免喷涂聚丙烯复合材料耐候性研究

刘 鑫，曾文波，张晓东，王 俊，王晓明，张舒宁

(1 中国电器科学研究院有限公司，广东广州 510663；2 通标标准技术服务有限公司广州分公司，广东广州 510663)



免喷涂聚丙烯复合材料耐候性研究

刘 鑫1，曾文波1，张晓东1，王 俊1，王晓明2，张舒宁2

(1 中国电器科学研究院有限公司，广东广州 510663；2 通标标准技术服务有限公司广州分公司，广东广州 510663)

选择四种不同颜色的免喷涂聚丙烯材料，分别在琼海湿热气候、拉萨高原气候和海拉尔寒冷气候进行大气暴露试验，监测不同气候的环境条件参数(温度、湿度及太阳辐照)，通过评价材料的光泽和色差，体现不同环境下材料的老化行为。研究结果表明：免喷涂材料具有较好的耐老化性能，但较差的耐刮性是其在汽车行业应用的短板；太阳辐照是造成高分子材料老化的主要原因，但也不能忽视温湿度及其他环境因素的协同作用。

免喷涂，自然环境，老化行为，耐候性，光泽，色差

免喷涂材料是在原料里事先加好带颜色的金属粉，直接注塑、无需喷涂就能实现多彩外观效果的材料，在日用品的包装、各种家电外壳及汽车的内外饰等领域具有广泛的应用[1]。免喷涂复合材料作为一种进行一次成型的材料，不仅给所生产的产品提供良好的外观，同时省去了“喷涂”环节，可以避免油漆及喷漆过程产生的VOC，减少环境污染、降低了能源的耗费和成本[2]。然而，免喷涂材料的金属颜料对剪切力特别敏感，成型工艺如螺杆组合、加工温度等对最终产品的表面效果至关重要[3]。此外，免喷涂材料的表面摩擦力更大，也更容易刮划。对耐刮划性能有着苛刻的要求的汽车企业来说，免喷涂材料存在软肋。免喷涂材料的耐候性也有待进一步研究[4-5]。因此，本文选择了四种不同颜色的免喷涂PP材料分别在琼海湿热气候、拉萨高原气候和海拉尔寒冷气候中进行大气曝露试验，研究免喷涂材料的光泽、色差性能的变化，考察材料在不同气候条件下的耐候性。

1 试验

1.1 主要原材料

免喷涂聚丙烯(PP)复合材料；规格：60mm×80mm；生产厂家：金发科技股份有限公司；F：白色，L：银色，O：金色，P：蓝色。

1.2 主要设备

便携式分光色差仪(X-Rite948)，美国爱色丽色彩科技有限公司；微型多角度光泽仪(byk 4430 mrco-tri-gloss)，德国BYK公司。

1.3 塑料自然暴露试验

GB/T 3681-2011《塑料 自然日光气候老化、玻璃过滤后日光气候老化和菲涅耳镜加速日光气候老化的暴露试验方法》，朝南倾斜45°，试验站点：海南琼海、西藏拉萨、内蒙古海拉尔，曝露试验时间：2015-05-15～2016-05-15。

表1 试验站点位置及环境特征Table 1 Location and environmental characteristics of natural exposure sites

1.4 测试与表征

依据ASTM D523-2014《镜面光泽度的标准试验方法》测试塑料表面镜面光泽度(60°)；依据GB/T 11186.2《涂膜颜色的测量方法》选择Hunter L，a，b模式，D65光源，10°视角，去除镜面反射几何学测试塑料的色差。

2 结果及分析

2.1 免喷涂材料的光泽

免喷涂材料可选用特殊的原料及助剂实现高光泽、多颜色亮丽外观，但是相较于喷涂层，相同硬度下，免喷涂材料的表面摩擦力更大，也更容易刮划[4]，导致材料光泽的变化。图1是四种免喷涂材料在琼海湿热、海拉尔寒冷和拉萨高原自然环境下的光泽变化。结果显示，四种材料在不同的环境中，光泽度均有下降，其中琼海湿热环境中，材料光泽度下降最快，经过一年的曝晒，失光率超过60%；海拉尔和拉萨材料的光泽保持率较好，但仍有20%～50%的失光率。这四种材料用于汽车用非金属外饰件材料时，较难达到合格的要求(大众汽车标准VW 50185中要求老化后光泽损失率小于10%)。琼海地区由于常年高温高湿，雨水较多，材料受多种环境因素影响，材料表面的老化较为严重，雨水容易侵蚀表面导致失光率较高；而材料在海拉尔和拉萨地区受到的环境影响较弱，材料表面老化效果较弱，且雨水较少，材料表面多为老化造成的龟裂和少量的雨水侵蚀，失光率较低。

(a)Qionghai

(b)Hailar

(c)Lhasa

2.2 免喷涂材料的色差

颜色变化是高分子材料老化的一个重要特征，同时也是考察材料综合耐候性的重要指标[6-7]。图2是四种不同颜色的免喷涂PP材料在不同环境条件下老化过程中的色差变化。结果表明，在湿热气候环境中，色板O、P色差变化明显，经过一年的老化，色板O色差大于3.0，色板P亦有继续增大的趋势，色板F、L则变化平缓，说明色板O、P耐湿热气候性能较差；在寒冷气候环境中，色板色差变化较为平缓，材料耐寒冷气候性能较好；在高原气候环境中，色板F变化较为明显，色差接近3.0，高于其他色板，说明色板F耐高原气候性能较差。综合三地材料的老化结果，色板L色差均在1.0以下，环境适应性较好，有较大的应用范围。材料颜色的变化与材料老化程度和着色剂的流失及分解有关。免喷涂材料的一个重要特征是加入带颜色的金属粉使材料自带颜色，此工艺的缺陷在于金属粉末可以作为基体材料的分解催化剂，加速材料降解。金属着色剂可作为材料老化的催化剂而加速材料的老化，加上着色剂的流失与分解，发生颜色的变化。

(a)Qionghai

(b)Hailar

(c)Lhasa

2.3 老化影响因素分析

高分子材料在自然环境条件下的老化受太阳辐照、温度和湿度的影响，影响高分子材料性能的主要因素随环境条件的变化而变化[8-10]。图3是琼海、海拉尔和拉萨三地2015年6月至2016年5月之间辐照、温度和湿度的变化。从图中可以看出，免喷涂材料在不同地区受到不同自然环境条件的冲击。琼海地区属典型的湿热环境，具有较高的温湿度，高分子材料同时受太阳辐照、温度和湿度的影响，对高分子材料性能产生较为显著的影响。海拉尔地区年太阳总辐照量与琼海接近，但海拉尔地区平均温度较低，高分子材料在此处主要受低温冲击；拉萨地区温度和湿度适中，由于海拔较高，空气稀薄，紫外线强烈，总太阳辐照量大于其他两地，高分子材料受太阳辐照的影响较大。

(a)Irradiation dose(45°) (b)Temperature

(c)Relative humidity

根据图形特征，将免喷涂材料的色差变化分为两个阶段：第一阶段为第0～2个月，第二阶段为第3～12个月，分别对两个阶段进行拟合，斜率即为材料的老化速率，如表2所示。结果显示，第一阶段免喷涂材料老化速率均表现为迅速增大，且老化速率拉萨>海拉尔>琼海。综合环境条件对比，可以发现材料色差的变化与累积太阳辐照规律相似，说明第一阶段免喷涂材料老化的主要环境因素是太阳辐照。随着老化的进行，色板O、P较F、L老化速率快，这是因为色板O、P中存在着色剂，着色剂的流失和分解造成颜色变化较为明显。对比色板O、P在不同环境中的老化速率，结果表明在琼海湿热环境中老化更快。这是因为随着老化的进行，太阳辐照的影响逐渐减小，与温度和湿度等其他环境条件的协同作用更加明显，表现为色差增大。

表2 免喷涂材料的老化速率Table 2 Aging rate of spray-free composites

3 结论

(1)四种免喷涂材料在琼海湿热环境中失光率超过60%，而在海拉尔寒冷环境和拉萨高原环境失光率在20%～50%之间，试验使用的免喷涂材料在湿热环境中的适用性较差。

(2)进一步分析四种免喷涂材料的色差性能表明，色板L具有较好的耐候性，经过一年的老化，在湿热、寒冷及高原气候环境中色差小于1.0，具有制造合格汽车外饰件的潜力。

(3)太阳辐照是造成高分子材料老化的主要原因，但也不能忽视温湿度及其他环境因素的协同作用。

[1] 袁海兵，郝源增，陈瑜，等.铝颜料对免喷涂塑料熔接痕影响的研究[C].2014年中国家用电器技术大会论文集，2014：793-796.

[2] 侯智谋.成型工艺对免喷涂聚丙烯复合材料的性能影响研究[J].广东化工，2014，41(273)：68-69.

[3] 靳琼，庄延峰.成型工艺对免喷涂聚丙烯复合材料的性能影响分析[J].科技致富向导，2015，9：214.

[4] 袁海兵.铝颜料在免喷涂聚丙烯复合材料中的应用研究[J].广东化工，2013，40(252)：38-39.

[5] 胡纲.免喷涂ABS的性能研究[J].塑料工业，2015，43(9)：117-120.

[6] 张晓东，揭敢新，王俊.几种高分子材料在吐鲁番干热试验场的光学失效行为[J].塑料，2014，43(2)：103-105.

[7] 胡行俊，伍巧晖，阳琰，等.几种塑料在吐鲁番与广州的户外老化试验[J].塑料助剂，2013(6)：42-44.

[8] 苏仕琼，易军，王春江，等.干、湿热自然气候环境下塑料老化——PP老化规律研究[J].塑料工业，2013，41(6)：92-95.

[9] 胡行俊，方月华，郭春云.干、湿热气候环境塑料自然老化试验与研究[J].塑料助剂，2012(5)：16-18.

[10] 颜景莲.几种塑料材料的老化试验研究[J].工程塑料应用，2006，34(9)：56-59.

更正说明：

本刊2017年第2期发表的《负离子粘胶纤维/涤纶Sirofil混纺纱性能探讨》一文中，第二作者燕群社单位更正为“咸阳纺织集团有限公司”。

The Aging Behavior of Spray-free Polypropylene Composites

LIU Xin1，ZENG Wen-bo1，ZHANG Xiao-dong1，WANG Jun1，WANG Xiao-ming2，ZHANG Shu-ning2

(1 China National Electric Apparatus Research Institute Ltd.，Guangzhou 510663，Guangdong，China；2 SGS-CSTC Standards Technical Services Co.，Ltd.，Guangzhou 510663，Guangdong，China)

Four different colors of spray-free polypropylene composites were selected to expose in Qionghai damp heat environment，Lhasa plateau climate environment，Hailar cold climate environment respectively. Monitor different climatic environmental conditions parameters such as temperature，humidity and solar irradiation. Through estimating the gloss and chromatic aberration，the aging behavior of the materials under different environment was reflected. The results indicated that spray-free polypropylene composites had a better ageing-resistant performance，but poorer scratch resistance，which was the defect of its application in the automotive industry. The main reason of the high polymer material ageing was the solar irradiation，however，synergistic effect between temperature humidity and other environmental factors could not be neglected.

spray-free，natural environment，aging behavior，weather ability，gloss，chromatic aberration

曾文波，硕士，工程师，主要从事高分子老化研究；E-mail：zengwb@cei1958.com；Tel：020-32068059

TG 147