汽車(chē)皮革耐候性測(cè)試研究

林旭彬，孫福才，葉崗，陳澤皓，王維思，符史柏，黃少儀，張勝男（威凱檢測(cè)技術(shù)有限公司，廣州 510663）

汽車(chē)皮革耐候性測(cè)試研究

林旭彬，孫福才，葉崗，陳澤皓，王維思，符史柏，黃少儀，張勝男
（威凱檢測(cè)技術(shù)有限公司，廣州 510663）

分析汽車(chē)皮革老化的原理，然后列舉汽車(chē)皮革常用氙燈試驗(yàn)條件，引用GMW 14444內(nèi)飾件自然老化試驗(yàn)條件，比較加速試驗(yàn)與自然老化試驗(yàn)的異同點(diǎn)；比較汽車(chē)皮革老化后性能數(shù)據(jù)變化趨勢(shì)，獲得黃色指數(shù)和顏色數(shù)據(jù)更適合皮革材料老化趨勢(shì)分析。

皮革；耐候性；老化趨勢(shì)；性能測(cè)試

汽車(chē)作為一種代步主流工具，在全世界各地蓬勃發(fā)展，并受到各國(guó)各地區(qū)的重視。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)水平的不斷提高以及消費(fèi)者健康、安全意識(shí)的增強(qiáng)，人們?cè)谧非笃?chē)外形美觀和動(dòng)力充足的同時(shí)，也越來(lái)越關(guān)注汽車(chē)內(nèi)飾功能和美感、乘坐的舒適性，以及更加重視內(nèi)飾材料的氣味、環(huán)保和健康危害問(wèn)題，實(shí)用和無(wú)毒害的汽車(chē)內(nèi)飾皮革產(chǎn)品也因此成為皮革廠家競(jìng)相開(kāi)發(fā)的重點(diǎn)[1]。天然皮革有其優(yōu)異的特點(diǎn)，深得人們的喜愛(ài)，但是天然皮革資源有限，沒(méi)辦法滿(mǎn)足人們?nèi)找嬖鲩L(zhǎng)的消費(fèi)需求。人工皮革（以下簡(jiǎn)稱(chēng)皮革）應(yīng)運(yùn)而生，并且以其手感好、良好的強(qiáng)度、表面耐磨、耐光性好、不易沾污、耐化學(xué)性能等優(yōu)良性能，逐漸站上主流位置。皮革運(yùn)用在開(kāi)放或半開(kāi)放的環(huán)境中，肯定會(huì)受到環(huán)境中光、熱和濕度的影響而發(fā)生老化降解。研究皮革的耐候性測(cè)試方法，及老化后性能變化，是非常重要的。

1 皮革老化的原理

目前在汽車(chē)上使用的比較多的皮革有PVC皮革、PU皮革、超纖皮革等。而這些皮革材料的構(gòu)成都是高分子材料。自然中太陽(yáng)輻射、溫度和濕度這三個(gè)因素是造成高分子材料老化的主要因素。這三個(gè)因素中的任何一個(gè)都可能導(dǎo)致材料的老化降解，它們的協(xié)同作用大于單一因素作用。

1.1 太陽(yáng)輻射

太陽(yáng)輻射通?？煞譃?個(gè)主要波長(zhǎng)范圍：紫外線(xiàn)、可見(jiàn)光和紅外線(xiàn)，如表1。短波輻射包含更多能量，它比長(zhǎng)波長(zhǎng)更容易改變材料的化學(xué)結(jié)構(gòu)。由E=hv=hc/λ，公式顯示了波長(zhǎng)越短，所含的光子能就越高。只有當(dāng)被吸收之能量足以破壞（或改變）化學(xué)鍵時(shí)才能發(fā)生降解。紫外輻射對(duì)材料破壞最大，而且波長(zhǎng)越短，材料對(duì)其的吸收率越大；同時(shí)波長(zhǎng)越短，其光子包含的能量就越大，對(duì)聚合物化學(xué)鍵的破壞能力也越大。

1.2 溫度

日光輻射下材料的溫度會(huì)影響輻射，光化反應(yīng)在溫度升高時(shí)會(huì)加速。此外，溫度還決定二次反應(yīng)的速度，這些二次反應(yīng)可用阿列紐斯等式來(lái)表示。每升溫10 ℃，反應(yīng)速度就會(huì)加倍。

1.3 濕度

水通過(guò)兩種方式對(duì)材料發(fā)生影響。一種是水合過(guò)程，這會(huì)導(dǎo)致表面體積膨脹，從而在內(nèi)部較干的層面上產(chǎn)生機(jī)械應(yīng)力。表明晾干后將出現(xiàn)體積收縮。另一種物理作用是結(jié)冰－解凍過(guò)程。因?yàn)樗诮Y(jié)冰時(shí)膨脹，所以受潮后材料中的水分會(huì)產(chǎn)生膨脹和應(yīng)力，從而導(dǎo)致涂層的撕開(kāi)、斷裂或剝落。皮革應(yīng)用與車(chē)內(nèi)，只受到大氣中濕度的影響，水合過(guò)程可能存在，結(jié)冰-解凍過(guò)程基本不用考慮。水分還能直接參與材料降解的化學(xué)反應(yīng)。

2 氙燈加速耐候性方法比較

趙建明[2]等人研究得出用于評(píng)價(jià)和測(cè)定人造革、合成革產(chǎn)品的耐候老化特性，氙弧燈法的相關(guān)性最高，穩(wěn)定性也最好；紫外法和開(kāi)放式碳弧燈法，由于暴曬測(cè)試過(guò)程中含有大量日光中所不存在的短波紫外線(xiàn)，可能引起材料出現(xiàn)大氣暴露所沒(méi)有的降解反應(yīng)，故相關(guān)性較低，穩(wěn)定性也較差。故筆者沒(méi)有對(duì)紫外燈或碳弧燈老化進(jìn)行過(guò)多研究，重點(diǎn)探索氙燈法中適合皮革老化的試驗(yàn)條件。

汽車(chē)門(mén)板、汽車(chē)座椅面料、儀表板、車(chē)廂內(nèi)壁、車(chē)頂蓬、方向盤(pán)把套等部位，都可能使用到皮革材料；而這些部件在車(chē)內(nèi)位置的不同，決定了其在使用過(guò)程中所經(jīng)受的大氣環(huán)境條件也不同。故其對(duì)應(yīng)的氙燈加速試驗(yàn)條件也會(huì)不同，企業(yè)在選擇試驗(yàn)條件的時(shí)候，應(yīng)該考慮材料的最終使用條件。目前大多數(shù)企業(yè)都選擇了人工加速條件測(cè)試材料的耐候性，但是卻都沒(méi)有對(duì)內(nèi)飾不同部位建立不同的適應(yīng)條件。

表1 海平面上全球日光光譜輻照度

以下篩選幾個(gè)內(nèi)飾件加速試驗(yàn)條件進(jìn)行比較，見(jiàn)表2。

對(duì)比試驗(yàn)條件，可以發(fā)現(xiàn)，在光照條件下，箱體溫度穩(wěn)定在60ˉ65 ℃，箱體濕度為20ˉ50 %之間。這些條件中對(duì)試驗(yàn)結(jié)果影響較大的是輻照度的大小，雖然我們覺(jué)得1.4 W和1.2 W相差不大，但是實(shí)際試驗(yàn)過(guò)程中，卻獲得了區(qū)別較大的試驗(yàn)結(jié)果（見(jiàn)圖1和圖2）。

表2 幾個(gè)常見(jiàn)氙燈內(nèi)飾件試驗(yàn)條件

圖1 PV1303試驗(yàn)10周期

圖2 SAE J 1885試驗(yàn)10周

圖1試驗(yàn)后色差為6.69、黃色指數(shù)是-13.47；而圖2試驗(yàn)后色差為16.02、黃色指數(shù)是-38.88。試驗(yàn)過(guò)程中，每周期65 h，每周期取樣后測(cè)量樣品顏色和黃色指數(shù)（見(jiàn)圖3和圖4）。

上文提到，氙燈中輻照度對(duì)材料老化產(chǎn)生了最主要的影響，而試驗(yàn)條件中，濕度的設(shè)定也有不同。李秋魁等研究整車(chē)干熱和濕熱大氣暴露試驗(yàn)時(shí)，發(fā)現(xiàn)濕熱條件下，整車(chē)內(nèi)飾件出現(xiàn)的缺陷會(huì)更多。這說(shuō)明濕度在內(nèi)飾件老化過(guò)程中，也是有一定作用的。上面的試驗(yàn)結(jié)果也是驗(yàn)證了濕度對(duì)材料的老化的影響。PV1303條件的輻照度比SAE J 1885的強(qiáng)烈，而且SAE J 1885還有黑暗段，在黑暗段時(shí)濕度高達(dá)95 %，再次驗(yàn)證了濕度對(duì)材料老化的影響是不可忽略的。

由此我們發(fā)現(xiàn)，人工加速試驗(yàn)雖然能夠快速的反應(yīng)材料的老化情況，但是，恒定不變的輻照度和沒(méi)有對(duì)不同部位設(shè)定相應(yīng)的輻照度，可能導(dǎo)致材料老化的時(shí)候出現(xiàn)非常相似的現(xiàn)象，也就是人們經(jīng)常說(shuō)的重現(xiàn)性。這就是人工加速老化試驗(yàn)的局限性；企業(yè)應(yīng)該逐步建立針對(duì)汽車(chē)上不同部位內(nèi)飾的人工加速條件，以獲得更準(zhǔn)確的試驗(yàn)結(jié)果。

3 自然耐候性試驗(yàn)

汽車(chē)皮革屬于汽車(chē)內(nèi)飾件，應(yīng)用于汽車(chē)內(nèi)部“箱子”中。自然老化試驗(yàn)，也是對(duì)汽車(chē)實(shí)際使用過(guò)程的一種模擬，它屬于間接暴露。有全封閉的IP/DP試驗(yàn)箱和半封閉的玻璃箱可以進(jìn)行內(nèi)飾件測(cè)試。汽車(chē)玻璃從狹義上分為層壓玻璃、鋼化玻璃兩類(lèi)。汽車(chē)前擋風(fēng)玻璃一般選用層壓玻璃，其他的多采用鋼化玻璃。IP/DP箱或玻璃箱表面玻璃也是依據(jù)汽車(chē)構(gòu)成而設(shè)定的，像汽車(chē)儀表板試驗(yàn)時(shí)，就需要選擇在層壓玻璃的箱子中進(jìn)行。將材料曝曬于具有適當(dāng)光譜特性的玻璃下是非常重要的。另外，IP/DP箱試驗(yàn)，還可以設(shè)定箱體的極限溫度，這是依據(jù)汽車(chē)整車(chē)暴曬過(guò)程中，不同部位內(nèi)飾件能達(dá)到的極限高溫而設(shè)定的；這一點(diǎn)有別于人工加速條件的箱體溫度，可以獲得更真實(shí)的試驗(yàn)結(jié)果。

圖3 色差數(shù)據(jù)比較圖

圖4 黃色指數(shù)比較圖

參考GMW 14444標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)內(nèi)飾件設(shè)定的戶(hù)外暴露條件，見(jiàn)表3。

自然暴曬比人工加速更追求試驗(yàn)的真實(shí)性、可靠性，嚴(yán)格模擬內(nèi)飾件在整車(chē)上的使用狀況和所經(jīng)受的太陽(yáng)能量。

分析表明：汽車(chē)內(nèi)部各部件的微環(huán)境狀態(tài)是明顯不同的，在開(kāi)發(fā)我國(guó)汽車(chē)耐候性技術(shù)時(shí)應(yīng)予以區(qū)分，具體可以見(jiàn)圖5。

表3 GMW 14444內(nèi)飾件IP/DP箱暴露試驗(yàn)條件

4 皮革老化趨勢(shì)—性能項(xiàng)目比較

汽車(chē)皮革對(duì)性能的要求一般有拉伸強(qiáng)度、摩擦色牢度、顏色、耐曲撓性、黃色指數(shù)、透水汽性、阻燃性、耐光性、耐熱性、耐污性、耐遷移性、耐剝落、耐霉變、氣味、有毒物質(zhì)含量等。皮革在進(jìn)行耐候性試驗(yàn)后，一般可以選擇拉伸強(qiáng)度、摩擦色牢度、顏色、耐曲撓性、黃色指數(shù)等項(xiàng)目進(jìn)行研究其性能的變化程度。筆者選擇了拉伸性能（見(jiàn)圖6和圖7）和顏色（見(jiàn)圖3）、黃色指數(shù)（見(jiàn)圖4）來(lái)研究皮革材料老化后性能的變化情況，看看哪種性能數(shù)據(jù)更適合皮革材料的老化趨勢(shì)研究。

比較色差、黃色指數(shù)、拉伸強(qiáng)度、斷裂伸長(zhǎng)率的周期變化圖，可以發(fā)現(xiàn)，色差和黃色指數(shù)有明顯的上升或下降的趨勢(shì)；而拉伸強(qiáng)度雖然有降低的趨勢(shì)，不過(guò)10周期試驗(yàn)后，MD方向皮革拉伸強(qiáng)度降低了33 %，TD方向皮革降低17 %，趨勢(shì)不明顯，難以反映材料的老化情況；另外對(duì)于斷裂伸長(zhǎng)率，由圖形看出，它比拉伸強(qiáng)度的下降趨勢(shì)還小，而且過(guò)程變化多樣，更加不能反映皮革的老化過(guò)程。

筆者歸納了上百個(gè)皮革耐氙燈老化委托測(cè)試，發(fā)現(xiàn)廠家對(duì)皮革的色牢度關(guān)注度比色差或是黃色指數(shù)更高。依據(jù)ISO 105-A02或AATCC EP1標(biāo)準(zhǔn)，使用灰卡在對(duì)色燈箱中對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行色牢度目視評(píng)定。目視評(píng)定，表明色牢度的評(píng)判多少帶有主觀色彩。不過(guò)如果使用色牢度對(duì)皮革材料的老化過(guò)程進(jìn)行繪圖，獲得的肯定是一個(gè)非常好的趨勢(shì)。如果色牢度是同一個(gè)人評(píng)判的，第一次給出了灰度4級(jí)，那么下周期他就會(huì)參照上一次的評(píng)判，從而給出的評(píng)級(jí)曲線(xiàn)就像已經(jīng)擬合好的趨勢(shì)線(xiàn)。而實(shí)際的老化過(guò)程復(fù)雜多變，不可能像擬合曲線(xiàn)那樣慢慢下降，而應(yīng)該是跳躍波動(dòng)下降的。如果廠家只是為了確定材料經(jīng)過(guò)相當(dāng)輻照量之后，皮革達(dá)到一定的灰度等級(jí)（判定是否合格的標(biāo)準(zhǔn)），那使用灰度評(píng)判是很好的選擇。

圖5 汽車(chē)內(nèi)部部件溫度監(jiān)控

5 結(jié)論

雖然皮革老化后，由其性能反映出來(lái)，有時(shí)候皮革雖然老化了，但是某些性能數(shù)據(jù)變化卻不是很大，如拉伸強(qiáng)度，有些皮革老化后變硬，可能拉伸強(qiáng)度變大了。所以，一方面，研究皮革老化后性能變化的情況，需要綜合幾種不同的特性進(jìn)行研究，才能更好地分析出其老化變化量；另一方面，當(dāng)宏觀上研究不出材料變化情況的時(shí)候，可以通過(guò)分子結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，從微觀上探尋材料老化的內(nèi)在原因。

我們經(jīng)常提到一個(gè)說(shuō)法，就是自然老化和人工加速老化的相關(guān)性。這里的相關(guān)性，指的是試驗(yàn)后結(jié)果存在一定的相似度。事實(shí)上，很多試驗(yàn)結(jié)果都難以反映相關(guān)性?，F(xiàn)在社會(huì)逐漸流行的大數(shù)據(jù)分析，就是相關(guān)性的一種運(yùn)用，通過(guò)大量的數(shù)據(jù)分析獲得相應(yīng)的預(yù)測(cè)結(jié)果。所以老化試驗(yàn)相關(guān)性的獲取，也需要通過(guò)大量的試驗(yàn)結(jié)果比較分析，得出一種適用于多數(shù)群體的方法。

圖6 拉伸強(qiáng)度數(shù)據(jù)比較圖

圖7 斷裂伸長(zhǎng)率數(shù)據(jù)比較圖

［1］張哲.汽車(chē)內(nèi)飾超纖皮革應(yīng)用與開(kāi)發(fā)［J］.首屆宏達(dá)杯中國(guó)汽車(chē)用紡織品創(chuàng)新論壇論文集， 2007： 37～39.

［2］趙建明，等.人造革、合成革耐候老化測(cè)試研究［J］.塑料科技， 2015（12）：85-90.

［3］李秋魁，等.整車(chē)大氣暴露試驗(yàn)失效分析的運(yùn)用［J］.環(huán)境技術(shù)， 2015（06）：15-18.

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［5］郭景毅，等.人工皮革在汽車(chē)內(nèi)飾材料中的應(yīng)用現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)［J］.西部皮革， 2007 （08）：7-10.

Research on the Weathering Resistance Test for Automotive Leather

LIN Xu-bin， SUN Fu-cai， YE Gang， CHEN Ze-hao， WANG Wei-si， FU Shi-bo， HUANG Shao-yi， ZHANG Sheng-nan
（Vkan Certification & Testing Co.， Ltd.， Guangzhou 510663）

This paper analyzes the principle of aging of automotive leather， and lists the test condition for xenon lamp of automotive leather.Then it adopts the test condition of natural aging for GMW14444 interior parts， and compares the similarities and differences of acceleration test and natural aging test.Finally， the changing trend of performance data for the aging of automotive leather are compared，it shows that the yellow index and color data are more suitable for the aging trend analysis of leather material.

leather； weathering resistance； aging trend； performance test

X828

A

1004-7204（2016）03-0013-05

林旭彬（1990-），男，漢族.廣東揭陽(yáng)。本科。助理工程師。主要從事材料環(huán)境適應(yīng)性研究。