汽車內(nèi)外飾耐候和耐光試驗(yàn)方法綜述

Matthew McGreer，F(xiàn)lorian Feil，Andreas Riedl，程 舸，馬旭東，曹玲玲

（1.亞太拉斯材料測(cè)試技術(shù)有限公司，上海，200131；2.亞太拉斯材料測(cè)試技術(shù)有限公司中國(guó)事業(yè)部，上海 200000）

0 引言

近幾十年來(lái)，汽車工業(yè)對(duì)材料和部件的性能、外觀和耐久性的要求顯著提高。同時(shí)，日益激烈的競(jìng)爭(zhēng)又迫使該行業(yè)持續(xù)降低成本。為滿足這些具有挑戰(zhàn)性的要求，測(cè)試技術(shù)經(jīng)歷了不斷的發(fā)展。對(duì)于以更好模擬和最終相關(guān)為關(guān)鍵的實(shí)驗(yàn)室加速老化測(cè)試，尤為如此。盡管戶外耐候和耐光測(cè)試在任何耐久性試驗(yàn)項(xiàng)目中都起著關(guān)鍵作用，但其漫長(zhǎng)的測(cè)試周期和成本，迫使汽車主機(jī)廠和配套商不得不求助于加速試驗(yàn)結(jié)果，以更快地做出產(chǎn)品決策。

當(dāng)今，汽車工業(yè)在實(shí)驗(yàn)室和戶外試驗(yàn)中采用了許多先進(jìn)的方法。下文旨在總結(jié)和歸納現(xiàn)有的各種測(cè)試方法，并突出其異同之處。由于大多數(shù)汽車主機(jī)廠的標(biāo)準(zhǔn)都是基于幾個(gè)主要國(guó)際和國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)制定的，因此著重介紹了這些基本的老化試驗(yàn)方法。對(duì)于試驗(yàn)方面的更詳細(xì)討論僅限于氙弧燈技術(shù)，因?yàn)樗瞧嚥牧霞铀僭囼?yàn)中最先進(jìn)、也是應(yīng)用最廣泛的光源。最后介紹了老化測(cè)試技術(shù)當(dāng)前和未來(lái)的主要發(fā)展趨勢(shì)。

一種方法是否適合于特定應(yīng)用，即實(shí)驗(yàn)室結(jié)果是否與戶外曝露結(jié)果或?qū)嶋H使用過(guò)程中發(fā)生的破壞相關(guān)，取決于多種因素，如材料本身，選作評(píng)估的性能，以及在戶外或真實(shí)世界曝露中的實(shí)際條件。

1 概述

在開發(fā)和生產(chǎn)過(guò)程中的每一步都要進(jìn)行耐候試驗(yàn)。在原材料質(zhì)量檢驗(yàn)和新材料的開發(fā)（比如汽車內(nèi)飾塑料件或改性涂料系統(tǒng)）過(guò)程中，都需要進(jìn)行大量測(cè)試。最后，組件、完整原型以及整車也離不開耐候測(cè)試，以便了解在太陽(yáng)輻照、熱量和水的影響下，所有組件之間的相互作用。

用于汽車內(nèi)外飾實(shí)驗(yàn)室耐候測(cè)試的設(shè)備可分為幾種類型，比如：

● 光源種類，有氙弧燈、金屬鹵素?zé)?、紫外熒光燈或碳弧燈?/p>

● 儀器結(jié)構(gòu)，有樣架圍繞光源旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)鼓式（圖1），也有靜態(tài)平面放樣的平板式（圖2）；

圖1 Atlas Ci4400氙燈老化箱及其轉(zhuǎn)鼓式樣架結(jié)構(gòu)Figure 1 Atlas Ci4400 xenon lamp aging chamber and its drum pattern frame structure

圖2 Atlas Suntest XXL+氙燈老化箱及其平板樣架結(jié)構(gòu)Figure 2 Atlas Suntest XXL+xenon lamp aging chamber andits flat sample frame structure

● 儀器尺寸和放樣量，有臺(tái)式、立柜式、步入式、甚至駛?cè)胧剑?］。

用于戶外試驗(yàn)的樣品架也有各種類型，不同傾斜度、不同背板（帶或不帶膠合板或“黑箱”背板），有無(wú)玻璃蓋板等。菲涅耳反光鏡用于將陽(yáng)光聚焦到樣品上，這種方法需要有效的樣品冷卻。借助傳感器和機(jī)械驅(qū)動(dòng)裝置，可使用開放式樣架，玻璃后曝露箱，以及可跟蹤太陽(yáng)軌跡以使測(cè)試期間輻照曝露最大化的菲涅爾太陽(yáng)聚光裝置（圖3）。某些裝置，比如玻璃蓋IP/DP箱（儀表板/門板箱），使用內(nèi)置風(fēng)扇和加熱器將溫度控制在特定范圍內(nèi)。菲涅耳裝置也可配備噴淋系統(tǒng)，在白天曝露或夜間濕潤(rùn)期間以固定時(shí)間間隔工作。

圖3 太陽(yáng)追蹤菲涅爾聚光裝置（10片反射鏡帶噴淋，左圖） 樣品裝載于目標(biāo)區(qū)域（右圖）符合ASTM G90—2017Figure 3 Sun Tracking Fresnel concentrator（10 mirrors with spray，left） and sample loading in the target area（right） according to ASTM G90—2017

對(duì)于整車曝露，可使用轉(zhuǎn)臺(tái)來(lái)跟蹤太陽(yáng)光（圖4）。使用人造光源進(jìn)行夜間曝露還不是一種可行的測(cè)試方法，但一些汽車主機(jī)廠采用每半年將樣車從北半球移到南半球，再移回來(lái)的辦法，可以在一年中利用2個(gè)夏季。當(dāng)然，在選定的曝曬地點(diǎn)觀測(cè)到的特定氣候條件對(duì)氣候老化結(jié)果起著至關(guān)重要的作用。比如，亞利桑那州和卡拉哈里州氣候炎熱干燥（“干旱氣候”），南佛羅里達(dá)州溫暖潮濕（“亞熱帶氣候”），而佛羅里達(dá)州北部的杰克遜維爾以嚴(yán)重的工業(yè)空氣污染而聞名。圖5顯示了位于佛羅里達(dá)州南部的亞太拉斯戶外曝曬場(chǎng)。Hardcastle和Searle發(fā)表在《塑料和涂料》［2］中的文章詳細(xì)描述了各種戶外氣候老化試驗(yàn)方法。

圖4 太陽(yáng)追蹤轉(zhuǎn)臺(tái)測(cè)量汽車內(nèi)飾件表面溫度（可持續(xù)太陽(yáng)追蹤并定位車輛與太陽(yáng)于不同的角度，可測(cè)量所有表面的最大表面溫度）Figure 4 Solar Tracking turntable to measure the surface temperature of automotive interior trim（sustainable solar tracking and positioning of vehicle and sun at different angles can measure the maximum surface temperature of all surfaces）

圖5 位于南佛羅里達(dá)州亞太拉斯戶外曝曬場(chǎng)Figure 5 The outdoor exposure field of Asia Pacific Lasse located in South Florida

汽車行業(yè)重要的實(shí)驗(yàn)室和戶外老化方法一覽表見表1。按其在材料、組件和整車上的應(yīng)用排列，并按車輛內(nèi)外飾進(jìn)行劃分。

表1 最重要的實(shí)驗(yàn)室和戶外老化方法一覽表Table 1 List of the most important laboratory and outdoor aging methods

汽車行業(yè)常用的重要標(biāo)準(zhǔn)一覽表見表2。表中不包括各主機(jī)廠標(biāo)準(zhǔn)。

表2 汽車行業(yè)常用測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)一覽表Table 2 List of common test standards in automotive industry

2 塑料和涂料的氙燈基本標(biāo)準(zhǔn)

ISO有2個(gè)系列的標(biāo)準(zhǔn)，一個(gè)是塑料標(biāo)準(zhǔn)，另一個(gè)是涂料標(biāo)準(zhǔn)，它們是許多其它測(cè)試方法的依據(jù)。這2個(gè)系列標(biāo)準(zhǔn)廣泛應(yīng)用于全球汽車行業(yè)。ASTM G151（一般要求）和G155（氙燈暴露）2個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的架構(gòu)與ISO系列標(biāo)準(zhǔn)類似。

ISO 4892-2《塑料-實(shí)驗(yàn)室光源暴露試驗(yàn)方法-第2部分：氙弧燈》［3］、ISO 16474-2《色漆和清漆-實(shí)驗(yàn)室光源暴露試驗(yàn)方法-第2部分：氙弧燈》［4］，以及ASTM G155《非金屬材料在氙燈設(shè)備中進(jìn)行暴露試驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)操作程序》［5］，所有試驗(yàn)選項(xiàng)都編寫在由若干“循環(huán)”組成的表格中，這些選項(xiàng)均取決于測(cè)試材料的最終用途以及用于測(cè)試的儀器配置。在最新修訂版本中，修訂過(guò)程十分謹(jǐn)慎，以確保ISO標(biāo)準(zhǔn)中的測(cè)試參數(shù)盡可能相似，2個(gè)文件不會(huì)相互矛盾。

這些標(biāo)準(zhǔn)中推薦的循環(huán)通常要求控制主要的老化試驗(yàn)參數(shù)：

● 輻照度（E）

● 黑標(biāo)溫度/黑板溫度（BST/BPT）

● 箱體溫度（CHT）

● 相對(duì)濕度（RH）

此外，標(biāo)準(zhǔn)中還詳細(xì)說(shuō)明了周期性噴淋、光照/黑暗循環(huán)以及每個(gè)循環(huán)中各階段的測(cè)試時(shí)間。大多數(shù)汽車內(nèi)外飾氙燈試驗(yàn)方法都基于并參考這些基本測(cè)試規(guī)范中的至少1種。

3 汽車內(nèi)飾材料的實(shí)驗(yàn)室測(cè)試

“高溫耐光色牢度測(cè)試”是1種將相對(duì)較高的溫度與過(guò)濾后的氙燈發(fā)出的輻射相結(jié)合的暴露方法。這些汽車內(nèi)飾測(cè)試中的“高溫”意味著什么？例如，在ISO 105-B02［6］中指定了“正?！钡暮谏珮?biāo)準(zhǔn)溫度（BST），典型內(nèi)飾應(yīng)用的最高溫度為47 ℃（對(duì)于黑板溫度，最高為45 ℃），在ISO 4892-2和ISO 16474-2中，典型的室外應(yīng)用為65 ℃。但是，在炎熱的夏天，汽車內(nèi)飾實(shí)測(cè)到的表面溫度要高得多，經(jīng)常超過(guò)100 ℃。因此，汽車內(nèi)飾材料通常使用特殊的高溫耐光色牢度測(cè)試方法，以更好地模擬這些極端條件。大多數(shù)內(nèi)飾測(cè)試規(guī)范都使用所謂的“窗玻璃過(guò)濾”氙弧輻射來(lái)模擬車艙內(nèi)玻璃的太陽(yáng)輻射。

汽車內(nèi)飾最常用的測(cè)試方法有 ISO 105-B06［7］（類似于德國(guó)汽車規(guī)范VDA 75202），用于塑料的ISO 4892-2循環(huán)3，用于涂料的ISO 16474-2循環(huán)3，日本汽車標(biāo)準(zhǔn)JASO M346，以及來(lái)自美國(guó)汽車工程師學(xué)會(huì)的SAE J 2412［8］（原SAE J 1885）。ISO 105-B06包括幾種不同的測(cè)試條件，部分與這些其他規(guī)范相同。表3匯總了這些常規(guī)高溫耐光色牢度測(cè)試方法的參數(shù)。

表3 高溫耐光色牢度測(cè)試方法的參數(shù)Table 3 Parameters of color fastness test method at high temperature

由表3可見，不同高溫耐光色牢度測(cè)試方法之間的區(qū)別之一是暗階段的應(yīng)用。標(biāo)準(zhǔn)SAE J 2412和FLTM BO 116-01要求光照/黑暗循環(huán)。相比之下，大多數(shù)其他測(cè)試方法則采用持續(xù)光照。

樣品背板類型對(duì)測(cè)試結(jié)果影響極大，在高溫耐光色牢度測(cè)試中經(jīng)常會(huì)導(dǎo)致錯(cuò)誤。現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)和公司規(guī)范在這個(gè)問(wèn)題的處理上并沒有統(tǒng)一。因此，在比較結(jié)果時(shí)，如果測(cè)試方法中沒有明確規(guī)定，樣品背板的類型（金屬、紙板、無(wú)紡布）應(yīng)達(dá)成一致并進(jìn)行報(bào)告。

大多數(shù)歐洲、美國(guó)、日本、韓國(guó)和中國(guó)的OEM（原始設(shè)備制造商）規(guī)范均引用上述測(cè)試方法之一。然而，它們一般會(huì)對(duì)濾鏡、樣品的安裝和處理、儀器類型和其它測(cè)試細(xì)節(jié)提出額外要求。通常，它們還會(huì)定義最小暴露量之后可接受的性能變化，這些細(xì)節(jié)從主機(jī)廠獲得。

為便于參考，表4列出了汽車內(nèi)飾測(cè)試的一些公司規(guī)范，這些規(guī)范均基于表3中的基本標(biāo)準(zhǔn)。

表4 汽車內(nèi)飾測(cè)試規(guī)范Table 4 Automotive interior test specifications

4 汽車外飾材料的實(shí)驗(yàn)室氙燈測(cè)試

汽車外飾材料最常見的通用測(cè)試方法見表5。

表5 汽車外飾材料常見的測(cè)試方法Table 5 Common test methods of automobile exterior trim materials

多年來(lái)，德國(guó)汽車工業(yè)一直采用VDA（德國(guó)汽車工業(yè)協(xié)會(huì)）汽車涂層準(zhǔn)則第621-429號(hào)“顏色穩(wěn)定性”和第621-430號(hào)“抗裂性”標(biāo)準(zhǔn)，這兩個(gè)準(zhǔn)則代表了SAE J 1960在20世紀(jì)90年代對(duì)德國(guó)測(cè)試環(huán)境的“適應(yīng)”。雖然VDA從未正式發(fā)布過(guò)這兩個(gè)草案，但這兩個(gè)準(zhǔn)則均基于廣泛的研究結(jié)果，在當(dāng)時(shí)使用的涂層系統(tǒng)上證實(shí)了與佛羅里達(dá)暴露的相關(guān)性。

現(xiàn) 在ISO 16474-2循 環(huán)1（與ISO 4892-2循 環(huán)1一致）和SAE J 2527（基于性能的SAE J 1960更新版）已成為汽車主機(jī)廠在其外部涂層和材料測(cè)試規(guī)范中最常引用的測(cè)試方法。ISO 16474-2循環(huán)1是1個(gè)2 h的試驗(yàn)循環(huán)，包括102 min的干燥階段和18 min的噴淋階段，持續(xù)光照。SAE J 2527［9］使用了更復(fù)雜的3 h循環(huán)，包括光照/黑暗和干燥/噴淋階段，如表6所示。

與內(nèi)飾材料一樣，標(biāo)準(zhǔn)的采用通常包括改進(jìn)或調(diào)整測(cè)試參數(shù)，例如噴淋/干燥循環(huán)。具體細(xì)節(jié)可從主機(jī)廠獲得。

應(yīng)注意的是，J 2527和J 2412這兩個(gè)SAE標(biāo)準(zhǔn)要求所有測(cè)試設(shè)備須按SAE J 2413“驗(yàn)收規(guī)程”進(jìn)行應(yīng)用驗(yàn)證。

5 當(dāng)前標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展趨勢(shì)

美國(guó)汽車耐候測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)SAE J 2527的1個(gè)特點(diǎn)是由4個(gè)階段組成，包括在黑暗階段同時(shí)在樣品的正面和背面噴水1 h（表6）。然而這種相對(duì)較長(zhǎng)的黑暗階段并不能模擬許多涂層系統(tǒng)在南佛羅里達(dá)夜晚長(zhǎng)時(shí)間結(jié)露（冷凝）形成過(guò)程中所吸收的水分。此外標(biāo)準(zhǔn)指定的濾鏡組合（無(wú)論是擴(kuò)展紫外還是傳統(tǒng)日光濾鏡）并不能總是產(chǎn)生與自然曝曬相同的化學(xué)變化。

表6 SAE J 2527測(cè)試循環(huán)Table 6 SAE J 2527 test cycle

經(jīng)過(guò)超過(guò)10 a的開發(fā)工作，由汽車主機(jī)廠、汽車涂料供應(yīng)商和耐候老化儀器制造商聯(lián)合開發(fā)的一個(gè)新的測(cè)試方法ASTM D 7869已經(jīng)發(fā)布了。這是一個(gè)復(fù)雜的、多階段的、24 h為一循環(huán)周期的測(cè)試方法，可以更好地復(fù)制南佛羅里達(dá)的暴露（表7）。此外該測(cè)試方法對(duì)光譜輻照度有非常嚴(yán)格的要求，要求濾鏡的紫外截止波長(zhǎng)與自然日光峰值時(shí)的紫外截止波長(zhǎng)幾乎相同，如圖6所示。

圖6 傳統(tǒng)硼硅/硼硅日光濾鏡、SAE J 2527擴(kuò)展紫外濾鏡以及ASTM D 7869濾鏡的紫外光譜能量分布與參考太陽(yáng)輻射光譜進(jìn)行比較Figure 6 The energy distribution of the ultraviolet spectrum of the traditional borosilicate/borosilicate solar filter，SAE J 2527 extended ultraviolet filter and ASTM D 7869 filter is compared with the reference solar radiation spectrum

表7 ASTM D 7869測(cè)試循環(huán)Table 7 ASTM D 7869 test cycle

長(zhǎng)達(dá)4 h的黑暗噴淋階段可以讓涂層吸收與自然暴露相同分量的水。“過(guò)渡”階段（2，4，7）允許樣板逐漸變干和變熱，就像在現(xiàn)實(shí)世界中通常發(fā)生的那樣。更長(zhǎng)的高輻照度階段（3，8）比傳統(tǒng)的氙燈老化測(cè)試提供更高的加速度。第6～9階段的子周期模擬晝夜循環(huán)和階段性降雨，涂層在此達(dá)不到第1階段完全吸水飽和。ASTM D 7869附錄詳細(xì)描述了每個(gè)階段的目的和理由。測(cè)試開發(fā)工作和相關(guān)數(shù)據(jù)可以在參考文獻(xiàn)［10］中找到。

6 在更高的輻照強(qiáng)度下測(cè)試

一些重要國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)（如ISO 4892-2，ISO 16474-2，ISO 105-b06）及許多國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)（如JASO M346，JASO M351，VDA 75202）允許采用3倍于最大地表太陽(yáng)輻射強(qiáng)度的紫外輻射，通常指3×60=180 W/m2的紫外輻射。雖然這一發(fā)展主要基于日本的倡議，但其他幾個(gè)國(guó)家也在審查這一概念。在德國(guó)高輻照與高溫已成功應(yīng)用于汽車內(nèi)飾的各種聚合物和紡織品的耐光性測(cè)試［11-12］。這種加速測(cè)試方法必須非常小心地應(yīng)用在每一個(gè)實(shí)例中，并且必須根據(jù)被測(cè)試的具體材料和性能進(jìn)行調(diào)整。高輻照可能會(huì)引起在正常條件下不會(huì)發(fā)生的光化學(xué)反應(yīng)。若要將高輻照試驗(yàn)獲得的結(jié)果與正常水平試驗(yàn)獲得的結(jié)果進(jìn)行比較，則所有其他試驗(yàn)參數(shù)，即光譜能量分布、黑板或黑標(biāo)溫度、箱體溫度和相對(duì)濕度必須相同。

7 優(yōu)化紫外截止點(diǎn)

基本上在SAE測(cè)試方法中，加速老化測(cè)試是通過(guò)利用短波長(zhǎng)氙弧輻射來(lái)實(shí)現(xiàn)的，而這種輻射在戶外自然太陽(yáng)輻射中并沒有?！白畛酢钡腟AE汽車內(nèi)外飾材料標(biāo)準(zhǔn)SAE J 1885和J 1960明確規(guī)定使用石英/硼硅酸鹽濾鏡系統(tǒng)。通常認(rèn)為戶外日光的紫外截止點(diǎn)是295 nm，而該濾鏡系統(tǒng)的紫外截止點(diǎn)在約275 nm，氙燈輻射經(jīng)其濾光后含有高得不切實(shí)際的紫外線部分。由此被稱為“擴(kuò)展紫外”。

SAE J 1885和J 1960已經(jīng)被更新的基于性能的標(biāo)準(zhǔn)所取代。SAE J 2527汽車外飾氙燈老化標(biāo)準(zhǔn)允許使用更接近實(shí)際的日光濾鏡（通常稱為硼硅/硼硅濾鏡組合），而相對(duì)應(yīng)的SAE J 2412汽車內(nèi)飾氙燈老化標(biāo)準(zhǔn)則沒有這樣做。相反在過(guò)去數(shù)年中，主要的汽車制造商已經(jīng)根據(jù)SAE J 2412開發(fā)了自己的汽車內(nèi)飾材料規(guī)范，使用了比標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的更符合實(shí)際情況的UV截止波長(zhǎng)，如335 nm，這更能代表真實(shí)的汽車玻璃類型［13］。

與自然太陽(yáng)輻射相比，SAE J 2527所使用的日光濾鏡仍然允許更多的短波紫外線輻射。對(duì)于外飾件材料，ASTM D 7869的光譜要求更加嚴(yán)格，要求對(duì)峰值自然陽(yáng)光在295 nm進(jìn)行精確截止。

8 結(jié)語(yǔ)

大多數(shù)汽車內(nèi)外飾耐光和耐候測(cè)試方法是基于一些得到認(rèn)可的通用測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)。最近的趨勢(shì)表明，對(duì)加速試驗(yàn)方法的需求增加了，同時(shí)要求方法更可靠地再現(xiàn)真實(shí)的氣候參數(shù)，因?yàn)檫@很可能造成更符合實(shí)際情況的降解過(guò)程。這最終促進(jìn)了測(cè)試技術(shù)和新的測(cè)試方法更好的發(fā)展。預(yù)計(jì)未來(lái)氙燈老化標(biāo)準(zhǔn)將繼續(xù)朝著更符合實(shí)際測(cè)試情況的方向發(fā)展，并且將被更多的汽車廠商采用。