汽车用高分子材料的老化测试技术

化、光泽降低、分层、翘曲、渗出物等进行检查评价。目前常用的整车暴晒标准有 ASTM G7、ISO 877，
另外 FORD、VW 等各大汽车制造商都有自己的整车暴晒试验标准。
为了提高试验速度，对整车暴晒进行加速试验，国外
老化公司还发明一种太阳跟踪转盘，见图 1。把整车暴露
在上面使目标区域全天跟踪太阳，从而加速暴晒试验。在
Solex 玻璃、1000h 暴晒；样品安装在黑色纸覆盖的平板上。
适用材料与部件
内饰件和材料，如： PVC、PU、PP、ABS 以及织物、皮革 、 内饰零部件等。
ATLAS 气候服务集团还开发了另外一种加速自然暴晒装置—EMMA 设备，就是利用多面镜子将自 然光反射到受试材料样板上，使受试样品获得强度数倍于自然光的辐照。调整镜面，使照射到镜面的阳 光刚好反射到受试样品上，从而加强辐照度，镜子支架通过双轴跟踪系统全天跟踪太阳，样品背后有风 扇给样品降温。并且可以通过调整镜面的个数获得不同程度的加速暴晒试验，ATLAS 还研发了带有温 度控制、温度补偿、喷淋等附件的 EMMA 设备，甚至多个不同的 EMMA 联用。该装置要求镜面必须 能够全光谱反射太阳光，以确保样品接受到的辐射光谱接近于太阳光谱[4]。该方法常用的试验标准有 ASTM G90、ASTM D4141、ASTM D4364 等。 3 人工加速老化 3.1 氙灯老化
件
盘、内后视镜
性地设置：氙弧 10-3 月：南向、5
广电计量检测股份有限公司 联系方式：(020)38699960 网址：http://www.grgtest.com/
腰线以上，受阳光影响强 仪表板上部倾斜面、门板装饰面上表 灯滤镜配置、喷 减去纬度角；
2
烈的内饰件
面、前柱、后柱
淋条件、光照强 玻璃板下间接暴
项目
表 3 上海桑塔纳轿车保险杠的老化性能试验及指标
试验标准
指标
耐热性 DIN 534 97B,（90±1℃）存放 24h 成型件位置不松动，无形状、颜色变化、长度尺寸方向变化≤0.5%
耐寒性 耐候性
P-VW 3905,（-40±1℃）存放 24h P-VW 3902, 氙灯老化试验， 喷水，1000h
做落球试验无损伤、无断裂 不退色、不粉化、无裂纹
3.2 金属卤素灯
目前，比较大型的老化测试设备一般是以金属卤素灯为光源的大型测试单元，可以进行整车以及大
型建筑的人工加速试验。金属卤素灯的光谱能量分布跟太阳光谱分布非常相似，特别是在红外线区域，
其紫外线的截止点为 280nm，其试验标准有 DIN 75 220。
1.基本老化因素
汽车用高分子材料老化降解的三个主要气候因素为：日光辐射、水（湿度）和温度。其中不仅有数
量的问题，各参数的质量也是一个很重要的因素。不同波长的日光对高分子材料会造成不同程度的破坏，
因为特定的高分子材料只吸收特定波长的光；材料与水的接触也分为不同的形式和阶段，这些不同将会
导致不同的降解过程；温度的冷热循环会产生机械应力，特别是对于复合材料，与长期高温作用相比，
和自然暴晒试验，表 4 简单介绍了某汽车公司对于零部件的老化试验规范。
表 4 某汽车公司零部件光老化试验
试验方法 分类
适用的零部件
实用举例
老化试验
加速暴晒试验
自然暴晒
内
水平安置，腰线以下，受 仪表板上表面、后货架上部、后座椅 水冷氙弧灯、气 4-9 月： 南向、
百度文库
饰
1 阳光影响强烈的内饰件 上部、前座椅扶手（包括头枕）、方向 冷氙弧灯。针对 20 减去纬度角；
鉴于玻璃对自然光的过滤作用，对于内饰材料和零部件最科学的方法是采用玻璃下暴晒。其中有控 温控湿玻璃箱暴晒，该方法主要用于确定汽车内饰材料的老化性能，通过采用不同的覆盖玻璃来模拟各 种不同的车用玻璃，并通过一个双轴跟踪系统使样品最大量的接收太阳辐射以加速暴晒。箱内温度白天 维持在 70℃，夜间温度为 38℃，相对湿度维持在 75%，常用试验标准有 SAE J2230、AATCC 181 等。
试验标准 GM 9538P
GMW 3417M GM 2617M FORD DVM-0020
主要参数 玻璃下密封限定温度静态暴晒、玻璃下密封限定温度跟踪太阳暴晒等
试验箱温度上限：85℃、93℃、103℃、110℃
能量计量方法： SASR（Seasonally Adjusted Solar Radiation）、MJ/m2、 UV、试验日期
透过率(%)
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
310 320 330 340 350 360 370 380 390 400
波长(nm)
单层标准厚度玻璃 染色玻璃 染色层化玻璃
透明钢化玻璃 层化玻璃
图 2 不同类型汽车玻璃的紫外线透过率（资料来自于 ATLAS 气候服务集团）
对于内饰材料和部件需要考虑的另外一个因素是汽车的玻璃系统。汽车内饰件包括车顶装饰、内部 装饰、仪表板等制件，座椅及内饰面用 PVC，仪表板小零件用 ABS，车厢内饰和方向盘用 PP，座椅及 内衬用 PU 等材料和部件不再直接暴露于阳光下，而是透过了玻璃的阳光。由于不同玻璃对太阳光的传 导截止点以及对光线的透过率不同，车内的光谱能量分布也会不同，随着汽车玻璃面积的不断的增加， 汽车玻璃对汽车内饰件的老化影响越来越突出。如前所述，不同的光谱能量分布会引起汽车内饰材料不 同方式和程度的破坏，因此在试验中必须考虑汽车的玻璃系统。图 2 展示了不同类型的玻璃对紫外线的 透射率[2]。
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另外，针对汽车内饰件如仪表板、面板、方向盘等零部件还研发了 IP/DP（Instrument Panel / Door
Panel）箱暴晒。它可以分为静态和跟踪太阳两种，暴晒角度一般为 45°或者 51°，箱体上表面要求用
受阳光影响区域的内饰件 仪表板竖直面、门板中心、座椅、中 度、黑板温度、 晒
3
间支柱、遮阳板、中央控制面板
相对湿度、试验
4 受阳光影响轻微的内饰件 车顶和地板
灯试验方法。
汽车作为全天候使用产品，需要考虑的环境因素很多，除了以上试验方法外，常用的还有荧光紫外
老化试验，高、低温老化试验，腐蚀试验等试验方法。汽车材料的耐久性是影响其使用满意程度的极其
重要的因素。汽车材料的劣化，如仪表盘提前破损、增塑剂迁移、保险杠失光、变色等都会使顾客对汽
车总体质量评价产生负面影响。因此，各大汽车公司都有比较严格的试验标准，而且同时要求人工试验
两种密封玻璃：层化玻璃、退火玻璃 两种密封玻璃：层化玻璃、退火玻璃
温度上限：77℃、85℃、93℃、102℃、110℃
能量计量方法： TNR（Temperature Normalized Radiation） 根据 9538P 玻璃下密封限定温度跟踪太阳暴晒方法进行 能量计量方法： TNR
玻璃下密封限定温度跟踪太阳暴晒；黑板温度：110℃、51°暴晒角；
各大汽车公司对格材料和零部件暴晒方法、温度上限都做了要求，并且有各自的试验规范，见表格 2。
表 1 沙漠环境中汽车不同部位的典型温度和最大温度
位置
典型温度/℃
最高温度/℃
外部环境温度
27-33
52
仪表板
93-100
122
车身织物
88-93
110
油漆系统
70-75
90
门板底部
51-56
75
表 2 常用内饰件试验标准
同样辐照量的情况下该装置可以加速 30%。该装置使用了
一个可以转动的平板，把车安装在平板上，平板的底部装
有小脚轮，脚轮是按照旋转中心的切线方向排列的，可以
在全天内跟踪太阳。在整车暴晒过程中，会有阴影区域，
图 1 太阳跟踪转盘
而通过该装置可以实现部分控制阴影，使汽车内饰件或外 饰件的目标区域获得最大的辐照量[1]。
因此，试验结果与实际使用状况的吻合程度最高。整车进行暴晒试验时，客户可以根据自己的试验目的，
对整车的工作状态、车顶篷开启状态、车窗开启状态做出要求，一般使挡风玻璃面向赤道，并且根据季
节的不同调整暴晒角度。暴晒的过程中，车的内饰件可能会产生一些挥发物、渗出物等附着在挡风玻璃
或其他部件上，因此，需要定时清洗。暴晒周期一般不少于两年，暴晒后要对材料产生的缺陷如颜色变
会产生更多类型的降解。而在实际应用中，温度、湿度和辐射三者的作用是不可分割的，它们的协同作
用更增加了研究材料老化的难度。除此之外，当然还有很多其他因素，诸如风沙、飘尘等。
2.自然老化测试
2.1 整车暴晒试验
整车暴晒是模拟汽车最终使用环境条件的最佳方式。在整车暴晒过程中，所有的材料和零部件的
分布跟使用情况保持一致，在老化过程中相互作用，老化速度和类型最接近于实际情况，加速度最小。
3.3 碳弧灯
碳弧灯由于其光谱能量分布不如氙灯接近于自然光，且灯管滤镜需要定时清洗、更换等缺点，已经
逐渐地被冷落淘汰，在日本的一些标准以及一些纺织品老化标准中还有应用，常用的标准包括汽车零部
件老化测试标准 JIS D0205,建材老化测试标准 JIS A1415，日产公司的 E_M0135-2008 仍然在采用碳弧
氙灯暴露的试验周期主要取决于汽车制造商对于材料的质量要求。目前，氙灯老化试验已成为最为 广泛有效的人工加速光老化试验方法，对于内饰件最常用的试验标准为 SAE J2412《使用可控辐照度的 氙灯装置对汽车内饰件进行加速曝晒》，而外饰件常用的标准为 SAE J2527《使用可控辐照度的氙灯装 置对汽车外饰件进行加速曝晒》。各大汽车制造商也都有自己的试验规范和要求，表 3 给出了桑塔纳汽 车保险杠（PP/EPDM）的老化性能试验和指标[5]。
特定的覆盖玻璃，整个箱体式密闭的，箱内配有黑板温度计、各种传感器、温度调节风扇等装置；覆盖
玻璃上有温控的帘子，在箱内温度超过限度并且风扇也不能够把箱内温度降到规定要求或者风扇失效
时，会自动放下帘子进行遮盖，防止箱内的温度超过设定值。箱内的温度上限模拟了汽车内最严酷的情
况，由于材料在车内的安装位置和使用条件不同，不同的材料和部件有不同的温度上限，见表格 1[3]。
2.2 材料及零部件暴晒
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汽车用材料及零部件暴晒是最为广泛的汽车材料试验方法，最常用就是直接静态暴露，如塑料样板、 仪表板、保险杠等部件。暴晒的方式又可以分为有背板、无背板、黑箱暴晒等。有背板暴晒由于限制了 样品背面的空气流通而使样品的温度较高；暴晒的角度通常为 5°、45°和 90°等。暴晒角度的选择通 常是模拟材料或者零部件在车身实际的安装使用位置，如门板经常采用 90°暴晒，而仪表板则采用 5 °暴晒。为了加速暴晒试验，还开发了跟踪太阳的暴晒，这样就确保样品在一天之内最大限度的接受太 阳辐射而进行加速。材料及零部件的暴晒是必要的，但有时却是不够充分的，因为现在的汽车零部件往 往由多种材料复合构成，不同的材料具有不同的老化性能，这就需要将整个部件一起进行测试。例如车 头灯组件，是由塑料件、涂层、光学元件等构成的复合件，通常我们把它作为一个整体试验，而不是分 别对材料进行试验。零部件直接暴晒最常用的标准有 SAE J1976、SAE J576 等，FORD、GM 也都有相 应的标准。
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由于氙灯的光谱能量分布比其他人工光源更接近于太阳光，因此成为人工加速试验的主要光源。另 外氙灯的光谱能量分布还可以通过不同的滤镜组合来进行调整，以满足不同的试验要求，常用的滤镜组 合有石英-硼硅酸盐滤镜组合、紫外线吸收涂层-钠钙玻璃滤镜组合等。市场上流行的氙灯暴露试验箱能 量控点一般为 340nm 或者是整个波段,但最近美国一些厂家已经研发了全光谱监控装置，可以对任何感 兴趣波段的老化作用加以研究。
汽车用高分子材料的老化测试技术
节能、提高质量和功能、节约用材、简化工艺越来越成为汽车制造行业关注的焦点，汽车塑料化已 成为解决上述问题的重要技术途径之一，且成为发展的大趋势。塑料件由普通的装饰件和软垫逐步向结 构件和功能件转变，如塑料保险杠、仪表板、燃油箱等。越来越多的高分子材料在汽车生产制造中发挥 着重要作用，高分子材料的老化测试技术也相应地倍受重视。