聚碳酸酯在汽車LED前照明系統(tǒng)中的應用現(xiàn)狀

邢海波，張東軍

（1. 吉林鐵道職業(yè)技術學院 機械工程學院，吉林省吉林市 132200；2. 吉林市神華大眾汽車服務有限責任公司，吉林省吉林市 132000）

聚碳酸酯是一種分子鏈中含有碳酸酯基的高分子化合物，受到加工環(huán)境的限制，廣泛投入工業(yè)生產的聚碳酸酯僅有雙酚A型聚碳酸酯，該材料性能優(yōu)良，具有耐老化、抗沖擊、耐化學藥品腐蝕等特性，因此，被大量應用在航空航天、電子、建筑、汽車、照明等領域［1］。近年來，電子行業(yè)和照明行業(yè)發(fā)展迅猛，對于聚碳酸酯的需求越來越大，聚碳酸酯的高透光性和耐老化性十分適用于照明行業(yè)，與傳統(tǒng)的照明玻璃相比，聚碳酸酯的透明度更高，而且還具備易加工、質量輕、不易破碎、包裝性強、可回收的特點［2］。目前，汽車照明系統(tǒng)基本上采用聚碳酸酯。發(fā)光二極管（LED）照明系統(tǒng)對于外殼的要求很高，使用的材料必須是光散射材料，可以確保點光源轉化成線光源，線光源轉化成面光源，且選擇的光散射材料必須具有80%以上的透光率和90%以上的霧度［3］。本文針對聚碳酸酯在汽車LED前照明系統(tǒng)中的應用進行分析，探討了聚碳酸酯的應用范圍和應用優(yōu)勢。

1 聚碳酸酯在汽車LED前照明系統(tǒng)中的應用特點

絕大部分汽車燈具的使用要求極高，必須經真空鍍鋁鍍膜后才能使用，燈具在長時間的風吹雨打及暴曬下，老化特別嚴重，在這種惡劣的環(huán)境下，為了延緩燈具的使用年限，將制造燈具的材料進行改性處理、真空鍍膜處理、真空電鍍涂料處理［4］。

1.1 聚碳酸酯可增加汽車LED前照明系統(tǒng)的耐熱性

大部分汽車燈具在50 ℃持續(xù)6 h的炙烤過程中，表面溫度會高達120 ℃以上，這要求燈具的配光鏡和各種零部件應具有高耐熱強度，否則會發(fā)生軟化、霧化、揮發(fā)物在鏡面凝結等問題［5］?，F(xiàn)有車燈所應用的熱光源在使用過程中會產生200 ℃的高溫，而聚碳酸酯塑件只能耐130 ℃左右的溫度，為了能正常安全使用，燈具用聚碳酸酯塑件的耐熱溫度須達185 ℃以上。經改良處理后，聚碳酸酯耐熱溫度極高，能滿足聚碳酸酯塑件的溫度要求，有的牌號的聚碳酸酯的耐熱溫度高達200 ℃［6］。

1.2 聚碳酸酯可調整汽車LED前照明系統(tǒng)光源顏色

聚碳酸酯具有易于著色的特點，因此在制作時，可以直接加入顏料和添加劑，使聚碳酸酯變成透明有色的材料。為了得到更好的透明有色材料，必須要增強材料的耐熱性［7］。通常聚碳酸酯類塑料熔體溫度可以達到310～340 ℃，即使普通的聚碳酸酯熔體溫度也可以達到280～310 ℃。目前，調整汽車LED前照明系統(tǒng)光源顏色使用的基本色主要有六種，分別為紅色、黃色、綠色、藍色、白色、黑色，這些基本色都是透明顏色，以基本色為基礎進行色彩調和，可以得到其他顏色，作為LED前照明系統(tǒng)的光源顏色［8］。

2 聚碳酸酯在汽車LED前照明系統(tǒng)中的應用問題

2.1 老化問題

聚碳酸酯雖然具備多項優(yōu)點，但在使用時很容易老化，主要的老化方式有熱降解、熱氧老化、光氧老化、接觸水老化等，一旦聚碳酸酯出現(xiàn)老化問題，就會降解出雙酚A，這對整個材料的外觀、性質和性能都會造成嚴重影響，甚至會導致整個材料的性能失效［9］。

使用聚碳酸酯制備的LED前照明系統(tǒng)很容易受到紫外光攻擊，長時間的紫外光照射會降低材料的沖擊強度，使材料泛黃，間接反映出環(huán)境對于聚碳酸酯有很大影響，耐候性能不好。因此，在使用聚碳酸酯制備LED前照明系統(tǒng)時，必須要增強產品的抗老化性能，提高產品的耐候性［10］。目前，比較有效的方法有兩種：（1）在聚碳酸酯制備過程中，加入紫外光穩(wěn)定劑和脫模劑；（2）在成型的聚碳酸酯塑件外部加入紫外光源，作為屏蔽層。在使用上述兩種方法后，聚碳酸酯呈現(xiàn)藍色，通常要對塑件進行4～5次疊加，聚碳酸酯的藍色為透明色，如果顏色偏黃，說明加入的紫外光穩(wěn)定劑和脫模劑遭到破壞，該聚碳酸酯不具備抗紫外光照射的能力，紫外光屏蔽處理和添加紫外光穩(wěn)定劑取得的效果相似，都能發(fā)揮增強聚碳酸酯耐候性的作用。

采用聚碳酸酯制備的配光鏡表面強度和硬度較低，尤其是呈現(xiàn)透明顏色的塑件，表層硬度更低，一旦塑件落上灰塵，就很難處理，通常會選用靜電布對表面的灰塵進行擦拭，但是也極有可能將配光鏡表面劃傷，對燈具的外觀造成嚴重影響，因此，必須對采用聚碳酸酯制備的配光鏡進行處理［11］。最有效的處理方法就是將有機硅耐磨涂層涂抹在配光鏡表面，步驟為：首先在聚碳酸酯表面涂上一層基體材料，干燥；然后涂抹碳化硅陶瓷涂料作為中間涂層，繼續(xù)干燥；最后在耐磨層涂抹高分子陶瓷聚合物涂料，干燥。整個涂抹過程必須保持潔凈。采用這種方法處理的聚碳酸酯表面性能極大提高，耐磨性、耐候性和光學性都極好，使用壽命更長。改性后的聚碳酸酯配光鏡硬度更好，使用普通的擦拭布進行擦拭也不會出現(xiàn)刮花現(xiàn)象，硬度可以保持在2～3 H。

采用傳統(tǒng)方法進行電鍍或鍍鋁時，反光鏡或視圈等零件使用的材料為金屬件，這種材料的質量較大，且加工過程繁瑣，需要花費較高的成本和大量的人力、物力，而采用聚碳酸酯生產的注塑件不僅工藝簡單，且更容易成型，可以在短時間內生成復雜的形狀，質量也輕［12］。聚碳酸酯可以很好地與鋁層附著在一起，在真空中對純鋁進行蒸發(fā)處理或濺射處理，使其在鋁層形成鍍膜。需要進行鍍鋁的零件主要有燈體、LED反光圈，這兩個零件可以起到反射、折射和裝飾的作用。為確保作用最大化，選擇的鍍鋁厚度通常在0.8～1.2 μm，通過平滑的鋁膜提高零件的光澤度。鍍鋁的方式主要有兩種：一是在基體上直接鍍鋁，再增加保護層，該方式可以保證燈具擁有亮麗的光澤度，同時具備很好的防潮、耐熱性能，在運輸過程中不會受到環(huán)境的污染；二是在基材上涂抹底漆，該方式能夠覆蓋基材上的缺陷。不同情況下使用的鍍鋁方式不同［13］。

2.2 聚碳酸酯制件的內應力

雖然聚碳酸酯的沖擊力極高，但易發(fā)生斷裂，原因是制件殘留內應力較大。影響制件內應力的因素包括產品的結構、熱處理、注射工藝等。聚碳酸酯具有較高的熔融溫度、黏度大、流動性差、冷卻快，這些特點都會加大制件的內應力。

聚碳酸酯分子鏈具有很大剛性，發(fā)生分子取向后很難產生松弛，制件中的內應力也無法消除，必須對其內應力進行消除處理。通過升溫使塑件分子鏈活動，凍結的分子經過高溫后松弛，并產生亂序，以達到消除內應力的目的［14］。消除或減小聚碳酸酯制件內應力最簡單的方法就是進行熱處理，將制件放入烘箱內，溫度為105 ℃，保持10～20 min后再將溫度升高20 ℃，保持30～40 min，隨后將制件快速冷卻到60 ℃以下取出，空氣作為熱處理主要介質。配光鏡為大型零件，需根據(jù)用途和表面要求在熱風循環(huán)時適宜回火。使用的回火爐通常是隧道型回火爐，安裝在注塑機旁，當塑件從模具出來后，就被放置在回火爐履帶上，增加一定距離后，封閉回火爐，從而降低回火爐內部的溫度，通過降低內應力確保制品不會產生應力開裂以及翹曲變形等現(xiàn)象。

當采用聚碳酸酯制備的零件放置在燈具內部時，則不能使用回火的方式處理，而是通過模溫機進行調整，減少制件內應力的影響。由于冷卻時，各零件的收縮率不同，所以制件在確定成型后，硬化過程會從表面逐漸深入到內部，這一過程的收縮很慢，導致內應力的出現(xiàn)，進而使塑件表面產生裂紋?？刂颇厥窍厶妓狨ブ萍葢ψ钣行У姆椒?，模溫的變化直接影響殘余內應力的大小。引入樹脂制品后的燈具會形成一個最低模溫限度，通過模溫機控制模溫，使模溫盡可能地滿足要求，采用聚碳酸酯制備的零件脫模溫度為140 ℃，因此模溫要保持在85～140 ℃，如果模溫過高，塑件的冷卻時間就會變慢，成型周期也會延長，導致塑件在制備過程很容易發(fā)生變形。當完成內應力消除工作后，還要對消除效果進行檢驗，將聚碳酸酯制件放入四氯化碳中，觀察是否發(fā)生開裂，如果出現(xiàn)開裂，則代表沒有消除掉內應力；如果未出現(xiàn)開裂，則代表內應力已被消除。

3 聚碳酸酯在汽車LED前照明系統(tǒng)中的應用

隨著人們對環(huán)境的重視，汽車車型不斷向節(jié)省能耗及原材料的方向發(fā)展。燈具是汽車的重要設備之一，通常采用的材料都是注塑材料，聚碳酸酯作為注塑材料的一種，性能優(yōu)于其他注塑材料，使用其制造燈具的成本更低［15］。照明車燈可以劃分成前照燈、后車燈、轉向燈、霧燈、車牌照明燈等。與無機玻璃相比，聚碳酸酯的沖擊強度高250倍，因此更適合作為前照燈外罩。前照燈除了具備照明功能外，還具備裝飾功能，可以通過聚碳酸酯的光學性能和著色性能來加強汽車LED前照明系統(tǒng)的裝飾作用，利用有色的聚碳酸酯制備車燈內部的裝飾條，起到點綴作用，在車燈下方噴上底漆，可以更好地襯托裝飾條顏色，此外，也可以通過鍍鋁的方式使車燈變成金屬色，裝飾圈采用的包裝方式也是鍍鋁方式。聚碳酸酯可以遮擋光源，這種遮擋不僅可以增加LED前照明系統(tǒng)的美觀性，同時可以避免從外面看到里面的光源。聚碳酸酯材質的燈管多是彎曲的，在受力薄弱點進行起拱處理，從而減少彎曲應力。作為反光鏡的零部件，燈具的質量直接影響反光鏡的質量。使用聚碳酸酯鍍鋁，不僅能夠減輕燈具質量，同時可以減輕零部件的質量，簡化制造工藝。由于燈具中的燈泡顏色固定，所以可以加入配光鏡，通過配光鏡對燈光的顏色進行調節(jié)。

4 結語

目前，汽車產業(yè)逐漸向著安全化和輕型化的方向發(fā)展。在汽車產業(yè)發(fā)展過程中，聚碳酸酯發(fā)揮著重要的作用，尤其是在LED前照明系統(tǒng)上，聚碳酸酯顯現(xiàn)出很好的應用效果，不僅能夠增加耐熱性，同時也可以起到裝飾作用，但是在使用聚碳酸酯制備零件時，必須要進行抗老化處理和內應力消除處理。