汽车内外饰材料光热老化分析

罗佳宇 谢伟强 李后乐 赵德刚 张卡迪

摘 要：目前汽车内外饰零件较多，由于材料本身结构或组分内部有易引起老化的弱点，如具有不饱和双键、支链、羰基、末端的羟基等等，在环境（光、热、遇水、氧气）等因素的作用下，极易产生光热老化现象，造成外观或者功能失效的情况，本文描述了汽车内、外饰件材料、产生老化的原因，耐光老化的试验标准及要求，以及如何在前期开发对材料定义，和常见的一些减缓或者防止内外饰件产生老化现象的措施。

关键词：汽车内外饰;光热老化

1 汽车内外饰零件的种类及所用材料

1.1 汽车内饰

（1）内饰件种类

汽车内饰件主要包括仪表台、副仪表板、顶棚、座椅、安全带、门内饰板、立柱装饰板、行李舱装饰件等。

（2）内饰件的用料主要有如下几种

a.工程塑料

PP：比重很小，具有化学惰性，吸水率低，耐热老化特性良好，24小时的吸水率仅为0.01%，表面光洁度好，易于着色，是汽车保险杠常用的原料之一。

ABS：ABS塑料物理性能较好，具有优良的抗拉冲击强度，可以调节各种颜色，不易吸水，室温下浸水一年，吸湿率不超过1%，电镀级ABS材料是良好的电镀基材，但是ABS在热循环和CASS盐雾环境下易发生气泡现象，所以在电镀过程中需要镀上铜层，以改善ABS的耐腐蚀性。

PC：具有良好的透光性能，可见光的透射比接近90%，聚碳酸脂的耐冲击性能比尼龙和聚甲醛高10倍左右，是导热塑性塑料最好的材料之一，这种塑料可以很好的接受电镀，喷漆和化学镀。

PA：聚酰胺塑料通称尼龙，是30多年前出现的第一种能承受高负荷的热塑性塑料，目前广泛应用于汽车、机械、仪表工业中，以替代不锈钢和铜、铝等有色金属。聚酰胺的机械性能较好，多用于承受高负载的部位，可靠性高。

b.皮革：包括真皮和人造革。

c.织物：包括无纺布、针织物、化纤和天然纤维等。

1.2 汽车外饰

（1）外饰件种类：

汽车外饰件主要包括前后保险杠、通风盖板，角饰、门槛等。

（2）外饰件用材料

车用外饰件材料主要有PP、ABS、PA6、PA66、POM、TPV等。外饰件表面大多经喷漆处理，当然也有电镀和免喷漆材料，表1是三种材料的物理特性对比。

（3）内外饰件老化的表现。

乘用车车内零部件依据所处环境受阳光影响强烈程度不同，受光、热的影响情况也不相同，一般的零部件老化后性能会有如下改变。

1.零部件表面出现龟裂、粉化、变形、斑点、发白、起泡等影响产品外观质量的缺陷。

2.物理性能改变：内外饰材料发生降解和交连反应，将影响其本身的物理特性，造成分子排布发生变化，如不饱和键断裂。分子排布变化则会影响材料的密度、温度、熔点、溶解度、玻璃化温度、导热系数等。

3.机械性能

材料会发生降解反应及交连反应，会影响其硬度、拉伸强度、剪切强度、悬臂梁缺口冲击强度、弯曲模量、弹性模量、表面涂层或者电镀层的附着力，造成漆面镀层剥离或者脱落

4.电性能：

内外饰材料发生降解反应和交联反应，导致其绝缘性能、介电常数、介质损耗和击穿电压等性能发生变化。

2 内、外饰件耐光老化性能的实验方法

目前，内外饰的整车开发进程会采用两种实验方案，即自然气候曝露老化法和人工老化加速实验。总体来说，两种试验方法各有优点，人工加速老化的重现性更好，周期更短，操作方便，根据受阳光影响的程度，实验安排实验的时间也不同，缺点是只能模拟有限的几个变量，不能完全复现汽车零部件在自然环境下的老化状况，有时候结果并不可靠。

自然暴晒老化试验接近汽车使用的实际情况，可以模拟车辆在使用过程中的多种环境因素，试验结果比较可靠，但是试验周期过长，重现性较差。

由于自然暴露可操作性差，时间长等缺点，对于现在车企来说，项目进程压缩紧迫，自然暴露实验满足不了项目时间需求，所以多用人工加速老化实验对材料进行老化实验，目前人工老化实验设备中应用较为广泛的有氙弧灯和荧光紫外灯。

氙弧灯的紫外线光谱和可见光谱与太阳光谱十分接近，是现有人工光源中最接近太阳光谱的，模拟性较好，故实验室多用氙弧灯给零件做老化实验。

直接来自氙灯的辐射中含有大量短波紫外线，必须经过滤光器的过滤来模拟实验所需的光谱能量分布，表2表3为两种常用的配置不同的滤光器的氙弧灯光谱功率分布。

零部件在接受耐光老化试验时，理论上是需要采用完整的零件进行试验，要求表面不存在影响产品外观的缺陷，若无法直接使用零部件时，则需要从零件的阳光暴露面选择相对平整的部分制取试验样件，尺寸約为70mm×150mm（表4）。

乘用车车内零部件依据所处的的环境受光照影响的程度不同，其耐光老化实验周期也不一致，目前国内主流主机厂对外饰阳光直射区域零部件耐光老化周期要求2500h小时左右，受阳光影响不大或者不受阳光直射的内饰件，其耐光老化要求实验周期在300h左右。

3 典型的零部件老化案例分析

引起内外饰老化的原因很多种，除了有材料配方、材料的选取以及生产工艺的影响外，还与试验标准包括试验参数的制定及试验过程的规范、结果评价的科学性等多方因素有关，下文介绍一些典型的内、外饰老化问题分析。

3.1 玻璃后门链接销（连接玻璃升降器）耐热老化发黄变色

玻璃连接销是串联玻璃和玻璃升降器的紧固件，玻璃在升降时连接销受很大的负载，所以选择了强度较高的材料PA6，夏季车门内部温度很高，需要测试连接销在极限高温环境下的老化性能，保证连接销各项物理性能均能满足功能要求。

试验条件：在温度（23±2℃）相对湿度：（50±5）%2小时

试验方法描述：在90℃的环境箱内保持500h

由图1可知，样件已经完全发黄变色，不满足试验判定要求。

原因分析：

1.尼龙是聚酰胺，聚酰胺分子结构里面有酰胺键，里面的C=O

为不饱和键，容易被氧化导致材料发黄变色。

2.空气中含有水和氧气，PA极易吸水，在高温环境下，水和氧氣共同作用氧化聚酰胺中的活泼化学键导致材料变性，发黄。

改进方案：1.在原材料中添加抗氧化剂，防止PA6在高温下受水和氧气的作用下发黄。

2.对于一些工程塑料，光热影响完全不发黄是做不到的，对于一些非外观的功能件，可以在老化试验后重新测试材料的物性，如果性能改变不大，那么该材料依旧可以被认可。

3.2 徽标面板老化失去光泽

徽标面板作为一个外饰件，所处的位置在太阳直射区域，水气灰尘，阳光紫外线都能直接作用在徽标上。

问题：市场反馈发现有些徽标在使用1年后出现光去光泽，局部腐蚀的情况，影响徽标表观质量。

旧件收集后确认故障状态，发现标牌局部出现灼蚀的小孔洞，大面积失去光泽。

1.汽车在使用寿命中会遇到各种极端状态，酸性盐雾等化学微粒附着在汽车表面，造成漆面腐蚀。

2.汽车在淋雨或者洗车过后，表面会存在微小水滴，水滴附着的表面在阳光直射下会形成透镜效应，聚集日光，造成某一点温度急剧上升，甚至能达到800-1000摄氏度，高温会严重损坏电镀涂层。

措施制定：1.引导顾客在下雨或者洗车之后要需要擦干车身，不要在车身未干情况下对车辆剧烈暴晒。

1.对旧件的电镀铜层分析，电镀件铜层厚度会影响到零件的耐热性能及耐腐蚀性，测试发现铜层厚度不达标，要求供应商调整电镀工艺，将铜层厚度调整到标准要求范围内。

4 汽车内外饰件的预防与改进

汽车内外饰材料的选取需要满足设计初期对零件的定义，像前后保险杠、通风盖板、天窗等太阳直射区域，需要选取耐光老化特性良好的材料，必要时对零件表作电镀或者喷漆处理，像太阳斜射或者不受阳光影响的车身内部，可以对零件的耐光老化要求适当放宽，以节省整车开发成本。

企业内部应该建立零件老化的FEMA库，收集各类的耐光老化问题，并且针对问题提供改善方案、研究深层次老化现象出现的原因。在实验验证时，需要将人工实验的老化结果和整车户外暴晒实验结果同时分析对比，再根据市场反馈的一些失效问题结合考虑，不断的完善企业内部的老化标准。