汽车非金属内外饰材料环境老化研究

摘 要：汽车内、外饰零部件产品种类众多，由于材料本身分子结构存在一些弱点，在环境（光、热、雨水和氧气等）因素作用下，不可避免地会产生老化现象。文章介绍了汽车环境老化试验，总结了整车自然暴晒试验温度区域分布规律及常见汽车非金属材料环境老化失效外观变化种类，并针对常见汽车非金属内外饰件及用材主要失效模式及原因进行了分析，提出预防和改进措施。

关键词：非金属材料；内外饰；环境老化

引言

由于汽车在使用过程中会不可避免地遭遇环境，受到环境作用的影响，如同其他工业产品，汽车的使用性能会随着时间的推移逐步降低，材料、零部件、汽车整车逐步老化。气候老化(主要指光老化)由光、热、水等环境气候因素引起的老化（图1）。

目前，我国在汽车内外饰材料的人工加速气候老化试验标准方面还较为欠缺：一是我国的汽车工业起步较晚，对于内外饰材料的老化研究还不够；二是目前我国还是以配套加工为主，自主研发较少，对于内外饰材料的人工加速气候老化试验主要还是采用外国汽车厂商的标准。

1、自然暴晒试验结果评价

1.1 温度分布

图2 是某车型海南自然曝露时主要部件温度统计值（环境温度25-39℃），温度分布区域统计见表2。

1.2 耐候测试后外观状态的评价

耐候测试后，材料可能出现不同模式的失效，伴随不同的外观变化，常见的外观变化有几种状态，如图3 所示。

2、汽车内外饰件主要失效模式及原因分析

汽车用内外饰件材料以高分子材料（塑料、橡胶、胶粘剂、织物等）为主，内外饰件的环境老化问题主要就是高分子材料的老化问题，对内外饰件环境老化问题分析从根本上来说就是高分子的老化分析。

2.1 高分子材料的老化

高分子材料的老化是指高分子材料在储存和使用过程中，由于内外因素的综合作用，逐渐失去原有一些性质，使性能劣化的现象。根据老化原因，高分子材料主要有以下一些老化情况：

①光老化：日光是导致高分子材料老化的主要因素，尤其是使用在室外的高分子材料。在光的作用下，高分子化合物由于吸收光能而发生光化学反应，使化学键破坏。光波波长越短，能量越高，对化学键的破坏能力也就越强。

②热老化：热的作用不仅能使共价键断裂，导致大分子裂解，也能使大分子间产生交联，还能加速高分子化合物氧化，从而使高分子材料发生热老化。

③氧化：许多高分子材料被大气中的氧或臭氧所氧化，致使高分子链断裂而发生氧化型老化。高分子材料被氧化的程度与高分子化合物的化学结构有关，也与氧或臭氧在高分子材料中的扩散与吸收的速度有关。一般情况下，具有不饱和碳链的高分子化合物比具有饱和碳链的高分子化合物容易老化；构造疏松的高分子材料比构造紧密的高分子材料容易老化。

④侵蚀：一般高分子材料抗侵蚀能力都比较强，但也有一些高分子材料在一定条件下会受到侵蚀。高分子材料所受到的侵蚀有化学侵蚀和生物侵蚀。高分子材料受到某些化学物质作用时，高分子链产生化学变化，而使性能变劣；一些微生物在一定温度和一定湿度条件下，会使某些高分子材料霉变，发生降解反应，导致老化。

高分子材料的光老化过程的初期老化缓慢，人眼不易观察到，老化初期主要是聚合物吸收紫外光，产生高分子自由基，随后以自由基链式机理，直接或通过氧作用发生降解，交联反应，并伴随有羟基，烃基等降解产物生成；老化后期，由于大量羧基，羟基等生色基团增加了对紫外光的吸收，加速老化进程，以致产生进一步的降解、交联，使高分子材料变色、龟裂、力学和物理性能下降。

2.2 高分子材料老化实例分析

2.2.1 ABS 变形分析

变形的主要原因在于ABS 材料出现了问题，而ABS 注塑加工过程影响不是很大，可能的原因如下：a）ABS 原料问题。聚合时丁二烯(三种成分中最便宜得)含量过多，导致玻璃化温度降低，或者是三种物质聚合时分子量不够大。由于分子量小，玻璃化温度低，但流动性好，还有材料中添加的增塑剂也会使热变形温度降低；

b）回用料的添加。就是报废的ABS 料被打碎和原料混合来做新模具，因为ABS 被打碎，所以很多高分子被打断，而平均分子量会降低，注塑时的流动性会很好，很容易加工，也能增加材料的韧性，但是分子量低了材料的性能会降低，其中硬度、缺口强度、玻璃化温度都会变低，同时也会出现色差。

2.2.2 高温老化激发的主要失效

高温对公司材料激发的主要失效如下（首先变形是完全不能发生的）：

ABS：主要激发自动氧化，由于试验箱内光线弱，对光氧化激发不大，呈现为变色；

PC：激发效果不大，激发少量热裂解，由于箱内湿度不大对水解激发不大，同时对光氧化激发也不大，呈现为变色；

PMMA：激发少量热裂解；

橡胶：激发自动氧化，少量光氧化和热裂解，对交联有一些影响；

硅胶：相对稳定，激发少，可能会造成一些脱水。

3、预防和改进措施

3.1 内、外饰零件耐老化的技术要求

汽车内、外饰零件设计人员应掌握必要的材料老化知识，对零部件老化性能进行合理的定义，避免因提出过低或过高的要求而导致质量问题或成本浪费。比如，地毯因阳光照射很少，老化要求就不用定义很高。应考虑零件在整车上所处的位置(接受阳光照射的情况)，而不能仅考虑材料本身的老化性能。

3.2 内、外饰材料的选择

根据内、外饰零件老化性能要求，选择合适的材料，当然同时要综合考虑零件的其他各项功能性要求。对于一些可满足各项功能性要求、而耐老化性能不足的材料，可以对材料配方进行微调，加入～些光稳定剂之类的助剂，这些技术目前都已经比较成熟。

3.3 耐老化性能的充分验证

需要对内、外饰零件的耐老化性能进行充分的验证、评价，否则会存在较大的质量风险。首先，测试方法很重要，要选取合适的测试条件，以更好地反映、贴近实际的使用状态。其次，考察要全面，不仅要对材料进行耐老化测试，还要对零部件以及整车进行耐候性测试和评价。第3，采取综合的试验方式，不仅要进行室内的加速老化测试，还要开展户外曝晒试验，用户外曝晒试验结果校正室内加速试验方法的结果。

3.4 生产过程的质量监控

即使通过了相关的老化测试，也不表示该零件今后就不会出现问题了，还需要通过加强产品过程质量控制，保证材料和生产工艺等不发生变化，从而使产品质量保持稳定。