塑料皮紋件低作用力下的耐刮擦性能研究

劉永星

安徽江淮汽車集團股份有限公司技術(shù)中心，安徽合肥 230601

0 引言

皮紋是指生物表皮的天然紋路，通常指在人類或其他動物如鱷魚、牛、鹿等皮膚表面自然的紋路，也可泛指在植物如樹木表皮、斷面、葉片等表面的紋理。隨著現(xiàn)代設(shè)計概念的擴展，發(fā)展到其他天然或人工物品表面的紋理，如石材紋路、織物紋路、電火花紋路等。

隨著汽車工業(yè)的不斷發(fā)展，消費者對汽車內(nèi)外飾件的精致化關(guān)注程度越來越高。塑料件表面皮紋的大量應(yīng)用，有力地提升了內(nèi)外部裝飾件的品質(zhì)和價值。作為影響汽車內(nèi)外觀風格的最重要因素之一，汽車表面皮紋樣式已成為各汽車廠家努力改進的重要方向。外觀件皮紋定義涉及美學(xué)、觸感以及安全性，并能削弱產(chǎn)品外觀類缺陷。在進行塑料皮紋件產(chǎn)品開發(fā)之時,需要詳細分析皮紋設(shè)計特點，了解所選皮紋的優(yōu)缺點，并對皮紋設(shè)計方案進行有目的的改進。

1 塑料皮紋件簡介

塑料制品由于材質(zhì)不同，成型模具表面的排列、組織及構(gòu)造也不同，因而會產(chǎn)生粗糙、光滑、軟硬感等，表現(xiàn)為不同的皮紋。紋路單元的形狀大小、方向、排列組合方向和單元組合的疏密程度都對皮紋的外在風格有重要影響。有些皮紋的紋線特征有明顯的方向性，可以看出紋線明顯的脈絡(luò)走向；有些皮紋規(guī)則單元特征的皮紋沒有方向性；而有些立體皮紋具有很強的層次感，微觀上表現(xiàn)為皮紋在深度方向上由2～5個不同深度數(shù)值的層組成，宏觀上表現(xiàn)為皮革表面的粒面飽滿圓潤，層次豐富起伏，特征過渡自然，給人的視覺沖擊比較柔和。

一般情況下，汽車常用皮紋按大小可分為粗皮紋、細皮紋及幾何皮紋3種類型。

1.1 粗皮紋

粗皮紋由真實皮紋仿真演化而來，紋路接近真實紋理，比較細膩，有層次感，可以提高整車內(nèi)外觀部件檔次，一般紋理深度為80～150 μm。粗皮紋一般作為汽車內(nèi)飾的主皮紋，有很強的整體協(xié)調(diào)感，因模具成型性要求較高，需要整車內(nèi)飾統(tǒng)合設(shè)計考慮。

1.2 細皮紋

細皮紋是一種精致細膩的紋路，類似砂石表面的狀態(tài)，加工工藝也很多，主要有火花紋、噴砂紋等，細皮紋一般是單層次皮紋，紋理深度為0～80 μm。細皮紋可以單獨局部裝飾也可和其他紋路進行搭配，一般應(yīng)用在外部裝飾件(如保險杠下巴、輪眉裙邊護板等)上，或局部小特征部件上。

1.3 幾何皮紋

幾何皮紋也稱科技紋，呈現(xiàn)幾何規(guī)則的紋理，在汽車上主要體現(xiàn)科技、力量、潮流等概念，一般紋理深度為80～150 μm。因其有很強的識別性，在現(xiàn)代汽車開發(fā)中呈大面積推廣之勢。但幾何紋有極強的方向性及規(guī)則性，一般的腐蝕加工難以實現(xiàn)，往往需要應(yīng)用激光雕刻等先進加工工藝，大面積使用會大大提高其加工難度，成本也比較高。

塑料件結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理性與皮紋的質(zhì)量、清晰度及成型難易息息相關(guān)。根據(jù)成型條件、材料、零件壁厚和零件的直立高度等因素的不同，皮紋深度和拔模角度的比例會有所不同。皮紋深度和皮紋顆粒大小對零件表面性能影響較大，需要在設(shè)計定義皮紋時一并考慮。

2 塑料皮紋件刮擦性

2.1 皮紋件刮擦要求

大多數(shù)塑料內(nèi)外飾零件由于暴露在外界環(huán)境(包括乘客運動、物體接觸等)之中，不可避免表面會受到各種刮擦破壞，塑料件表面制作皮紋被證實是一種很有效的可大大減弱刮擦破壞的途徑，從而得到了廣泛應(yīng)用。塑料件表面皮紋的存在，一方面提高了產(chǎn)品的美觀性；另一方面提高了高分子材料表面粗糙程度，減小了塑料表面纖維與其他物體的接觸面積，從而減小了摩擦因數(shù)，進而減小了相對滑動時表面的摩擦損傷。皮紋表面刮擦示意如圖1所示。

圖1 皮紋表面刮擦示意

塑料表面的刮擦損傷，主要是由于尖端物體在材料表面滑動引起的。滑石粉改性的PP材料注塑成零件或樣板后，在其皮紋表面施加某一恒定外力并在其表面劃過，皮紋表面因同時承受壓縮、拉伸和剪切力的多重作用而受到多種模式的破壞。這種破壞一方面造成白色的滑石粉外露;另一方面表面發(fā)生不均勻的變形，導(dǎo)致光線反射發(fā)生變化，從而導(dǎo)致表面外觀發(fā)生明度和光澤度的變化。這種變化可用顏色要素中的明度變化值來量化表達。

有研究表明，對于不同作用力條件下的材料表面刮擦損傷形貌，主要有3種：輕劃形貌、魚鱗紋變形形貌和材料移除形貌。由于很難有一種刮擦測試的方法和條件能代表零件在實際使用中的情況，目前尚無一個令人滿意的標準測試方法。

2.2 皮紋件刮擦測試評價

刮擦測試方法主要有：五指刮擦、網(wǎng)格刮擦、硬度試驗筆刮擦、摩擦色牢度刮擦和Taber摩擦儀刮擦等。對于作用力較大時的刮擦，一般在5 N以上，容易出現(xiàn)魚鱗紋變形形貌和移除形貌的損傷。目前比較通用的評價方法為基于單頭十字劃格法,此測試法即是利用上述原理對部件的刮擦性能實現(xiàn)量化的評估，是目前比較穩(wěn)定且直觀的方法，比較適合評估刮擦磨損后白度發(fā)生變化的硬質(zhì)基材。有研究表明，皮紋的抗刮擦能力是受到皮紋類型、皮紋樣式、皮紋深度及皮紋加工方式等綜合因素的影響。

滑石粉改性的PP材料所注塑而成的外觀注塑件最終的耐刮擦性能與很多因素有關(guān)，包括基料選擇、添加劑類型、配色實現(xiàn)手段、注塑工藝、取樣位置、放置時間、測試方法、測試設(shè)備等。刮擦性能的主要影響因素示意如圖2所示。

圖2 刮擦性能的主要影響因素示意

一般情況下，因立體皮紋斜度更大、頂部更鋒利、面積更小，在受到相同外力破壞時損傷程度更大。立體皮紋的抗刮擦能力較差，皮紋深度越淺，刮擦性能越好。

對于指甲的刮擦損傷，一般情況下受力都比較小，在5 N以下。而指甲厚度因人而異，厚度為0.4～1.0 mm，尖端并不鋒利，刮擦試樣表面時，只是對高分子材料表面產(chǎn)生輕微的損傷，呈現(xiàn)輕劃形貌損傷。指甲刮擦示意如圖3所示。

圖3 指甲刮擦示意

因指甲硬度與塑料表面硬度相差不多，指甲莫氏硬度為2.5，塑料為2.0。手指甲在材料表面滑動過程時，往往是把材料表面凸起纖維沿滑動方向壓平的過程，表面產(chǎn)生的變化為光澤度的增加。針對這種損傷需要與前述受力較大的表面損傷區(qū)別開來，其驗證方式和評價方法應(yīng)單獨進行。

輕劃形貌損傷，在主觀評價中主要通過眼睛迎著光線斜向觀察獲得。判斷其優(yōu)劣的主要特征為：劃痕清晰度與周邊對比光澤變化率和劃痕連續(xù)性可視角度等強相關(guān)。

光澤變化率計算公式為：

Δ=-

(1)

式中：為刮擦前光澤率;為刮擦后光澤率;Δ為光澤變化率。

通過分析可知，光澤變化率Δ越大，即對比越明顯，耐刮擦性能就越差；劃痕可視角度越大,則越容易被觀察到，耐刮擦性能就越差。劃痕可視角度示意如圖4所示。

圖4 劃痕可視角度示意

一般廠商針對在低作用力(≤5 N)下的刮擦，會設(shè)計專門的評價標準，對亞光材料的摩擦性能，一般在20°條件下進行測量，通過試驗前后光澤變化來評價耐刮擦性能的優(yōu)劣。

2.3 皮紋表面形貌對比分析

某款汽車外飾件外表面采用顆粒皮紋a，皮紋顆粒尺寸為0.5 mm左右，條狀(兩點相連形成)為0.5 mm×1 mm，點與條數(shù)量比約為4∶1，凸凹比約為1∶1，顆粒邊緣比較整齊清晰，凹面整體比較平整，光澤較均勻。顆粒高度為50～80 μm，顆粒邊緣為圓形，形狀不一，有明顯圓弧延伸到底面，如圖5所示。

圖5 汽車外觀皮紋a示意

皮紋凸凹比對于接觸面積影響較大，皮紋a凸凹比約為1∶1，凸起部分所占整體比例約為40%，每個凸出部，端部呈扁平狀，邊緣大傾斜面延伸到底部；皮紋特征及皮紋底部為平面，平整度較高，對應(yīng)光澤也較高。

另一款汽車外表面采用顆粒皮紋b，皮紋顆粒尺寸為0.1～0.5 mm，多為圓點狀，局部有較少條狀，圓點尺寸大小不一，分布不均勻，大小圓點分布無規(guī)律，皮紋特征及皮紋底部不平整，對應(yīng)光澤也較低。顆粒高度為30～50 μm，顆粒邊緣為圓形，圓弧邊界不平整,如圖6所示。

圖6 汽車外觀皮紋b示意

2.4 皮紋形貌對刮擦性能的影響

通過對皮紋a和皮紋b的測試對比發(fā)現(xiàn)，在低作用力條件下，皮紋a耐刮擦性能明顯優(yōu)于皮紋b,而且在主觀評價方面優(yōu)勢非常明顯。從兩者皮紋形貌特點可以看出：

(1)凸出部的占比越小，在刮擦?xí)r接觸面積越小，刮擦損傷越小，但太小的接觸面積使表面支撐強度降低，刮擦損傷反而會變大；

(2)凸出部頂端平整有利于凸出部的局部強度，刮擦?xí)r能夠支撐起刮擦頭，避免底面被破壞，可以減小刮擦損傷面積；

(3)顆粒狀皮紋可以避免因刮擦方向不同引起的性能差異，對評價有利；

(4)底面平整且光澤較高，可以減弱刮擦后光澤變化對比度，提高評價得分；

(5)皮紋凸凹特征對應(yīng)的尺寸與刮擦物尺寸相關(guān)，設(shè)計尺寸時，一般與刮擦物尺寸接近更有利于刮擦性能；

(6)皮紋面整體的光澤度對刮擦結(jié)果也有影響，光澤度越高，刮擦后的變化越小。

針對消費者手指易觸碰到的部件表面，對手指甲刮擦要求應(yīng)給予足夠的重視，在皮紋定義及后期設(shè)計開發(fā)中，應(yīng)該遵循耐刮擦性能的要求，在皮紋凸出部和凹陷部尺寸、占比、底面光澤度、對比度、刮擦接觸面大小等方面進行細致約束，才能得到既美觀又耐用的高品質(zhì)表面紋理。

3 結(jié)束語

塑料零件的外觀定義對于刮擦性能有很大的影響。如何優(yōu)化外觀要求，使其既滿足美學(xué)要求，又有利于刮擦性能的提高是今后努力的目標。因此，今后還需盡可能量化影響因素，從而有針對性地提升外觀品質(zhì)問題的分析解決，在外觀定義與工程實現(xiàn)間建立良好的互動，最終提高客戶滿意度。