基于車用塑料專利產品使用壽命的評估與研究

張毅 王夢雅

（國家知識產權局專利局專利審查協作河南中心，河南鄭州 450002）

基于車用塑料專利產品使用壽命的評估與研究

張毅 王夢雅

（國家知識產權局專利局專利審查協作河南中心，河南鄭州 450002）

本文主要對汽車上采用的各種塑料的優點和缺點進行介紹，從塑料的壽命評估方法和塑料的壽命評估過程兩方面對塑料的壽命進行預測，發掘車用塑料領域的新材料，為我國汽車塑料領域的研究提供一定參考。關鍵詞：塑料；汽車；壽命；評估

1 引言

目前，世界汽車材料技術的發展越來越傾向于輕量環保，汽車用塑料的優良特性受到與日俱增的青睞。據測算，汽車自身質量每減輕10%，燃油消耗就可降低6%～8%[1]。就抗沖性能而言，單位質量塑料絲毫不輸于金屬。在現代汽車制造業中，為了大幅減輕撞擊時對人的身體傷害，提高汽車的安全系數，目前更多的使用可吸收震動能量和沖擊能量的發泡塑料、彈性體制造汽車座椅、儀表板、頭枕等。塑料的特性表現在質量輕、不會銹蝕、耐沖擊性好、透明度高、耐磨損性和絕緣性好、導熱性低，一般成型性及著色性好、加工成本低等［2］，在汽車設計中采用大量的塑料，可以綜合反映出對汽車設計性能的要求，塑料材料在汽車制造中創新應用將會是最受到更多的關注和重視，在人們更加向往健康舒適環保安全的未來，塑料技術的發展將會受到更大程度依賴。

2 汽車上主要采用的塑料

2.1 聚烯烴制品

未來在汽車領域，高昂的有色金屬以及其他合金材料將會逐步被聚烯烴塑料制品取代，相應地可以提高汽車設計的靈活性與造型的美觀，裝配與維修的費用，而且還能大幅降低汽車的能源消耗。隨著汽車工業領域的日益蓬勃發展，車用聚烯烴塑料制品也將毫無疑問地得到更多的需求。據分析，我國汽車消費的各種聚烯烴制品總量到2010年將達到23萬t，并將保持年均10%的增長率［3］。汽車工業領域在未來將大量使用聚烯烴塑料制品，因為聚烯烴材料性能較好、密度小、成本低，汽車工業領域近來有把汽車外飾和內飾材料統一到聚烯烴塑料材料的傾向性，由此可以判斷，在將來其需求量必然會有更大的增長。

2.2 聚氨酯在汽車行業的新運用

聚氨酯材料越來越多的應用于汽車行業，由于聚氨酯產品均勻性和耐磨性好，受到了許多汽車材料開發商的關注和重視。目前，聚氨酯產品在汽車塑料中的用量約為20%，車用泡綿則達約60%。隨著汽車工業的迅速發展，聚氨酯產品的新用途自然會隨之日益突出。而且聚氨酯產品的應用領域也十分廣泛，例如汽車的內飾件和外飾件，包括隔音、儀表盤、坐墊、頭枕、頂棚襯里、遮陽板、門板等內飾件以及阻留板、保險杠等外部構件。由于聚氨酯良好的耐磨性、耐候性、彈性等等優良特性，聚氨酯產品在汽車行業中還可以用于生產輪胎，例如，美國艾美萊輪胎公司與固特異輪胎橡膠公司合作研發的聚氨酯車用輪胎。相比于普通橡膠，聚氨酯的耐氣候、氣密性能更好，并且不易出現胎面剝落的現象。隨著生產工藝的不斷改進，在不久將來會實現大量生產聚氨酯輪胎。

2.3 纖維增強塑料

纖維增強復合材料也稱玻璃鋼，是一種品種繁多、性能個別、用途廣泛的復合材料，它是由合成樹脂和玻璃纖維經復合工藝制成的一種功能型新材料，是最重要的復合材料之一。其主要優點是耐腐蝕性能好、介電性能好、熱性能良好、可設計性能、工藝性優良，其主要缺點是彈性模量小、長期耐溫性差。目前西歐纖維增強塑料的年用量已超過40萬t，其中約50%應用于汽車工業［4］。建筑業和汽車業是纖維復合材料十分重要的應用市場，其中玻纖增強熱塑性塑料是最重要的汽車用纖維復合材料之一，現在玻璃纖維增強熱塑性塑料作為一種新型輕質高強工程結構材料，已廣泛應用于汽車、機械、電器、輪船、建筑和航空航天等工業部門及高新技術領域［5］。我國正處于人口多、汽車工業發展快的階段，了解世界發展趨勢將有利于我國纖維增強塑料領域的發展。

3 塑料的壽命預測

塑料因其具有諸多優良的性能而廣泛被關注，例如化學性能力、學性能、電性能等等。但是，塑料也存在嚴重的弊端——不耐老化，而且其老化機理特別復雜，老化主要原因也多種多樣，其中最常見的原因有氧及臭氧老化、光老化、生物降解、水降解等。因為老化機理復雜，老化原因導致的力學性能變化目前還難于直接研究，更多的是通過試驗加以間接研究分析。目前的老化試驗包括兩類，一是自然老化試驗,,二是人工加速老化試驗。由于老化因素的多樣性、老化機理的復雜性，自然老化試驗仍是目前最可靠和最重要的老化試驗方法。但這種方法也客觀存在一些問題，即費時間又昂貴,獲得的試驗數據有限。人們很難對塑料制品采用與實際使用貯存條件完全相同的狀況來獲得其老化數據。所以,較真實的模擬實際使用貯存情況的加速老化方法和壽命評估模型具有很重要的應用價值。

目前，常用的老化測試包括：人工加速老化測試、人工氣候老化試驗、氙弧燈老化試驗、碳弧燈老化試驗、紫外老化試驗、濕熱老化試驗、熱空氣老化試驗、臭氧老化試驗、二氧化硫老化試驗、二氧化硫/臭氧試驗、熱氧老化試驗、自然氣候暴曬試驗、材料貯存壽命推算、鹽霧測試、高低溫試驗、液體介質老化試驗、戶外暴露試驗、汽車零部件耐候性試驗、用戶特定條件老化試驗等等。

老化性能檢測包括：拉伸強度、撕裂強度、彎曲強度、壓縮強度、沖擊強度、粘結強度、熱變形溫度、維卡軟化溫度、熔融指數、氧指數、導熱系數、煙密度、表面電阻、體積電阻、擊穿電壓、電氣強度、光澤、熱應力開裂、環境應力開裂、透光率、霧度、燃燒性能、線膨脹系數、壓縮永久變形、氧化誘導期、低溫沖擊試驗、霧化試驗、介電強度、脆性溫度、耐熱指數、溫度指數、橡膠貯存性能等等。

3.1 壽命評估方法

選取四種（t1、t2、t3、t4、t5）或以上高溫環境，跟蹤測試樣機殼體材料的力學老化行為，建立樣機殼體材料的力學性能高溫老化規律，外推到常溫預測樣機殼體材料的使用壽命。

3.1.1 每個老化溫度，每次測試樣品數量不少于6個(分子量測試為不少于4個)。

3.1.2 按照試驗大綱中有效數據選取的原則，舍去數據之間的差別大于10%及其以上的數據后，將剩下的數據進行平均(此時，每一個溫度下，每一個時間點所生的數據均大于或等于4個；分子量為大于或等于4個)，平均值為此次測量的有效值。

3.1.3 在整個試驗過程中，每個老化溫度共有10組(包含殼體材料性能P的初始值)測量數據。

3.2 壽命評估過程

3.2.1 將各個老化溫度下測得的性能P值分別與時間作圖。按照試驗大綱對殼體材料老化數據處理的方法，采用線性方程：

式中為Pt老化時間達到t時，性能P的值；

P0為老化性能P的初始值；

k為老化速率常數；

t為老化時間。

對數據進行擬合，得到相關系數r。如果r值小于0.90，則舍去原始數據中偏離擬合曲線最嚴重的點，再進行擬合。如此類推，直到r大于或等于0.90，此時，所得擬合曲線方程的斜率即為殼體材料在此老化溫度下的老化速率常數。

3.2.2 將各老化速率常數的對數值(即lnkt1、lnkt2、lnkt3、lnkt4、lnkt5)與1/T作圖，根據Arrihenius公式的對數形式：

式中A-頻率因子或Arrihenius指數；

E-活化能；

R-普世氣體常數；

T-絕對溫度。

可知，lnk與1/T符合線性關系，對圖中的曲線進行線性擬合，得到相關系數r。

3.2.3 為了使保證老化壽命預測方程的準確性，要求r值必須達到0.99以上。如果r值小于0.99，則舍去偏離擬合曲線最嚴重的點，再進行擬合，如此類推，直到r值大于或等于0.99，得到擬合方程Y=a+bX。

3.2.4 根據a=lnA，-E/R=b，求得A及E的值。

3.2.5 將E和A值帶到Arrihenius方程:

k=Aexp(-E/RT)

求T＝293 K和298 K時，殼體材料的老化速率常數k20和k25。

3.2.6 將k20和k25帶入方程（1），得到殼體材料在20℃以及25℃下，性能P的老化方程：

3.2.7 P0為回歸的性能參數初始值，它與老化溫度有兩種關系，有以下兩種求法：①如果P0與老化溫度成線性關系，且經顯著水平α＝0.2的相關性檢驗線性成立，則P0可通過回歸分析求取。

如果P0與老化溫度不呈線性關系，每個溫度下的P0接近于某一定值，則把P0取為n個溫度下的平均值，即：

3.2.8 求得本試驗的P0值以后，帶入到方程（3）和（4），根據國標GB/T 20028-2005，取性

能P下降50%作為臨界值(即失效點)，求得殼體材料在20℃以及25℃下的儲存壽命。

4 結論

本文主要對汽車上采用的各種塑料的優點和缺點進行了介紹，從塑料的壽命評估方法和塑料的壽命評估過程兩方面對塑料的壽命進行預測，發掘車用塑料領域的新材料，為我國汽車塑料領域的研究提供一定的參考。

［1］李軍，陳云霞，李中兵.汽車輕量化應用技術探討［J］.汽車工藝與材料,2010（2）:12-17．

［2］倪紅.塑料在汽車上的運用及汽車塑料零件成本構成淺析［J］.中國科技信息，2008（19）:132-133．

［3］胡琪.車用聚烯烴產品商機凸現［J］.工程塑料應用, 2003，31（11）:38-38.

［4］王莉莉,高國強,李松.國外汽車用復合材料近況與發展趨勢［C］.玻璃鋼學會第十六屆全國玻璃鋼/復合材料學術年會論文集.2006，277-281.

［5］王德喜.玻纖增強熱塑性塑料技術發展概況［J］.塑料技術2013，31（增刊）:27-30.

The Evaluation and Research on Service Lifeof Automotive Plastics

Zhang Yi WangMengya
(Patent Examination Cooperation Henan Centerof the Patent Office SIPO,Zhengzhou Henan 450002)

In this paper,the advantages and disadvantages of various plastics used in automobiles are introduced. The lifeexpectancy ofplastics is forecasted from two aspects:the lifeevaluationmethod ofplastic and the lifeevaluation of plastic.The newmaterials in automotive plastics field are excavated.Aiming at providing some suggestions to theevaluation and research on service lifeofautomotive plastics.

plastics;automotive;service life;evaluation

U465

A

1003-5168（2017）01-0051-03

2016-12-28

張毅（1988-），男，碩士，審查員，研究方向：材料領域發明專利申請的實質審查；王夢雅（1989-），女，碩士，審查員，研究方向：材料領域發明專利申請的實質審查（等同于第一作者）。