程。

[1]田永.汽車外飾塑料零部件的耐溫性試驗評述[J].上海汽車，2009.7.

[2]任圣平,張立.高分子材料老化機理初探[J].信息記錄材料，2004.4.

[3]何曼君,張紅東,陳維孝,董西俠.高分子物理第三版[M].北京：復旦大學出版社.2006.