汽車外飾塑料戶外曝曬與氙燈老化試驗結(jié)果對比

摘要： 為研究外飾塑料在戶外曝曬和氙燈老化試驗中的結(jié)果是否一致，選用了8種材料開展試驗，對比了外觀、色差、光澤度和拉伸強度，并利用相關(guān)系數(shù)分析了二者之間的相關(guān)性。研究結(jié)果顯示，不同材料的氙燈老化和戶外曝曬的結(jié)果不同。其中，6種外飾塑料在海南地區(qū)曝曬后比敦煌地區(qū)曝曬后的老化程度更嚴重。對于聚甲基丙烯酸甲酯、丙烯腈-丁二酸-苯乙烯合金（PMMA+ASA）、聚碳酸酯（PC）和聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA），SAE J2527不能準確模擬海南地區(qū)的曝曬結(jié)果，氙燈老化4 000 kJ后與戶外曝曬2年后的拉伸強度變化率基本相同。

關(guān)鍵詞：老化 外飾塑料 戶外曝曬 氙燈老化

中圖分類號：U465.4" "文獻標志碼：B" "DOI： 10.19710/J.cnki.1003-8817.20240221

Comparison between Outdoor Exposure and Xenon Lamp Aging Test for Automotive Exterior Trim Plastics

Luo Xiyuan， Wang Wei， Lan Yonghao， Sun Pengfei， Wang Zhibai

（Changan Automobile Global Ramp;D Center， Chongqing 401120）

Abstract： To in vestigate the consistency of results from outdoor exposure and xenon lamp aging tests on exterior plastics， 8 kinds of materials are selected to compare their appearance， clolr difference， gloss and tensile strength， and correlation coefficient is used to analyze the correlation between the two tests. The research results show that results of xenon lamp aging and outdoor exposure vary for ditferent materials， among which 6 materials have more severe results after Hainan exposure than Dunhuang exposure. For PMMA+ASA， PC and PMMA， SAE J2527 cannot accurately simulate exposure results in Hainan region. Furthermore the changes of tensile strength after xenon arc exposure 4 000 kJ are the same as 2 years outdoor exposure.

Key words： Aging， Exterior trim plastics， Outdoor exposure， Xenon lamp aging

1 前言

戶外曝曬和氙燈老化試驗是汽車非金屬材料最常用的老化試驗方法。氙燈老化試驗是實驗室驗證汽車非金屬材料老化性能的主要試驗方法，模擬了戶外老化條件。戶外曝曬試驗最接近用戶實際使用狀態(tài)，試驗條件為曝曬地的自然環(huán)境。

由于不同地區(qū)的氣候環(huán)境不同，不同暴曬地點的氣候環(huán)境存在差異，因此，戶外暴曬試驗結(jié)果也存在差異。目前，汽車行業(yè)主要選擇2種氣候環(huán)境的暴曬地點，一種是干熱氣候環(huán)境的曝曬地，如中國敦煌、新疆，美國亞利桑那。另一種是濕熱氣候環(huán)境的暴曬地，如中國的海南和美國佛羅里達。

戶外曝曬試驗的周期較長，至少需要一年，很難滿足目前的汽車開發(fā)周期。氙燈老化試驗的周期相對較短，對于汽車外飾塑料，試驗周期一般為3～4個月，是汽車開發(fā)過程中的主要試驗方法。氙燈老化試驗模擬了戶外的光照、溫度和濕度條件，但與戶外暴曬的相關(guān)性是汽車行業(yè)關(guān)心的重要問題。汽車主機廠和設(shè)備供應商均有相關(guān)研究，李慧蓮[1]等研究了儀表板材料氙燈老化試驗結(jié)果與自然曝曬試驗結(jié)果的相關(guān)性。柳立志、龔雯雯[2-3]研究了內(nèi)飾塑料氙燈老化試驗結(jié)果與戶外曝曬試驗結(jié)果的相關(guān)性。孫杏蕾[4]研究了外飾油漆氙燈老化試驗和戶外曝曬試驗結(jié)果的相關(guān)性。早在1987年，Gugumus[5]團隊即研究了氙燈老化試驗結(jié)果與戶外曝曬試驗結(jié)果的相關(guān)性，分析了低密度聚乙烯（Low Density Polyethylene，LDPE）在歐洲中部和美國佛羅里達州的試驗結(jié)果與實驗室試驗結(jié)果的相關(guān)性。Hamid[6]等研究了聚乙烯（Polyethylene，PE）材料在沙特地區(qū)曝曬試驗結(jié)果與實驗室加速試驗結(jié)果的相關(guān)性。Tidjani[7]和Lü[8]等研究了聚丙烯（Polypropylene，PP）材料戶外曝曬試驗結(jié)果與實驗室加速試驗結(jié)果的相關(guān)性。以上研究結(jié)果表明，不同曝曬地點、試驗設(shè)備、材料的測試結(jié)果存在差異，因此，需要研究不同外飾塑料在戶外曝曬與氙燈老化試驗間的相關(guān)性。

本文收集8種汽車外飾塑料，開展氙燈老化試驗和戶外曝曬試驗，戶外曝曬地點為海南萬寧和甘肅敦煌，并通過對比每種材料在氙燈老化、萬寧和敦煌曝曬后的測試結(jié)果，分析氙燈老化和戶外曝曬試驗結(jié)果的相關(guān)性。

2 試驗

2.1 試驗樣品

試驗采用的樣品是汽車行業(yè)中常用的8種外飾塑料，每種樣品取3個平行樣，試驗總樣本量為24個，如表1所示。

2.2 試驗方法

氙燈老化試驗方法采用SAE J2527-2017[9]，是汽車行業(yè)常用的外飾材料試驗方法，其中總輻照量為4 000 kJ，每500 kJ評價色差、光澤度、拉伸強度，具體內(nèi)容如表2所示。

戶外曝曬試驗的地點為海南萬寧和甘肅敦煌。

萬寧大氣試驗站位于東經(jīng)110°15'、北緯18°58'，海拔12.3 m，平均溫度為24.6 ℃，平均相對濕度為86%，年總輻照量為4 826 MJ/m2，年總?cè)照諘r間為2 154 h，年降水總量為1 515 mm，降水pH值為5.4，屬于典型的高溫高濕海洋大氣環(huán)境。

敦煌大氣試驗站海拔為1 199 m，平均溫度為10.8 ℃，最高溫度為45.6 ℃，最低溫度為-28.6 ℃，平均相對濕度為38%，年總輻照量為6 425.4 MJ/m2，年總?cè)照諘r間為3 257.8 h，年降水總量為39 mm，屬于典型的干熱沙漠環(huán)境條件。

戶外曝曬試驗方法如表3所示。樣品暴曬過程中無背板，方向朝南，與水平面夾角為5°，如圖1所示。暴曬時間為2年，每3個月評價一次色差、光澤度、拉伸強度。

色差測量按照GB/T 3979—2008《物體色的測量方法》執(zhí)行，測量條件為：D65光源，10°觀察角，包含鏡面反射光。光澤度測量按照ASTM D523-14（2018）《Standard Test Method for Specular Gloss》執(zhí)行，測量角為60°。拉伸強度測量按照GB/T 1040.2—2022 《塑料拉伸性能的測定 第2部分：模塑和擠塑塑料的試驗條件》執(zhí)行，1A型樣條，拉伸速度為50 mm/min。

本文利用皮爾遜相關(guān)系數(shù)r來表征氙燈老化試驗與實際曝曬試驗結(jié)果的相關(guān)性。相關(guān)系數(shù)越接近1，說明二者之間的相關(guān)性越好。

2.3 試驗設(shè)備

氙燈老化采用Atlas公司的Ci4000氙氣老化試驗機，該設(shè)備具有3層試樣架，可容納65個樣品。采用S Boro/S Boro濾鏡后的光譜與太陽光譜十分接近，同時該設(shè)備可噴淋，模擬戶外的雨水和潮濕條件。

色差儀采用Konica Minolta公司的積分球色差儀CM-700D，光學結(jié)構(gòu)D/8。儀器重復性：色度值標準偏差小于0.04。

光澤度儀采用Konica Minolta公司的MG268，該設(shè)備屬于三角度測試儀，具有20°、60°和85°測試角。儀器重復性：0.2 GU（10 GU～100 GU）、±0.2%（100 GU～2 000 GU）。

拉伸試驗機采用Zwick公司的Z010。

3 結(jié)果及分析

3.1 外觀對比

圖2為樣品氙燈老化試驗、海南和敦煌曝曬試驗后的照片。PMMA+ASA、PC在海南暴曬后明顯變色，在氙燈老化和敦煌曝曬后顏色變化不明顯。

ASA、PA6-GF30、PP+EPDM+TD15、免噴涂PP、TPE等材料在氙燈老化和海南暴曬后的顏色變化基本一致，均比敦煌曝曬后的顏色變化更明顯。

3.2 色差對比

圖3所示為8種材料在氙燈老化和戶外暴曬下的色差-輻照量曲線。ASA和TPE在海南曝曬2年后的色差與敦煌曝曬2年后的色差基本一致，其他6種材料在海南曝曬2年后的色差均大于敦煌曝曬2年后的色差。

關(guān)于氙燈老化后的色差和戶外曝曬后的色差對比，不同材料的表現(xiàn)結(jié)果不同。對于PMMA+ASA、PC、PMMA和PP+EPDM-TD15，氙燈老化4 000 kJ和敦煌曝曬2年的色差基本一致，均小于海南暴曬2年的結(jié)果。對于PA6-GF30、免噴涂PP和TPE，氙燈老化4 000 kJ和海南暴曬2年的色差基本一致，均大于敦煌曝曬的結(jié)果。對于ASA，氙燈老化4 000 kJ與海南、敦煌曝曬2年的結(jié)果基本一致。

圖4為各種材料在3種試驗下的色差相關(guān)系數(shù)。氙燈老化與海南曝曬的相關(guān)系數(shù)范圍為0.42～0.96，與敦煌曝曬后的相關(guān)系數(shù)范圍為0.5～0.9，說明氙燈老化試驗與戶外曝曬具有相關(guān)性。

對于不同的材料，氙燈老化和戶外曝曬的相關(guān)系數(shù)不同。對于免噴涂PP、TPE，氙燈老化試驗和戶外曝曬的相關(guān)性較好，均高于0.8。對于PA6-GF30、PMMA+ASA，氙燈老化試驗和戶外曝曬的相關(guān)性稍差，低于0.7。對于PC、ASA、PP+EPDM-TD15和免噴涂PP，氙燈老化與海南曝曬的相關(guān)性系數(shù)更高，相關(guān)性更好。對于PMMA+ASA、PMMA、PA6-GF30和TPE，氙燈老化試驗與敦煌曝曬的相關(guān)系數(shù)更高，相關(guān)性更好。

圖5所示為氙燈老化對戶外暴曬的色差加速因子。對于不同的材料，氙燈老化試驗對戶外曝曬的色差加速因子不同。除ASA外，其他材料氙燈對海南戶外暴曬的加速因子均小于對敦煌戶外暴曬的加速因子。

對于PMMA+ASA、PC和PMMA，氙燈對海南戶外曝曬的加速因子較小，氙燈4個月的結(jié)果明顯小于海南曝曬2年后的結(jié)果，如圖3所示，說明氙燈老化（僅指SAE J2527-2017標準下）不能很好地模擬海南的試驗結(jié)果，需要考慮其他方法驗證老化性能。

3.3 光澤度對比

圖6所示為8種材料在氙燈老化和戶外曝曬下的光澤度變化率-輻照量曲線。ASA在海南曝曬2年后與敦煌曝曬2年后的光澤度變化率基本一致，PP+EPDM-TD15在海南曝曬2年后的光澤度變化率小于敦煌曝曬2年后的結(jié)果。其他6種材料在海南曝曬2年后的光澤度變化率均大于敦煌曝曬2年后的結(jié)果。

關(guān)于氙燈老化后的光澤度變化率和戶外曝曬后的結(jié)果對比，不同材料的表現(xiàn)不同。ASA、免噴涂PP和TPE在氙燈老化4 000 kJ后，與海南、敦煌曝曬2年后的光澤度變化率基本一致；PMMA+ASA、PC和PMMA氙燈老化4 000 kJ后，與敦煌曝曬2年后的光澤變化率基本一致，小于海南曝曬2年后的結(jié)果；對于PA6-GF30和免噴涂PP，氙燈老化4 000 kJ與海南曝曬2年后的光澤度變化率基本一致，高于敦煌曝曬2年后的結(jié)果；對于PP-EPDM-TD15，氙燈老化4 000 kJ與海南曝曬2年后的光澤度變化率基本一致，小于敦煌曝曬2年后的結(jié)果。

圖7為各種材料在氙燈老化試驗后的光澤度變化與戶外曝曬結(jié)果的相關(guān)系數(shù)。氙燈老化與海南曝曬后的相關(guān)系數(shù)范圍為0.11～0.98，與敦煌曝曬后的相關(guān)系數(shù)范圍為0.11～0.97。

不同材料的氙燈老化和戶外曝曬相關(guān)系數(shù)不同。對于PMMA+ASA、PC、PA6-GF30和免噴涂PP，氙燈老化試驗和戶外曝曬的相關(guān)性較好，相關(guān)系數(shù)均高于0.8。對于PMMA和ASA，氙燈老化試驗和戶外曝曬的相關(guān)性系數(shù)低于0.5，相關(guān)性較差。對于PP+EPDM-TD15，氙燈老化與敦煌曝曬的相關(guān)性系數(shù)為0.91，相關(guān)性較好，與海南曝曬的相關(guān)系數(shù)為0.11，相關(guān)性較差。

圖8所示為氙燈老化對戶外暴曬的光澤度加速因子。不同材料的氙燈老化試驗對戶外曝曬的光澤度加速因子不同。除PP+EPDM-TD15和PMMA外，其他材料氙燈對海南的加速因子均小于對敦煌的加速因子。

3.4 拉伸強度

圖9所示為8種材料在氙燈老化和戶外曝曬下的拉伸強度-輻照量曲線。海南曝曬2年后與敦煌曝曬2年后的拉伸強度變化率基本一致。

8種材料的拉伸強度變化率均小于30%。對于PMMA+ASA，氙燈老化4 000 kJ后的拉伸強度變化率小于戶外曝曬2年后的結(jié)果。對于其他材料，氙燈老化4 000 kJ后與戶外曝曬2年后的拉伸強度變化率基本相同。

4 結(jié)論

a.6種材料在海南曝曬2年后的色差和光澤度變化大于敦煌曝曬2年后的結(jié)果，說明大部分外飾塑料在海南曝曬的結(jié)果更嚴重。萬寧全年的輻照量和日照時間均小于敦煌，但平均溫度和平均濕度高于敦煌。說明外飾塑料的老化因素除輻照量外，溫度和濕度也起著關(guān)鍵的作用。

b.不同材料在氙燈老化和戶外曝曬試驗中的表現(xiàn)不同。部分材料氙燈老化4 000 kJ后的結(jié)果與海南、敦煌曝曬2年后的結(jié)果一致，如ASA、TPE；部分材料氙燈老化4 000 kJ后的結(jié)果與海南曝曬2年后的結(jié)果更接近，如PA6-GF30、免噴涂PP；部分材料氙燈老化4 000 kJ后的結(jié)果與敦煌曝曬2年后的結(jié)果更接近，如PMMA+ASA、PC和PMMA。SAE J2527不能很好地模擬這3種材料海南曝曬結(jié)果，需結(jié)合其他方法驗證老化性能。

c.氙燈老化與海南曝曬的色差相關(guān)系數(shù)范圍為0.42～0.96，與敦煌曝曬后的色差相關(guān)系數(shù)范圍為0.5～0.9，說明氙燈老化與戶外曝曬的色差具有相關(guān)性。

d.氙燈老化與海南曝曬的光澤度相關(guān)系數(shù)范圍為0.11～0.98，與敦煌曝曬后的光澤度相關(guān)系數(shù)范圍為0.11～0.97。不同材料氙燈老化與戶外曝曬后的光澤度相關(guān)性不同，ASA在氙燈老化后的光澤度與戶外曝曬后的光澤度相關(guān)性較差，與海南和敦煌的相關(guān)系數(shù)分別為0.28和0.11。PA6-GF30和免噴涂PP在氙燈老化后的光澤度與海南、敦煌曝曬后的光澤度相關(guān)性均較好，相關(guān)系數(shù)均高于0.9。

e.7種外飾塑料氙燈老化4 000 kJ后與戶外曝曬2年后的拉伸強度變化率基本相同，僅PMMA+ASA氙燈老化4 000 kJ后的拉伸強度變化率小于戶外曝曬2年后的結(jié)果。

參考文獻：

[1] 李慧連， 王文濤， 李莉， 等. 汽車儀表板材料氙燈老化試驗與自然曝曬試驗相關(guān)性研究[J]. 裝備環(huán)境工程， 2014， 11（1）： 30-33.

[2] 柳立志， 張恒， 孫杏蕾. 實驗室加速老化試驗與戶外曝曬試驗的對比研究-汽車內(nèi)飾塑料氙燈試驗與戶外曝曬試驗之間的相關(guān)性研究[J]. 汽車工藝與材料， 2016（7）： 49-52.

[3] 龔雯雯， 張恒， 孫杏蕾. 實驗室加速老化試驗與戶外曝曬試驗的對比研究-汽車內(nèi)飾塑料氙燈試驗與戶外曝曬試驗之間的加速因子[J]. 汽車工藝與材料， 2016（9）： 54-56.

[4] 孫杏蕾. 實驗室加速老化試驗與戶外曝曬試驗的對比研究-外飾油漆氙燈試驗與戶外曝曬試驗之間的相關(guān)性研究[J]. 汽車工藝與材料， 2016（8）： 11-14.

[5] GUGUMUS F. The Use of Accelerated Tests in the Evaluation of Antioxidants and Light Stabilizers[J]. Development in Polymer Stabilisation， 1987， 8： 239-289.

[6] HAMID S H， AMIN M B. Lifetime Prediction of Polymers[J]. Journal of Applied Polymer Science， 1995， 55（10）： 1385-1394.

[7] TIDJANI A. Photooxidation of Polypropylene under Natural and Accelerated Weathering Conditions[J]. Journal of Applied Polymer Science， 1997， 64（13）： 2497-2503.

[8] Lü Y D， HUANG Y J， YANG J L， et al. Outdoor and Accelerated Laboratory Weathering of Polypropylene： A Comparision and Correlation Study[J]. Polymer Degradation and Stability， 2015， 112： 145-159.

[9] Performance Based Standard for Accelerated Exposure of Automotive Exterior Materials Using a Controlled Irradiance Xenon-Arc Apparatus： SAE J 2527-2017[S/OL]. 2017-09-19[2024-06-12]. https：//saemobilus.sae.org/standards/j2527_201709-performance-based-standard-accelerated - exposure-automotive-exterior-mat?erials-using-a-controlled-irradiance-xenon-arc-appara?tus.