王偉健，陳燕飛，李書鵬，李 波，俞 雁

（廣州汽車集團(tuán)股份有限公司 汽車工程研究院，廣東 廣州 511434）

汽車作為現(xiàn)代人類重要的交通工具，其外部氣候環(huán)境會(huì)隨著所在地點(diǎn)的改變而改變。汽車上大量使用的高分子材料不可避免地受到光、熱、水、氣等作用而出現(xiàn)老化現(xiàn)象，給汽車外觀、功能甚至安全性帶來(lái)不利影響[1-5]。因此，耐老化（耐候）是汽車的重要特性之一[6-8]。

汽車全壽命周期可以分為運(yùn)動(dòng)和停放兩部分。據(jù)統(tǒng)計(jì)[9]，我國(guó)汽車運(yùn)動(dòng)與停放時(shí)間之比達(dá)到1∶20～1∶15。對(duì)于汽車材料的耐老化性能而言，連續(xù)暴露于戶外典型自然環(huán)境下的試驗(yàn)無(wú)疑是更貼近實(shí)際的有效檢驗(yàn)手段。在我國(guó)，通常需要在海南或吐魯番試驗(yàn)場(chǎng)開展為期1年的戶外自然暴露試驗(yàn)，以評(píng)價(jià)整車的耐老化性能[10-12]。

盡管開展整車戶外自然暴露試驗(yàn)是驗(yàn)證其耐老化性能的最佳手段，但隨著汽車行業(yè)產(chǎn)品更新?lián)Q代的速度加快，戶外自然暴露試驗(yàn)過(guò)長(zhǎng)的試驗(yàn)周期和難以再現(xiàn)的條件為大家所詬病。因此，大量學(xué)者圍繞實(shí)驗(yàn)室加速老化試驗(yàn)條件展開了研究。例如吳絲竹等[13]基于修正Arrhenius方程在溫度加速升高的條件下研究了三元乙丙橡膠（EPDM）材料貯存壽命規(guī)律；張曉東等[14]基于廣義Eyring模型及大數(shù)據(jù)研究了汽車外飾在光熱作用下的加速老化模型；張曉東等[15]基于Hallberg-Peck模型研究了車艙全密閉空間內(nèi)濕熱老化試驗(yàn)的加速周期。這些研究都為汽車的加速老化試驗(yàn)設(shè)計(jì)提供了參考。但是，針對(duì)汽車戶外自然暴露試驗(yàn)時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)半開放空間微環(huán)境而設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)室加速老化試驗(yàn)條件的研究尚不多見。

本研究以整車在海南戶外自然暴露試驗(yàn)時(shí)經(jīng)常出現(xiàn)析出發(fā)白物質(zhì)而老化失效的發(fā)動(dòng)機(jī)罩蓋EPDM緩沖墊塊為例，對(duì)其失效過(guò)程所監(jiān)測(cè)的微環(huán)境大數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，采用Hallberg-Peck模型推導(dǎo)實(shí)驗(yàn)室加速老化試驗(yàn)條件，并實(shí)際驗(yàn)證該條件下加速老化試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性，意在為汽車發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)EPDM材料老化試驗(yàn)設(shè)計(jì)提供參考。

1 研究對(duì)象及儀器

1.1 研究對(duì)象

根據(jù)QC/T 728—2005[16]，在海南試驗(yàn)場(chǎng)開展自然暴露試驗(yàn)，試驗(yàn)車輛及析出發(fā)白物質(zhì)的發(fā)動(dòng)機(jī)罩蓋EPDM緩沖墊塊（a為上墊塊，b為下墊塊）如圖1所示。

圖1 試驗(yàn)車輛及其發(fā)動(dòng)機(jī)罩蓋EPDM緩沖墊塊Fig.1 Test automobile and its engine cover EPDM cushion blocks

1.2 主要儀器

CR1000數(shù)據(jù)采集記錄儀，美國(guó)Campbell公司產(chǎn)品；HMP155A空氣濕度傳感器，芬蘭Vaisala公司產(chǎn)品；T型熱電偶表面溫度傳感器，上海儀表（集團(tuán)）公司產(chǎn)品。

2 自然暴露試驗(yàn)測(cè)試

整車戶外自然暴露試驗(yàn)中發(fā)動(dòng)機(jī)罩蓋保持關(guān)閉，機(jī)艙微環(huán)境中發(fā)動(dòng)機(jī)罩蓋EPDM緩沖墊塊不受太陽(yáng)光直接照射。因此，導(dǎo)致EPDM緩沖墊塊析出發(fā)白物質(zhì)而老化失效的因素可不考慮光輻照，主要考慮溫度和濕度。為方便研究，在緩沖墊塊附近表面安裝溫度監(jiān)控傳感器，在機(jī)艙內(nèi)部安裝濕度監(jiān)控傳感器（見圖2），以連續(xù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)試驗(yàn)車輛機(jī)艙微環(huán)境條件，并按一定頻率進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和記錄。

圖2 自然暴露試驗(yàn)車輛發(fā)動(dòng)機(jī)罩蓋EPDM緩沖墊塊環(huán)境監(jiān)控傳感器Fig.2 Environmental monitoring sensors for engine cover EPDM cushion blocks of test automobile in natural exposure test

整車在海南試驗(yàn)場(chǎng)自然暴露試驗(yàn)時(shí)間為3個(gè)月（2019年10月1日～2019年12月31日），試驗(yàn)結(jié)束時(shí)觀察到發(fā)動(dòng)機(jī)罩蓋EPDM緩沖墊塊出現(xiàn)較明顯的析出發(fā)白物質(zhì)而老化的現(xiàn)象。收集整理試驗(yàn)期間的溫度和濕度數(shù)據(jù)，因篇幅所限，在此節(jié)選部分監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，如表1所示。表中設(shè)定數(shù)據(jù)記錄存儲(chǔ)頻率為5 min·次-1，每一時(shí)刻對(duì)應(yīng)的平均值、最高或最大值和最低或最小值分別表示其對(duì)應(yīng)5 min內(nèi)連續(xù)監(jiān)測(cè)到的溫度和相對(duì)濕度的平均值、最高或最大值和最低或最小值。

表1 海南自然暴露試驗(yàn)車輛發(fā)動(dòng)機(jī)罩蓋EPDM緩沖墊塊環(huán)境條件部分監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)Tab.1 Environmental condition partial monitoring data of engine cover EPDM cushion blocks of test vehicle in Hainan natural exposure test

3 加速老化試驗(yàn)條件確定與試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證

3.1 加速老化試驗(yàn)計(jì)算模型

根據(jù)文獻(xiàn)[15]，在進(jìn)行溫度和濕度作用的加速老化試驗(yàn)時(shí)，研究材料的Hallberg-Peck模型為：

式中：FA為加速比；Δτu和Δτt分別為實(shí)際和加速老化試驗(yàn)時(shí)間，s；Hu和Ht分別為實(shí)際和加速老化試驗(yàn)相對(duì)濕度，%；Ea為老化活化能，J·mol-1；R為氣體常數(shù)，8.314 J·mol-1·K-1；Tu和Tt分別為實(shí)際和加速老化試驗(yàn)溫度，K。

式（1）經(jīng)整理后，可得到式（2）和（3）。

式中，Δτti，Δτui和FAi為i時(shí)刻的相應(yīng)參數(shù)。

3.2 加速老化試驗(yàn)條件確定

3.2.1 溫度

根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，試驗(yàn)車輛發(fā)動(dòng)機(jī)罩蓋EPDM緩沖墊塊附近最高溫度為69.09 ℃，出現(xiàn)在2019年12月4日。通過(guò)采用Hallberg-Peck模型分析可知，加速老化試驗(yàn)的加速比對(duì)溫度不敏感，升高溫度對(duì)加速老化試驗(yàn)時(shí)間影響不明顯，反而會(huì)帶來(lái)較高的試驗(yàn)?zāi)芎模虼?，初步擬定加速老化試驗(yàn)溫度為70 ℃。

3.2.2 濕度

根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，試驗(yàn)車輛機(jī)艙內(nèi)相對(duì)濕度大于90%的時(shí)間占比約為30%，且在Hallberg-Peck模型下，加速老化試驗(yàn)的加速比對(duì)濕度敏感。為了達(dá)到加速目的，設(shè)定加速老化試驗(yàn)相對(duì)濕度并運(yùn)用公式（1）—（3）計(jì)算加速老化試驗(yàn)時(shí)間（按促進(jìn)劑析出Ea＝40×103J·mol-1計(jì)）[17]，結(jié)果如表2所示。

表2 發(fā)動(dòng)機(jī)罩蓋EPDM緩沖墊塊在各相對(duì)濕度下加速老化試驗(yàn)時(shí)間和加速比Tab.2 Accelerated aging test time and acceleration ratios of engine cover EPDM cushion blocks under different relative humidities

從表2可以看出，發(fā)動(dòng)機(jī)罩蓋EPDM緩沖墊塊在加速老化試驗(yàn)時(shí)，在相對(duì)濕度為95%下，加速比為13.80，加速試驗(yàn)時(shí)間為168 h（604 800 s），該條件下試驗(yàn)的加速效果較好。

因此，根據(jù)研究結(jié)果，擬定發(fā)動(dòng)機(jī)罩蓋EPDM緩沖墊塊析出發(fā)白物質(zhì)的實(shí)驗(yàn)室加速老化試驗(yàn)條件為：相對(duì)濕度95%/70 ℃×168 h。

3.3 加速老化試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證

選取同批次發(fā)動(dòng)機(jī)罩蓋EPDM緩沖墊塊新試樣，采用在相對(duì)濕度95%/70 ℃×168 h加速老化試驗(yàn)條件下進(jìn)行試驗(yàn)結(jié)果檢驗(yàn)。

3.3.1 試樣表面老化現(xiàn)象

經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)室相對(duì)濕度95%/70 ℃×168 h加速老化試驗(yàn)后，發(fā)動(dòng)機(jī)罩蓋EPDM緩沖墊塊試樣表面析出的發(fā)白物質(zhì)與海南自然暴露試驗(yàn)3個(gè)月后試樣相同，如圖3所示。

圖3 實(shí)驗(yàn)室加速老化試驗(yàn)與海南自然暴露試驗(yàn)試樣表面老化狀況對(duì)比Fig.3 Comparison of surface aging status between laboratory accelerated aging test and Hainan natural exposure test samples

3.3.2 試樣析出物質(zhì)

用50 mL丙酮對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)罩蓋EPDM緩沖墊塊新試樣、加速老化試驗(yàn)后試樣、自然暴露試驗(yàn)后試樣進(jìn)行淋洗，將得到的溶液濃縮并采用氣相色譜-質(zhì)譜（GC-MS）聯(lián)用儀進(jìn)行成分分析，結(jié)果如圖4所示。從圖4可以得出，加速老化試驗(yàn)試樣析出的物質(zhì)與自然暴露試驗(yàn)試樣相同，均為苯并噻唑類促進(jìn)劑。

圖4 試樣析出物質(zhì)的GC-MS譜Fig.4 GC-MS spectra of substances precipitated from samples

4 結(jié)論

準(zhǔn)確的加速老化試驗(yàn)是提升汽車零部件設(shè)計(jì)認(rèn)可效率的關(guān)鍵。本研究基于海南試驗(yàn)場(chǎng)自然暴露試驗(yàn)數(shù)據(jù)，利用Hallberg-Peck模型得到汽車發(fā)動(dòng)機(jī)罩蓋EPDM緩沖墊塊析出發(fā)白物質(zhì)而老化的實(shí)驗(yàn)室加速老化試驗(yàn)條件：相對(duì)濕度95%/70℃×168 h，經(jīng)實(shí)際驗(yàn)證，該條件下加速老化試驗(yàn)結(jié)果準(zhǔn)確。汽車主機(jī)廠與零件供應(yīng)商在日常質(zhì)量管控時(shí)應(yīng)重視零部件的加速老化試驗(yàn)。