前照灯配光镜材料光源辐照及耐化学试剂测试研究

王铁城,钱国刚,黄 炘,房 旭,赵 斌,朱 瑛,蒋 羽

(1.中国汽车技术研究中心,天津300162;2.大茂伟世通车灯有限公司,江苏常州213022)

前照灯配光镜材料光源辐照及耐化学试剂测试研究

王铁城1,钱国刚1,黄 炘1,房 旭1,赵 斌1,朱 瑛1,蒋 羽2

(1.中国汽车技术研究中心,天津300162;2.大茂伟世通车灯有限公司,江苏常州213022)

对不同材料的16套前照灯及前雾灯样品进行了光源辐照及耐化学试剂测试。结果表明,按照国家标准 GB 4599—2007规定光源辐照试验测试后,16款样品里符合限值0.020要求的样品数量为62.5%,说明光源辐照试验对塑料配光镜性能的测试考察强度较高,对目前产品有一定难度。对于耐化学试剂测试,绝大多数样品满足标准要求。同时分析了不同原料对产品性能的影响。

前照灯;配光镜;光源辐照;化学试剂;测试

0 前言

在以往的国家灯具标准中,缺少对塑料配光镜前照灯的材料性能的考察。而随着汽车行业的发展和技术进步,材料性能的重要性日益凸显,也成为测试和考察重点。以往很多灯具没有考虑这方面,常年经受日晒雨淋伤害后,材料老化程度比较剧烈,以致灯具不能发挥正常功能,给行车安全带来隐患。2008年6月正式实施的标准《GB 4599—2007汽车用灯丝灯泡前照灯》和《GB 21259—2007汽车用气体放电光源前照灯》,与之前的前照灯标准的一个主要区别是增加了塑料配光镜材料性能的内容。其中,光源辐照测试及耐化学试剂测试标准是同组又同属于耐候、耐环境方面的重要测试。笔者介绍了此两项测试的数据和结果,分析了不同材料的耐受性差异。

车辆在长期使用过程接触到光照、雨水等自然环境,也会不时与酸雨等含有化学成分的液体接触,都会加速灯具塑料配光镜的老化。塑料制品的老化是不可逆过程,但通过材料优选、改良加工工艺等措施可增加塑料材料对上述侵蚀的耐受性。为促进这方面的技术进步,以车体上最为复杂的灯具前照灯为例,欧洲 ECE R98法规、美国FMVSS108法规和我国国标均有对其塑料配光镜的材料性能进行考察的内容,包括光照、耐化学试剂等多项耐老化性能测试。

光照测试方面,美国 FMVSS108中的光照测试需要在亚利桑那州或佛罗里达南部专业曝晒场中进行,国内和欧洲的标准则都可以使用专业的光源辐照试验箱进行测试。光源辐照试验箱内模拟了自然界中的老化过程,并通过强化试验将原需耗时数年的老化过程大幅度地缩减到约43 d的试验。光源辐照试验箱最初采用英国人戴维于1809年发明的碳弧灯为光源。碳弧灯光谱由炽热电极圆形阱的连续辐射和金属蒸汽特性谱线叠加组成,有很强的紫外辐射且需常常调节距离,光色也不够理想。现代的光源辐照试验箱采用水冷式氙灯光源的耐候试验箱,温、湿度可控,操作便捷,辐射量和强度也易于调节。

国标 GB 4599—2007规定光源辐照测试中样片需要接受的辐射照度为1200±200 W/m2,测试期间接收到的总辐射能量为4500±200 MJ/m2。在试验箱内,与试样在同一水平上的黑板温度应为50±5℃。试样在以1～5 r/min的速度围绕光源转动,并伴随着蒸馏水的间歇性喷洒。在试验后,试样表面应无裂纹、擦伤、屑片和变形。材料透过率的变化的平均值应不大于0.020。

耐化学试剂试验在光源辐照试验之后进行,目的是考察材料长期耐光照的能力及经历过长时间光照之后,是否会导致其对化学试剂的耐受性显著下降,造成漫反射程度的改变。配光镜表面的污痕在夜间行车时会形成光的漫射,给对面来车造成眩目等安全隐患。因此,基于光源辐照试验之上的耐化学试剂试验也有着重要的价值,二者是相互关联的试验。试验中采用的溶液按 GB 4599—2007附录B中2.3.1的规定配制。试验后,样片应无任何会引起光束漫射变化的污痕,其漫射光透过率的变化小于0.020。

1 实验部分

1.1 主要原料

庚烷,分析纯,市售;

甲苯,分析纯,市售;

四氯乙烷,分析纯,市售;

三氯乙烯,分析纯,市售;

二甲苯,分析纯,市售。

选取了来自国内外9家车灯公司的16款样品进行了下述光源辐照试验和透过率试验,以及耐化学试剂试验和漫射率试验。每款样品包括3件配光镜材料试样。样品选型时考虑了厂家因素、材料和膜层因素等,对国内灯具产品情况有代表性。

1.2 主要设备及仪器

水冷式氙灯光源耐候试验箱,C4000,澳大利亚ATLAS公司;

漫射及透射光测量系统,自制。

1.3 性能测试与结构表征

采用水冷式氙灯光源的耐候试验箱对样品进行光源辐照测试。使用滤光片来削减氙灯波长在295 nm和2500 nm之外的辐射,使主要辐射能量的峰值波段与日光相似。光源的光谱能量分布相当于5500～6000 K的黑体。根据维恩位移定律,如式(1)所示。

式中 λm——最大黑体谱辐射亮度处波长,μm

Ts——黑体的绝对温度,K

其中,Ts分别取 5500和 6000,则分别对应0.5269μm和0.483μm,即光源光谱能量峰值应集中在483～526.9 nm,而全光谱能量的分布则类似于相应的黑体。此时的光谱与自然光接近,能够最大程度地模拟自然环境。

图1 自然光与氙灯光谱对比Fig.1 The comparison between natural daylight and xenon lamp

试验时间以总辐射量和辐射照度的中心值计算,如式(2)所示。

按上述条件及国标的其他要求,在同一光照箱里对各组样品同时进行了测试。

样品经过光照试验之后,接着进行了耐化学试剂的试验。试验所需的溶液按如下体积比进行配制:61.5%正庚烷,12.5%甲苯,7.5%四氯乙烷,12.5%三氯乙烯和6%二甲苯。在试验时,将浸有试剂的棉布置于试样外表面,并施以50 N/cm2的压力10 min。试验后,试样在户外干燥,清洗干净之后擦干,进行漫射光透过率的测量。

每种样品为3只样片,经过光源辐照试验之后,在漫射及透射光测量系统中进行材料透过率和漫射光透过率的测量,系统原理图如图2所示。

图2 试验光路图Fig.2 Index path of the measurement

图2光路中,光阑DT遮挡处所遮挡住的部分,为材料透射光。进行材料透过率测量的时候,将光阑打开,在调节传感器基准值相同的基础上,比较光源辐照试验前后的读数,并分别记作T2、T3。计算材料透过率的变化公式如式(3)所示。

式中 Δt——材料透过率的变化

T2——辐照前的材料透过率

T3——辐照后的材料透过率

进行试验结果判定的时候,对3件试样求平均值,记为Δtm,并判断是否小于限值0.020。

在光阑遮蔽处之外进入接收器的光,即为光路图中阴影部分所示,为所需测量的漫射光透过部分。在试验前后读数分别记作T4、T5。计算漫射光的透过率变化公式如式(4)所示。

式中 Δd——漫射光透过率的变化

T4——辐照前的漫射光透过率

T5——辐照后的漫射光透过率

进行试验结果判定的时候,对3件试样求平均值,记为Δdm,并判断是否小于限值0.020。

2 结果与讨论

2.1 光源辐照试验及分析

光源辐照试验后,16款样品里有部分样片颜色已很明显老化变黄。某款样品在光源辐照试验前后的情况如图3所示,左侧的样片是经过了光源辐照试验的,已经明显变黄;右侧的样片未经过光源辐照试验,无变黄的迹象。

图3 样品变色情况对比Fig.3 Comparison of color change of samples

光源辐照试验后,测试了各样品的透过率,16款样品的数据结果如图4所示,每款3个样品的数据结果如图5所示。每款样品取该款3个样品的平均值,16款样品里低于限值0.020的样品种类达62.5%。从总计48个样品来看,材料透过率变化低于该限值的样品占总样品数的68.75%。处于限值0.020±0.05区间的有7款,占到总样品数的44%,且有3款为超标,这说明光源辐照试验对塑料配光镜性能的测试考察强度较高,对目前产品有一定难度。

图4 各款样品经光源辐照测试后透过率变化数据Fig.4 Test results for each type sample on lighting test

图5 各个样品经光源辐照测试后透过率变化数据Fig.5 Test results for each sample on lighting test

塑料配光镜的耐光源辐照性能主要取决于选用的工程塑料及膜层的种类以及所采用的工艺。样品中有6组分别采用了PC-303-15(美国陶氏化学公司)、PCL-1225Z(日本帝人化成株式会社)、L-1225Z(日本帝人化成株式会社)工程塑料及 KUV1000 C、UV#60000-1、CG-7光学镀膜配合使用,PC-303-15与CG-7二者相配合的样品不仅在这6组中的材料透过率变化最小,而且变色程度最小,但是其余组合的变化量与变色程度关联不大,见图6。另外,Bayer 2647(德国拜耳集团)、1225C(日本帝人化成株式会社)、PC-GE-111C(美国通用电器公司)材料性能表现优异,结果远低于0.020,颜色也没有明显变化。结果显示,光源辐照测试要求灯具生产中的材料种类及纯净度、膜层种类及加工工艺等各个方面进行优化及严格控制,才能使产品质量满足及优于标准要求。

图6 变色程度与Δtm的关系Fig.6 Color change vsΔtm

2.2 耐化学试剂试验结果及分析

在耐化学试剂试验中,测试了各样品的材料漫射透过率,16款样品的数据结果如图7所示,每款3个样品的数据结果如图8所示,绝大多数样品均表现出良好的性能。

图7 各款样品经耐化学试剂测试的漫射透过率数据Fig.7 Test results for each sample on chemical agent test

图8 各个样品经化学试剂测试的漫射透过率数据Fig.8 Test results for each sample on chemical agent test

3 结论

(1)光源辐照试验中材料透过率与样品变色程度有相关性。变色程度的比较中,材料透过率变化量最小的几组样品变色程度最低,而透过率变化最大的几组样品变色程度最大。但是在中间层级的样品,变色程度与材料透过率变化量并未呈现过多的相互关联性;

(2)光源辐照试验的材料透过率与耐化学试剂试验试验结果之间有相关性。

Research on Atmospheric Test and Chemical Resistance Test of Headlamp′s Lens

WANG Tiecheng1,QIAN Guogang1,HUAN G Xin1,FAN G Xu1,ZHAO Bin1,ZHU Ying1,J IAN G Yu2
(1.China Automotive Technology&Research Center,Tianjin 300162,China;2.Visteon TYC Auto Lamps Co,Ltd,Changzhou 213022,China)

Samples of 16 sets of headlamps and front fog lamps with different materials were tested for atmospheric agent and chemical resistance.The test results showed that,in accordance with the provisions of GB 4599—2007 on atmospheric agent test,62.5%of 16 sets of test samples met the limit value of 0.020 in GB 4599—2007.Therefore,it illustrated that atmospheric agent test set a high standard on the performance of plastics lens,it was very difficult for present products to meet its requirements.For the chemical resistance test,the majority of samples met the provisions.At the same time,we analyzed the effects of different raw materials on the performances of the lens,which was very instructive to the material chosen of the plastics lens and their coating.

headlamp;len;atmospheric test;chemical agent;test

TQ322.3;TQ320.77+3

B

1001-9278(2010)06-0058-04

2010-02-26

联系人,wangtiecheng@catar.ac.cn