王富貴，王 玉，張 影，王長(zhǎng)余，賈曉彥

（長(zhǎng)春富維-江森自控汽車飾件系統(tǒng)有限公司，長(zhǎng)春 130033）

前言

耐候性能是評(píng)判汽車內(nèi)飾塑料零部件質(zhì)量的重要指標(biāo)之一，也是汽車零部件試驗(yàn)必檢項(xiàng)目之一，特別是在一些環(huán)境比較惡劣、溫度變化范圍大、光照強(qiáng)烈的地區(qū)，塑料件的耐候特性更顯重要。[1]氣候交變?cè)囼?yàn)最大程度的模擬了溫度、濕度條件的變化，是重點(diǎn)試驗(yàn)之一。氣候交變?cè)囼?yàn)的條件復(fù)雜，對(duì)設(shè)備能力要求很高；而且它是多循環(huán)試驗(yàn)，試驗(yàn)周期長(zhǎng)，不僅會(huì)產(chǎn)生較高的試驗(yàn)費(fèi)用，也大大延長(zhǎng)了產(chǎn)品驗(yàn)證周期。然而，氣候交變?cè)囼?yàn)相對(duì)于高溫老化試驗(yàn)的意義真的更大嗎？氣候交變?cè)囼?yàn)的循環(huán)個(gè)數(shù)有多有少，其設(shè)定的依據(jù)是什么呢？氣候交變?cè)囼?yàn)中是否應(yīng)該有功能評(píng)價(jià)，其重要程度是怎樣的呢？這些都值得我們深入探討。

1 原理

1.1 高溫條件

在氣候試驗(yàn)上，我們主要關(guān)注的是化學(xué)老化。化學(xué)老化是由于組分內(nèi)部具有易引起老化的化學(xué)鍵，如不飽和雙鍵、支鏈、羰基、末端上的羰基等。聚合物的化學(xué)老化是按自由基化學(xué)反應(yīng)機(jī)理進(jìn)行的，是一個(gè)自動(dòng)氧化過(guò)程。光輻射和溫度是以高能量的方式使得聚合物分子發(fā)生鏈斷裂，從而產(chǎn)生自由基。其包括以下三個(gè)階段：引發(fā)產(chǎn)生R·或RO2· 自由基；鏈增長(zhǎng) R·+O2→RO2·，R O2·+R H →R O O H+R·；鏈終長(zhǎng)2 R·→R-R，RO2·+R·→ROOR ，2RO2·→非活性化合物，其中R代表高分子基團(tuán)。[2]

1.2 溫濕條件

水汽對(duì)高分子材料具有一定的滲透能力，尤其是在熱的作用下，這種滲透能力更強(qiáng)，能滲透到材料體系內(nèi)部并積累起來(lái)形成水泡，從而降低分子間的相互作用，導(dǎo)致材料的性能劣化。濕熱老化試驗(yàn)一般使用濕熱試驗(yàn)箱，要求在 一定的溫度下（40℃～60℃），保持較高的濕度（90%RH以上）。[2]

1.3 低溫試驗(yàn)

低溫狀態(tài)下，特別是玻璃化溫度以下（純PP的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度為-10℃），分子運(yùn)動(dòng)的能量很低，不足以克服主鏈內(nèi)旋轉(zhuǎn)的位壘，因此不足以激發(fā)起鏈段的運(yùn)動(dòng)，鏈段處于被凍結(jié)的狀態(tài)，只有那些較小的運(yùn)動(dòng)單元，如側(cè)基、支鏈和小鏈節(jié)等才能運(yùn)動(dòng)，因此高分子鏈不能實(shí)現(xiàn)從一種構(gòu)象到另一種構(gòu)象的轉(zhuǎn)變，此時(shí)聚合物所表現(xiàn)的力學(xué)性質(zhì)和小分子的玻璃差不多。當(dāng)非晶態(tài)聚合物在較低溫度下受到外力時(shí)，由于鏈段運(yùn)動(dòng)被凍結(jié)，只能使主鏈的鍵長(zhǎng)和鍵角有微小的改變，因此從宏觀上來(lái)說(shuō)，聚合物受力后的形變是很小的。[3]低溫條件，主要考察樣件的耐沖擊性能。

2 氣候交變?cè)囼?yàn)的合理性

氣候交變?cè)囼?yàn)一般為高溫、低溫、溫濕條件的交變?cè)囼?yàn)。然而，為了驗(yàn)證內(nèi)飾塑料件在自然條件下的耐候性能，真的有必要竭力去模擬實(shí)際的氣候嗎？要回答這個(gè)問(wèn)題，必須再次明確氣候交變?cè)囼?yàn)的目的，它主要是為了驗(yàn)證氣候交變?cè)囼?yàn)條件下，產(chǎn)品老化后其性能是否滿足設(shè)計(jì)要求。

從低溫條件的原理來(lái)看，低溫本身不以長(zhǎng)時(shí)間作用來(lái)實(shí)現(xiàn)老化。熱脹冷縮的原理被認(rèn)為可以引起尺寸上的變化，然而沒(méi)有證據(jù)表明這種影響在汽車內(nèi)飾塑料零部件氣候交變?cè)囼?yàn)中是一種顯著的影響。低溫條件是否適用于內(nèi)飾塑料件氣候交變?cè)囼?yàn)需要充分論證。

雖然水汽在高溫條件下滲透到了材料體系內(nèi)部，但緊接著的高溫干燥條件會(huì)不會(huì)使水汽從材料體系內(nèi)部擴(kuò)散出來(lái)呢，減弱分子間相互作用的效果會(huì)不會(huì)消失呢？因此溫濕條件是否適用于內(nèi)飾塑料件氣候交變?cè)囼?yàn)需要充分論證。

采用對(duì)比的方法來(lái)對(duì)溫濕、低溫條件的必要性來(lái)進(jìn)行驗(yàn)證，見(jiàn)表1。需要注意的是要選擇所有的評(píng)價(jià)項(xiàng)進(jìn)行對(duì)比，如尺寸、裂紋、顏色、硬化等，并需要對(duì)所有評(píng)價(jià)項(xiàng)進(jìn)行量化（可觀察的現(xiàn)象是隨著整個(gè)氣候交變一直發(fā)生變化的），否則可能得到錯(cuò)誤的判斷。

對(duì)比分析將得到以下四種結(jié)果：

1）對(duì)比組1有差異，對(duì)比組2無(wú)差異，則溫濕條件沒(méi)必要，低溫條件有必要，只需做高低溫交變?cè)囼?yàn)；

2）對(duì)比組1無(wú)差異，對(duì)比組2有差異，則溫濕條件有必要，低溫條件沒(méi)必要，可以去掉低溫條件；

3）對(duì)比組1無(wú)差異，對(duì)比組2無(wú)差異，則溫濕條件沒(méi)必要，低溫條件沒(méi)必要，沒(méi)必要做氣候交變?cè)囼?yàn)，只做高溫老化試驗(yàn)即可；

4）對(duì)比組1有差異，對(duì)比組2有差異，則溫濕條件有必要，低溫條件有必要，氣候交變?cè)囼?yàn)有意義。

以上的四種結(jié)果中只有第四個(gè)結(jié)果支持現(xiàn)有氣候交變?cè)囼?yàn)方法，另外三種都否認(rèn)現(xiàn)有氣候交變?cè)囼?yàn)的合理性。

3 氣候交變?cè)囼?yàn)與產(chǎn)品生命周期

以下將舉例說(shuō)明氣候交變?cè)囼?yàn)并不能預(yù)測(cè)產(chǎn)品的實(shí)際生命周期，以及在這種情況下氣候交變?cè)囼?yàn)是如何實(shí)現(xiàn)其價(jià)值的。

將氣候交變?cè)囼?yàn)進(jìn)行n個(gè)循環(huán)，它能代表產(chǎn)品的實(shí)際生命周期是多長(zhǎng)呢？這個(gè)被認(rèn)為是氣候交變?cè)囼?yàn)的意義，而事實(shí)上是無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。舉例說(shuō)明，選取一種產(chǎn)品，假設(shè)它在85個(gè)月的時(shí)候開(kāi)始失效，在氣候交變?cè)囼?yàn)中經(jīng)過(guò)53個(gè)循環(huán)開(kāi)始失效，因此認(rèn)為1個(gè)循環(huán)代表85:53個(gè)時(shí)間生命長(zhǎng)度。如果產(chǎn)品的設(shè)計(jì)生命周期是10年（120個(gè)月），那么就需要保證產(chǎn)品在120/（85:53）=75個(gè)循環(huán)前不失效。然而這一推斷不成立，原因有兩個(gè)：①老化不是勻速進(jìn)行的 ；②一種產(chǎn)品所得到的比例，由于產(chǎn)品結(jié)構(gòu)間的差別，無(wú)法應(yīng)用到另一種新的產(chǎn)品中。

表1 溫濕、低溫條件必要性對(duì)比驗(yàn)證條件

沒(méi)有規(guī)律可循，汽車制造商是如何規(guī)避產(chǎn)品在消費(fèi)市場(chǎng)風(fēng)險(xiǎn)的呢？表2描述了四種常見(jiàn)的氣候交變?cè)囼?yàn)條件，可以發(fā)現(xiàn)各個(gè)標(biāo)準(zhǔn)溫濕度的設(shè)定值有不小的差別，每種條件的保持時(shí)間也有不小的差別，經(jīng)過(guò)這些標(biāo)準(zhǔn)驗(yàn)證過(guò)的產(chǎn)品均沒(méi)有得到來(lái)自市場(chǎng)的大的抱怨。這主要是由于環(huán)境試驗(yàn)的評(píng)價(jià)項(xiàng)是外觀上的，客戶很少在此方面遇到故障而產(chǎn)生大的抱怨。主機(jī)廠主要是要把產(chǎn)品做得比競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手的好。如何做得更好呢，只需要將試驗(yàn)條件和評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定得更苛刻。

4 氣候交變?cè)囼?yàn)與功能試驗(yàn)

在實(shí)際使用過(guò)程中，功能試驗(yàn)也是評(píng)判塑料零部件質(zhì)量的重要指標(biāo)之一。如雜物箱松動(dòng)，副儀表板扶手鎖止失效，撥鈕操作力增加等問(wèn)題，都會(huì)給我們的使用帶來(lái)很多麻煩。然而在試驗(yàn)驗(yàn)證的過(guò)程中，單單去做操作力、濫用力之類的試驗(yàn)是不夠的，此類問(wèn)題多出現(xiàn)在長(zhǎng)時(shí)間使用的情況下。因此需要經(jīng)過(guò)疲勞試驗(yàn)之后，再去驗(yàn)證零件各項(xiàng)力學(xué)試驗(yàn)才更有意義。

表2 氣候交變?cè)囼?yàn)條件對(duì)比[1]

對(duì)高分子疲勞性能產(chǎn)生影響的因素包括溫度和水分等，因此疲勞試驗(yàn)在氣候交變條件下進(jìn)行才能更有意義。

溫度和水分對(duì)疲勞性能的影響機(jī)理尚不明確，以下的說(shuō)明將有助于理解二者的聯(lián)系。塑料在疲勞的過(guò)程中，主要是裂紋的變化使得整體性能發(fā)生了改變。銀紋是高分子材料區(qū)別于金屬材料的特有的損傷形式，是導(dǎo)致高分子材料與金屬材料疲勞性能明顯差異的根本原因，例如循環(huán)軟化現(xiàn)象、形式繁多的疲勞裂紋微觀擴(kuò)展機(jī)制。裂紋的引發(fā)和擴(kuò)展兩個(gè)階段有各自不同的特征。在周期性負(fù)荷初期，第一階段包括了銀紋產(chǎn)生和剪切屈服，從而產(chǎn)生了裂紋。第二個(gè)階段則為產(chǎn)生裂紋后的擴(kuò)展乃至產(chǎn)生斷裂。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文提出了驗(yàn)證氣候交變?cè)囼?yàn)標(biāo)準(zhǔn)合理性的疑問(wèn)，并給出了初步驗(yàn)證的方法。這需要充分的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，同時(shí)更加合理的驗(yàn)證方法會(huì)在具體試驗(yàn)過(guò)程中得到改進(jìn)。無(wú)論是哪一種結(jié)果，它將作為一個(gè)正確的選擇，來(lái)保證今后的研究工作是從一個(gè)正確的出發(fā)點(diǎn)出發(fā)的。對(duì)于產(chǎn)品生命周期的驗(yàn)證方法，還有很大的改進(jìn)空間。只有當(dāng)我們掌握了更加有預(yù)知力的驗(yàn)證技術(shù)，才會(huì)方便我們做更加有突破性的創(chuàng)新工作，這也是自主品牌搶先站領(lǐng)有利地位的機(jī)會(huì)。氣候交變?cè)囼?yàn)與功能試驗(yàn)的充分結(jié)合需要一定的時(shí)間，消費(fèi)者在此方面消費(fèi)需求的提高將會(huì)大大加速這一進(jìn)程。

[1]田永.汽車外飾塑料零部件的耐溫性試驗(yàn)評(píng)述[J].上海汽車，2009.7.

[2]任圣平,張立.高分子材料老化機(jī)理初探[J].信息記錄材料，2004.4.

[3]何曼君,張紅東,陳維孝,董西俠.高分子物理第三版[M].北京：復(fù)旦大學(xué)出版社.2006.