汽车塑料人工加速光老化及防老化分析

李雅彬 孙晓菲

（天津一汽夏利汽车股份有限公司产品开发中心）

汽车塑料在加工、贮存和使用过程中，由于受内外因素的综合作用，其物理化学性能和机械性能逐渐变坏，最终导致老化失效。为评价汽车塑料的耐老化性能，逐渐形成自然老化与人工加速光老化2 种试验方法。由于人工加速光老化试验可以通过模拟自然气候中的某些重要因素，如阳光、温度、湿度及降雨等，缩短了老化试验的周期，有效避免了自然老化试验可控性差，试验结果不可再现的问题，因此人工加速光老化作为自然老化的重要补充，正广泛运用于汽车塑料的研究、开发及检测中[1-2]。文章主要探讨了人工加速光老化试验对汽车塑料性能的影响及防老化的途径。

1 人工加速光老化基本原理

1.1 人工加速光老化的机理

汽车塑料在暴露于户外太阳光和大气的情况下，因吸收紫外光（290～400 nm 的短波长足以破坏大多数高分子材料的键能[3]）而发生一系列复杂而有害的变化，称为大气环境中的光氧老化，其外在表现为材料外观变色、表面龟裂、失去光泽及力学性能变坏等[4]。老化的主要原因是由于高分子结构内部存在易引起老化的因素，如具有不饱和双键、支链、羰基及端羟基等。

塑料吸收光能后会使分子激发，根据Einstein 光化学当量法则，当光子具有的能量大于等于高分子的键能时，构成光化学的活性[5]，吸收光子能量的大分子链处于不稳定的高能激发状态，只有少数转化为对塑料没有影响的能态，如磷光、荧光和热能等，但大多数塑料都会发生光化学反应，进而导致光老化，发生分子链断裂，基体的形态发生改变，从宏观上体现为塑料材料发生老化。

1.2 人工加速光老化光源的选择

试验室光源暴露试验可以在试验箱中同时模拟大气中的光、氧、热和降雨等因素，是目前较为常用的人工加速光老化试验方法。在这些模拟因素中光源最为重要。目前使用的人工光源都力图使在波长区间内的能谱分布曲线与太阳光谱接近，以达到最佳的光拟合性。其中模拟性和加速倍率是选择人工光源的主要依据。国际标准化组织（ISO）委员会主要推荐使用氙弧灯、阳光型碳弧灯及荧光紫外灯3 种光源。

1.2.1 氙弧灯

目前已知的人工光源中，氙弧灯的光谱能量分布与阳光中紫外光和可见光部分最相似，因此在实际汽车塑料测试中应用最为广泛，如图1所示。通过选择合适的滤光片，可以滤去大部分阳光中的短波辐射。氙灯在1 000～1 200 nm 近红外区存在很强的辐射峰，产生大量的热。因此，须选择合适的冷却装置消除热能。目前，市面上氙灯老化试验装置有水冷式和风冷式2 种冷却方式。一般来说，水冷式氙灯装置冷却效果要优于风冷式，但结构复杂，价格昂贵。由于氙灯紫外线部分能量较另外2 种光源增加较少，所以加速倍率最低。

市场上氙灯老化箱种类较多，而用不同型号的氙灯辐照后材料性能变化较大。表1 示出受试样品（聚乙烯）在 Ci4000、XE-3-HS 和 TMJ-9707 3 种型号的氙灯老化箱中老化试验前后的性能比较，从表1 可以看出，试验中拉伸强度和断裂伸长率都呈下降趋势，其中以风冷式XE-3-HS 的老化下降速度最快，试样经1 000 h 老化就已经变形；其次是水冷式TMJ-9707，经1 200 h 老化断裂伸长率保持率约为24%；下降比较缓慢的是水冷式的Ci4000，经1 200 h 老化断裂伸长率保持率约为41%[6]。

表1 不同型号氙灯辐照前后材料性能比较

1.2.2 荧光紫外灯

荧光紫外灯的光谱分布主要集中在紫外光部分，因此可以达到较高的加速倍率。然而，荧光紫外灯不仅使日光中的紫外线能量增加，同时还增添了日光中没有的辐射能量，从而引起非自然的破坏。另外荧光光源光谱分布很窄，对长波能量敏感的材料就不会出现日光暴晒的变化。这些固有缺陷导致其结果存在不确定性，因此荧光紫外灯的日光模拟性较差。但是由于它具有较高的加速倍率，实际中通过选择合适型号的灯管可实现对特定材料的快速筛选。

1.2.3 阳光型碳弧灯

阳光型碳弧灯目前在我国应用较少，主要在日本及日本合资汽车企业中广泛使用，大部分JIS 标准都采用阳光型碳弧灯。其光谱能量分布较接近于太阳光，但在370～390 nm 紫外线集中加强，模拟性不及氙灯，加速倍率介于氙灯及紫外灯之间。

2 人工加速光老化试验的确定

2.1 参照相关产品标准规定

经过较长时间的摸索试验，人们对汽车塑料老化过程及机理进行了深入分析，总结了不同温度与不同气候环境的相应老化试验参数，并以标准加以约束执行。试验中可以查找相关标准，按规定技术要求完成试验[7-8]，得出结论。

2.2 根据已知的相关性推算

长期以来，国内外就相关性问题展开了大量研究，得出了许多换算关系式。然而，由于高分子材料的多样性，加速老化试验设备及方法的不同，以及时间和地区气候的差异性导致了换算关系的复杂化。因此，在选择换算关系时，一定要注意得出该相关性的具体材料、老化设备、试验条件及性能评价指标等因素[9]。例如，有研究表明可通过颜色和变黄指数变化来评价ABS 材料的颜色稳定性，得出相关性加速倍率为7，即要考察某ABS 材料户外使用1年后的颜色变化，可以参考该加速倍率，确定加速老化时间：365×24/7=1 251 h。

2.3 控制辐射总量相当

对于某些既无相应标准规定，又无处参考相关性的产品，可以考虑其实际使用环境的辐射强度，控制人工加速光老化辐射总量与自然暴露辐射总量相当。按“辐照总量=辐照时间×辐照强度”进行计算，确定试验方案。

一般情况，辐照强度可依照波长范围不同而有所不同，为便于评价不同光源的日光拟合性，可选用波长范围相关性进行换算，换算公式为：

式中：X——已选定波长范围的辐照强度，W/m2；

Y——待确定波长范围的辐照强度，W/m2；

c——辐照强度相关换算系数。

表2 示出辐照度相关系数对照表。依据表2，当波长为340 nm 时，若X=0.5 W/m2，通过相关性换算，当对应波长为 300～400 nm 时，Y=120X=60 W/m2。依据相关性辐照度公式，若波长范围在400～800 nm 时，若X超过480 W/m2，则可按照厂家规定自行确定。

表2 辐照度相关系数对照表

3 人工加速光老化试验性能评价

3.1 根据材料用途确定评价指标

对于汽车塑料，由于其用途不同，选择的评价指标也不同。例如外饰件，需重点考虑其外观的变化，如光泽度、颜色变化、粉化及泛金等各种外观变化的评价。对于同一种材料，应用的领域不同，要求也各有差别。如PVC 材料，如果用于制作车体内外表面型材，需首要考虑其耐褪/变色性，而用于生产各种管路或软管时，则需重点考虑老化后材料的物理机械性能变化，如拉伸强度及断裂伸长率等。

3.2 根据材料本身特性确定评价指标

由于同一材料在老化过程中，不同性能的下降速度不同，所以在选择评价指标时，应该选择对老化性能敏感，下降速度快的参数。研究表明：对于大部分汽车工程塑料来说，冲击强度是自然老化试验检测中变化最大、下降最明显的。因此，在老化测试时，应优先考虑选择冲击强度下降作为评价指标。而对于热塑性材料而言，则应分别讨论。如在聚丙烯材料的老化过程中冲击强度变化较敏感，是考核老化性能的主要指标；对于聚乙烯材料来说，断裂伸长率的下降最为明显，是优先考虑的评价指标；而对于聚氯乙烯，拉伸强度和冲击强度都下降较快，应根据实际情况，具体选择指标来评价。

4 汽车塑料防老化的途径

4.1 高分子结构改性

从老化的机理看，主要诱因是高分子结构本身存在薄弱部分，易受外界破坏。因此主要是选用合适的新单体和改进聚合方法，改变共聚单体和共聚比，消除老化弱点，引进耐老化结构单元以及进行环化、交联、共混和增强等。据报道，国外汽车塑料工业将以对现有的大量品种改性为主，而以开发新的高分子材料为辅作为未来的发展方向。

4.2 配方中添加防老化剂

大量试验证明，在材料中添加适量防老化剂、化学稳定剂、紫外光吸收剂或多种并用，可有效改善材料内部组织结构，是降低光老化、提高塑料耐候性的常用方法[10]。例如聚砜的耐候性较差，添加了苯并三哇类紫外线吸收剂后，其防光老化性能提高20%～25%；ABS 空白薄片在户外曝露半个月后变脆，单独添加质量分数为0.5%的紫外光吸收剂后，变脆时间延迟到20 天，但当紫外光吸收剂与抗氧剂并用，可以极大改善耐候性，变脆时间延迟超过了3 个月[11]。

4.3 物理防护

物理防护主要采用涂漆、涂胶、涂蜡、着色、镀金属、选用复合材料和衬底材料、浸渍或涂敷防老化剂溶液等。通过物理防护可在汽车塑料表面敷上一层保护膜，有效隔开光、氧及水分等，对塑料制品起到了良好的防老化效果。

5 结论

在各种相关文献中，对汽车塑料的光老化性能进行系统研究的报道比较少，而且采用的具体研究对象和方法也不尽相同，故而得出的结论也不完全一致。分析比较各种光老化研究，可以看出目前对老化机理缺乏更深入、更具体的探讨，导致不能选用更符合实际的试验方法来评价塑料基体的性能。因此，建议加强对汽车塑料老化性能的机理研究，从理论出发，结合具体实际应用，找出促使材料老化、性能下降及最终失效的根源所在，从而改善汽车塑料在老化过程中对环境的适应能力[2]。