基于车用塑料专利产品使用寿命的评估与研究

张毅 王梦雅

（国家知识产权局专利局专利审查协作河南中心，河南郑州 450002）

基于车用塑料专利产品使用寿命的评估与研究

张毅 王梦雅

（国家知识产权局专利局专利审查协作河南中心，河南郑州 450002）

本文主要对汽车上采用的各种塑料的优点和缺点进行介绍，从塑料的寿命评估方法和塑料的寿命评估过程两方面对塑料的寿命进行预测，发掘车用塑料领域的新材料，为我国汽车塑料领域的研究提供一定参考。关键词：塑料；汽车；寿命；评估

1 引言

目前，世界汽车材料技术的发展越来越倾向于轻量环保，汽车用塑料的优良特性受到与日俱增的青睐。据测算，汽车自身质量每减轻10%，燃油消耗就可降低6%～8%[1]。就抗冲性能而言，单位质量塑料丝毫不输于金属。在现代汽车制造业中，为了大幅减轻撞击时对人的身体伤害，提高汽车的安全系数，目前更多的使用可吸收震动能量和冲击能量的发泡塑料、弹性体制造汽车座椅、仪表板、头枕等。塑料的特性表现在质量轻、不会锈蚀、耐冲击性好、透明度高、耐磨损性和绝缘性好、导热性低，一般成型性及着色性好、加工成本低等［2］，在汽车设计中采用大量的塑料，可以综合反映出对汽车设计性能的要求，塑料材料在汽车制造中创新应用将会是最受到更多的关注和重视，在人们更加向往健康舒适环保安全的未来，塑料技术的发展将会受到更大程度依赖。

2 汽车上主要采用的塑料

2.1 聚烯烃制品

未来在汽车领域，高昂的有色金属以及其他合金材料将会逐步被聚烯烃塑料制品取代，相应地可以提高汽车设计的灵活性与造型的美观，装配与维修的费用，而且还能大幅降低汽车的能源消耗。随着汽车工业领域的日益蓬勃发展，车用聚烯烃塑料制品也将毫无疑问地得到更多的需求。据分析，我国汽车消费的各种聚烯烃制品总量到2010年将达到23万t，并将保持年均10%的增长率［3］。汽车工业领域在未来将大量使用聚烯烃塑料制品，因为聚烯烃材料性能较好、密度小、成本低，汽车工业领域近来有把汽车外饰和内饰材料统一到聚烯烃塑料材料的倾向性，由此可以判断，在将来其需求量必然会有更大的增长。

2.2 聚氨酯在汽车行业的新运用

聚氨酯材料越来越多的应用于汽车行业，由于聚氨酯产品均匀性和耐磨性好，受到了许多汽车材料开发商的关注和重视。目前，聚氨酯产品在汽车塑料中的用量约为20%，车用泡绵则达约60%。随着汽车工业的迅速发展，聚氨酯产品的新用途自然会随之日益突出。而且聚氨酯产品的应用领域也十分广泛，例如汽车的内饰件和外饰件，包括隔音、仪表盘、坐垫、头枕、顶棚衬里、遮阳板、门板等内饰件以及阻留板、保险杠等外部构件。由于聚氨酯良好的耐磨性、耐候性、弹性等等优良特性，聚氨酯产品在汽车行业中还可以用于生产轮胎，例如，美国艾美莱轮胎公司与固特异轮胎橡胶公司合作研发的聚氨酯车用轮胎。相比于普通橡胶，聚氨酯的耐气候、气密性能更好，并且不易出现胎面剥落的现象。随着生产工艺的不断改进，在不久将来会实现大量生产聚氨酯轮胎。

2.3 纤维增强塑料

纤维增强复合材料也称玻璃钢，是一种品种繁多、性能个别、用途广泛的复合材料，它是由合成树脂和玻璃纤维经复合工艺制成的一种功能型新材料，是最重要的复合材料之一。其主要优点是耐腐蚀性能好、介电性能好、热性能良好、可设计性能、工艺性优良，其主要缺点是弹性模量小、长期耐温性差。目前西欧纤维增强塑料的年用量已超过40万t，其中约50%应用于汽车工业［4］。建筑业和汽车业是纤维复合材料十分重要的应用市场，其中玻纤增强热塑性塑料是最重要的汽车用纤维复合材料之一，现在玻璃纤维增强热塑性塑料作为一种新型轻质高强工程结构材料，已广泛应用于汽车、机械、电器、轮船、建筑和航空航天等工业部门及高新技术领域［5］。我国正处于人口多、汽车工业发展快的阶段，了解世界发展趋势将有利于我国纤维增强塑料领域的发展。

3 塑料的寿命预测

塑料因其具有诸多优良的性能而广泛被关注，例如化学性能力、学性能、电性能等等。但是，塑料也存在严重的弊端——不耐老化，而且其老化机理特别复杂，老化主要原因也多种多样，其中最常见的原因有氧及臭氧老化、光老化、生物降解、水降解等。因为老化机理复杂，老化原因导致的力学性能变化目前还难于直接研究，更多的是通过试验加以间接研究分析。目前的老化试验包括两类，一是自然老化试验,,二是人工加速老化试验。由于老化因素的多样性、老化机理的复杂性，自然老化试验仍是目前最可靠和最重要的老化试验方法。但这种方法也客观存在一些问题，即费时间又昂贵,获得的试验数据有限。人们很难对塑料制品采用与实际使用贮存条件完全相同的状况来获得其老化数据。所以,较真实的模拟实际使用贮存情况的加速老化方法和寿命评估模型具有很重要的应用价值。

目前，常用的老化测试包括：人工加速老化测试、人工气候老化试验、氙弧灯老化试验、碳弧灯老化试验、紫外老化试验、湿热老化试验、热空气老化试验、臭氧老化试验、二氧化硫老化试验、二氧化硫/臭氧试验、热氧老化试验、自然气候暴晒试验、材料贮存寿命推算、盐雾测试、高低温试验、液体介质老化试验、户外暴露试验、汽车零部件耐候性试验、用户特定条件老化试验等等。

老化性能检测包括：拉伸强度、撕裂强度、弯曲强度、压缩强度、冲击强度、粘结强度、热变形温度、维卡软化温度、熔融指数、氧指数、导热系数、烟密度、表面电阻、体积电阻、击穿电压、电气强度、光泽、热应力开裂、环境应力开裂、透光率、雾度、燃烧性能、线膨胀系数、压缩永久变形、氧化诱导期、低温冲击试验、雾化试验、介电强度、脆性温度、耐热指数、温度指数、橡胶贮存性能等等。

3.1 寿命评估方法

选取四种（t1、t2、t3、t4、t5）或以上高温环境，跟踪测试样机壳体材料的力学老化行为，建立样机壳体材料的力学性能高温老化规律，外推到常温预测样机壳体材料的使用寿命。

3.1.1 每个老化温度，每次测试样品数量不少于6个(分子量测试为不少于4个)。

3.1.2 按照试验大纲中有效数据选取的原则，舍去数据之间的差别大于10%及其以上的数据后，将剩下的数据进行平均(此时，每一个温度下，每一个时间点所生的数据均大于或等于4个；分子量为大于或等于4个)，平均值为此次测量的有效值。

3.1.3 在整个试验过程中，每个老化温度共有10组(包含壳体材料性能P的初始值)测量数据。

3.2 寿命评估过程

3.2.1 将各个老化温度下测得的性能P值分别与时间作图。按照试验大纲对壳体材料老化数据处理的方法，采用线性方程：

式中为Pt老化时间达到t时，性能P的值；

P0为老化性能P的初始值；

k为老化速率常数；

t为老化时间。

对数据进行拟合，得到相关系数r。如果r值小于0.90，则舍去原始数据中偏离拟合曲线最严重的点，再进行拟合。如此类推，直到r大于或等于0.90，此时，所得拟合曲线方程的斜率即为壳体材料在此老化温度下的老化速率常数。

3.2.2 将各老化速率常数的对数值(即lnkt1、lnkt2、lnkt3、lnkt4、lnkt5)与1/T作图，根据Arrihenius公式的对数形式：

式中A-频率因子或Arrihenius指数；

E-活化能；

R-普世气体常数；

T-绝对温度。

可知，lnk与1/T符合线性关系，对图中的曲线进行线性拟合，得到相关系数r。

3.2.3 为了使保证老化寿命预测方程的准确性，要求r值必须达到0.99以上。如果r值小于0.99，则舍去偏离拟合曲线最严重的点，再进行拟合，如此类推，直到r值大于或等于0.99，得到拟合方程Y=a+bX。

3.2.4 根据a=lnA，-E/R=b，求得A及E的值。

3.2.5 将E和A值带到Arrihenius方程:

k=Aexp(-E/RT)

求T＝293 K和298 K时，壳体材料的老化速率常数k20和k25。

3.2.6 将k20和k25带入方程（1），得到壳体材料在20℃以及25℃下，性能P的老化方程：

3.2.7 P0为回归的性能参数初始值，它与老化温度有两种关系，有以下两种求法：①如果P0与老化温度成线性关系，且经显著水平α＝0.2的相关性检验线性成立，则P0可通过回归分析求取。

如果P0与老化温度不呈线性关系，每个温度下的P0接近于某一定值，则把P0取为n个温度下的平均值，即：

3.2.8 求得本试验的P0值以后，带入到方程（3）和（4），根据国标GB/T 20028-2005，取性

能P下降50%作为临界值(即失效点)，求得壳体材料在20℃以及25℃下的储存寿命。

4 结论

本文主要对汽车上采用的各种塑料的优点和缺点进行了介绍，从塑料的寿命评估方法和塑料的寿命评估过程两方面对塑料的寿命进行预测，发掘车用塑料领域的新材料，为我国汽车塑料领域的研究提供一定的参考。

［1］李军，陈云霞，李中兵.汽车轻量化应用技术探讨［J］.汽车工艺与材料,2010（2）:12-17．

［2］倪红.塑料在汽车上的运用及汽车塑料零件成本构成浅析［J］.中国科技信息，2008（19）:132-133．

［3］胡琪.车用聚烯烃产品商机凸现［J］.工程塑料应用, 2003，31（11）:38-38.

［4］王莉莉,高国强,李松.国外汽车用复合材料近况与发展趋势［C］.玻璃钢学会第十六届全国玻璃钢/复合材料学术年会论文集.2006，277-281.

［5］王德喜.玻纤增强热塑性塑料技术发展概况［J］.塑料技术2013，31（增刊）:27-30.

The Evaluation and Research on Service Lifeof Automotive Plastics

Zhang Yi WangMengya
(Patent Examination Cooperation Henan Centerof the Patent Office SIPO,Zhengzhou Henan 450002)

In this paper,the advantages and disadvantages of various plastics used in automobiles are introduced. The lifeexpectancy ofplastics is forecasted from two aspects:the lifeevaluationmethod ofplastic and the lifeevaluation of plastic.The newmaterials in automotive plastics field are excavated.Aiming at providing some suggestions to theevaluation and research on service lifeofautomotive plastics.

plastics;automotive;service life;evaluation

U465

A

1003-5168（2017）01-0051-03

2016-12-28

张毅（1988-），男，硕士，审查员，研究方向：材料领域发明专利申请的实质审查；王梦雅（1989-），女，硕士，审查员，研究方向：材料领域发明专利申请的实质审查（等同于第一作者）。