车外饰塑料零部件的耐温性试验2011.8.18

车外饰塑料零部件的耐温性试验
引言
近年来，随着汽车轻量化的呼声越来越高，塑料制品在汽车中的用量持续增长。

目前，北美汽车中塑料的用量为平均每车118 kg左右，约占整车质量的10%，预计2010年将达到136 kg。

如图1所示，是美国汽车使用的塑料品种比例分布，从图上可以看出，美国汽车工业应用较多的塑料有PU、PP、PVC、ABS、PA和PE等，主要用来制造前后保险杠、空调进气隔栅、底部导流板、前后灯、后视镜护罩、车轮护罩和车身饰条等，据了解，世界每年在汽车领域的聚丙烯消费量约在45万t左右，95%的欧洲汽车的前后保险杠是以聚丙烯为原材料制造的。

这些塑料零部件除了满足汽车轻量、舒适、美观外的要求外，还必须满足汽车性能试验的要求。

耐温性能是评判塑料零部件质量与功能的重要指标之一，也是汽车零部件试验必检项目之一，特别是在一些环境比较恶劣、温度变化范围大、光照强烈的地区，如北美、北欧、热带赤道附近等，塑料零部件一旦失效，会对车辆的性能造成很大影响，所以车辆的耐温特性就更显重要。

本文讨论汽车塑料外饰件的耐温性能试验，其试验项目一般包括4种:耐寒性试验，耐热性试验，高低温循环试验，老化试验，介绍了这4种测试的机理、方法和性能要求，以期为后续的试验研究提供参考。

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1温度对塑料件的影响机理
温度影响材料性能主要是因为温度影响了材料的化学反应速率和光化学反应速度。

材料在太阳光照射下，温度对日光的射线效应就会显现，化学反应总是随着温度的升高而加速。

材料的温度每升高10℃，化学反应的速度就会翻倍。

热化学反应会在较高温度下发生，而在低温下这种反应则很慢或不会发生。

塑料的耐热性表示在温度升高时材料抵抗自身物理或化学变化引起的变形，软化，尺寸改变，强度下降的能力。

由于塑料材料大部分属于高分子材料，其耐热温度不高，不同材料的软化温度不同，而且塑料
的热膨胀系数要比金属大3~10倍，容易受温度变化而影响尺寸的稳定性，因此，在实际使用中，塑料材料会受热软化，严重时会出现功能失效。

它们的线膨胀系数较大，在受冷受热情况下会发生尺寸上的变化，但由于在实际装配时零件的收缩和膨胀受到了限制，所以会发生变形、断裂等异常现象。

而随着温度的降低，塑料都会变得越来越脆，这是由于聚合物分子链的活动性变的越来越小。

脆化温度是塑料能够正常使用的温度下限，低于脆化温度，则塑料丧失柔韧性，易折断，引起失效。

材料的老化是指经过长时间高温或长时间强光照射，使材料的内部结构发生物理或化学变化，从而产生失效。

各种塑料的抗老化性能与化学组成、分子链结构、聚集态结构有关系。

在试验条件下，高分子链容易出现弱点，受光、热等影响而按自由基机理进行分解，导致出现氧化、臭氧化、水解等现象，同时，聚合物的结晶取向、结晶大小、结晶构造等也都会受到影响，从而使材料的性能下降。

塑料老化引起材料某种化学变化使之性能降低，下降程度可用以下公式表示：
f(P)= -Ae-E/RTt (1)
其中：f(P)代表材料某种特性，t为持续老化时间，Ae-E/RT为阿伦尼乌斯指数。

可见，老化时间越长，性能降低越大。

2试验方法
一般的外饰塑料件可分为两种，一种是直接暴露在光照环境中，温度较高，如前后保险杠、格栅等;
另一种是不直接暴露在光照环境中，温度不是很高，如车身底部导流板等。

针对具体应用车型不同，零件安装位置不同，受热情况不同等客观条件，零件在进行温度试验时要适当区分试验条件。

表1是4种耐温性试验方法和试验设备的比较。

由表1可以看出，温度箱是必不可少的设备之一，主要用来保持高温或低温状态。

其中的老化试验可以有温度老化和光老化两种，其目的都是通过提高温度或辐射量来检验零部件性能的目的，现在的光老化多有氙弧灯照射，氙光灯光谱可产生直接光照或经过玻璃透射后的阳光效果，经过滤光后的氙灯光谱与自然光光谱的非常接近，而且能量均匀，操作简单，所以现在普遍采用。

较早前试验曾用碳弧灯照射，由于其与日光光谱偏差较大，难以操作和光照能量的不均匀性等缺点，现在已经很少采用。

综上所述，依据现有的试验标准，对这4种试验作对比分析。

表2是我国国家标准对耐高温和耐低温试验的相关要求，表3是高低温循环试验要求对比，表4则对比了各种标准对老化试验的要求。

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由表2可以看出，高温集中在90~100℃左右，低温则集中在-40℃左右，主要是因为塑料的软化点一般都在100℃以上，试验中高温不能超过塑料的软化温度，而低温一般在-40℃，保持功能不能丧失。

这些数据是经过长期不同地理环境的整车道路试验的验证而得到的，符合我国地域辽阔，南北温差大的客观条件。

高低温循环试验是一种比较苛刻的试验方法，它可以综合评定材料的稳定性，由于外界环境周期性变化，零件极易在热胀冷缩吸湿的过程中产生变形、失效等异常现象，所以，高低温循环试验更能检验零部件的温度特性。

由表3可以看出，冷热交变循环试验过程一般分为2种：室温→低温→高温→室温；室温→高温→低温→室温。

不管用哪种方法，一般都要2个循环以上，而且要有相应的湿度要求。

自然环境中的光、氧、热、湿等综合因素往往是零部件的最大影响因素，尤其是阳光中的各种射线，都会使塑料性能严重下降，从而产生失效，进而影响零部件的稳定性和使用寿命。

所以要通过老化试验来验证零部件能否满足实际装车的需要。

由表4可以看出，老化试验可以分为光老化和热老化两种，光老化是通过光照零件表面，达到一定的温度，来进行老化试验，试验中可通过控制老化时间及辐照度控制老化能量，或控制明确辐射量及辐照度控制老化能量，如ISO4892、SAEJ1960、DIN 75220、PV3929、PV3930等；而热老化则是将零件放置在恒温环境箱中加热到一定温度，保持较长时间来进行老化，如GMW 14650、GB/T7141等。

在老化过程中保持一定湿度，可使水汽在温度的催化下加速渗入材料内部，降低分子间作用力，使某些助溶剂溶解、抽出，从而实现加速老化。

人工老化试验的优点是可以相对快速地得到检测试验结果，并且试验结果的重现性好，它可对汽车外饰材料进行环境适应性评价，也可对汽车外饰材料进行优胜劣汰，作为汽车设计中选材和用料的依据。

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3耐温性试验的要求和性能缺陷
试验结束后，要求样件不能有明显的外观变化、不能有表面缺陷、螺丝接合处没有裂缝、没有明显的内部机械性能变化。

表5是常见的几种缺陷。

其中比较严重的缺陷有变形、裂纹、粉化等。

但根据不同的使用情况，在不影响功能的前提下，我们可以允许有一定的退色或变形出现。

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4结语
塑料的耐温特性是非常重要的特性之一，特别是作为汽车外饰件，其高低温特性直接影响着零部件的性能。

文中对比了各种试验标准和各种试验条件，要根据不同的要求采用并参考。

我们要加强汽车塑料高低温和老化试验技术和评价方法的研究，为汽车设计、前期分析、材料选择、质量评价提供参考和借鉴。