汽车外饰件“虎皮纹”缺陷重现试验方法研究

覃家祥，陈心欣，洪志浩，陶友季，张晓东，祁黎，王俊，揭敢新

（中国电器科学研究院股份有限公司工业产品环境适应性国家重点实验室，广州 510663）

前言

众所周知，汽车轻量化的发展下，聚丙烯/三元乙丙橡胶复合材料（PP/EPDM）由于优异的高、低温冲击韧性、刚性、耐热性、耐寒性、耐化学物质等性能广泛地应用于汽车外饰件材料[1,2]。因此，汽车外饰件塑料产品薄壁化的发展日趋严重，注塑制品一系列外观质量问题随之而来。作为汽车外饰件外观缺陷之一的“虎皮纹”成为了最常见的外观质量问题，尤其在大型薄壁汽车注塑件上，如保险杠、轮眉等注塑件[3,4]。“虎皮纹”形成的主要原因包括注薄壁且流长比大的注塑过程、挤出物胀大或出模膨胀、塑料熔体中黏弹性的强弱及制品壁厚不均匀等[5,6]。“虎皮纹”缺陷严重时，可通过肉眼观测发现。但是，有一部分产品通过肉眼观测不到“虎皮纹”，但在户外自然环境的温度、湿度、辐照等环境应力的作用下，投入使用一段时间后开始出现明暗交替的“虎皮纹”缺陷，其形成机制依然未知，严重影响汽车外观质量。

通常情况下，汽车外饰件塑料制品的耐候性评价主要通过人工加速老化实验来实现，包括氙灯加速老化[7]、碳弧灯加速老化[8]、紫外灯加速老化[9]等方法。人工加

基金项目：国家科技基础资源调查专项（2019FY101400），中国博士后科学基金（2019M653100）。速老化试验虽然周期短、时效快，但由于人工光源与自然光光谱存在较大差异，同时也忽略了昼夜温差、季节变化及空气活性组分等因素的影响，不能完全、真实地反映自然环境中全部因素[10,11]。因此，部分汽车外饰件塑料产品虽然通过人工加速老化试验评价，但是在投入使用一段时间后依然出现“虎皮纹”缺陷，产品服役寿命急剧下降，严重影响汽车的品牌声誉和市场竞争力。而当前形势下，外观质量又是质检部门重点控制的指标之一，因此“虎皮纹”检不出问题成了检测人员关注的焦点之一，可检测的高相关性试验方法的开发迫在眉睫。

太阳跟踪聚光老化试验主要是指在户外自然环境下通过增强材料表面接收到的太阳辐照实现材料耐候性的快速评价的试验方法[12-14]。太阳跟踪聚光加速老化试验是在真实的环境中对于材料老化进行加速，可极大提高加速试验方法的准确度，使得试验结果与实际服役状态之间的相关性更高[15,16]。而且，相比于人工加速试验方法，太阳跟踪聚光加速老化试验方法的试验成本更低，能耗更少，对可绿色持续发展具有重大科学意义[17]。但目前太阳跟踪聚光加速老化试验方法在汽车外饰件材料“虎皮纹”缺陷检测中的应用尚未有相关报导。本工作尝试基于太阳跟踪聚光加速老化试验，建立可检测汽车外饰件材料“虎皮纹”缺陷的加速试验方法，用于提高汽车外饰件塑料产品的服役寿命，为汽车行业装备产品的质量提升提供技术支持。

1 实验部分

1.1 主要原料

汽车外饰件材料（PP/EPDM）：某自主品牌汽车企业提供。

1.2 主要设备及仪器

扫描电镜：EVO 18，德国蔡司公司；

三角度光泽计：Sheen 160，德国毕克公司；

便携式色差仪：X-Rite 948，美国爱色丽公司。

1.3自然暴晒试验

PP/EPDM材料的自然暴晒试验在广州自然暴晒试验场进行，PP/EPDM材料是尺寸为50 mm×70 mm×3 mm的方片和哑铃型样条，按照GB/T 3681-2000《塑料大气暴露试验方法》开展无背板自然大气暴晒试验，暴晒角为南向45 °。试验期为1年，每3个月取样一次。

1.4太阳跟踪聚光加速老化试验

太阳跟踪聚光加速老化试验参考ASTM G90-2010，于广州花都自然试验场进行，所用设备为中国电器院自主开发的太阳跟踪聚光加速老化试验设备，老化时间为12个月。PP/EPDM取样周期均为3个月1次，取样后用于下一步的检测分析。

1.5样品性能测试

利用X-Rite 948型便携式分光色差计，对经过清洗的试样暴晒面测量色差和黄色指数，各取3次测量的算术平均值作为结果。试样的色差按照ISO 7724-2:1984进行测量，黄色指数按照GB/T 2409-1980进行测量。

利用Sheen 160三角度光泽计，对经过清洗的试样曝晒面测量光泽度，取3次测量的算术平均值作为结果。试样的光泽度以黑色底板作为背衬，在60 °入射角下按照GB/T 8807-1988进行测量。

将经过自然暴晒的PP/EPDM小方片裁切成1 cm2大小的观察试样，对朝向太阳的一面进行喷金处理，然后利用Zeiss-EVO 18型扫描电镜观察样品老化后的表面形貌。

2 结果与讨论

2.1“虎皮纹”重现试验

自然老化和太阳跟踪聚光加速老化试验过程中，实时跟踪PP/EPDM样品外观形貌，结果如图1和图2所示。自然老化试验过程中，PP/EPDM样品随着自然环境的温度、辐照及湿度的累计作用，在6个月后才开始出现虎皮纹失效。太阳跟踪聚光加速老化试验过程中，基于一系列条件优化后，设定太阳跟踪聚光加速老化试验设备样品区的最高温度上限设定为75 ℃，实时跟踪太阳并聚光，晴天为光感跟踪，阴天为时控跟踪，从而进行加速老化试验。温度上限的设定是因为过高的暴晒温度会导致PP/EPDM材料老化机理发生改变，从而使得太阳跟踪聚光加速老化与自然老化相关性的降低，影响检测结果。由于太阳跟踪聚光及自然环境的加载，PP/EPDM样品在2个月后开始出现黑白相间的虎皮纹现象，即“虎皮纹”失效。因此，基于太阳跟踪聚光加速老化试验，可以有效快速的检出PP/EPDM样品中是否存在“虎皮纹”缺陷。

图1 自然老化试验前和6个月后PP/EPDM的外观变化

图2 太阳跟踪聚光加速老化试验前和2个月后PP/EPDM的外观变化

2. 2“虎皮纹”关键影响因素分析

为了深入了解虎皮纹缺陷形成的关键影响因素，对太阳跟踪聚光加速老化2个月和自然老化6个月后PP/EPDM虎皮纹缺陷样品进行表面形貌分析，结果如图3和图4所示。当扫描电镜的放大倍数达到1 000倍时，可以清楚观察到太阳跟踪聚光加速老化2个月后PP/EPDM材料的白纹表面发生了明显的皲裂，与黑纹区的形貌存在明显的差别。PP/EPDM材料的自然老化过程中也存在相同的情况；自然老化6个月后，材料白纹表面逐渐形成了细长的裂纹，导致材料外观失效。相比于自然老化，由于长时间的高温高强度辐照，太阳跟踪聚光加速老化可以更快地检测出PP/EPDM材料内部是否存在虎皮纹缺陷，从而在表面形成黑白相间的虎皮纹失效。

图3 太阳跟踪聚光加速老化2个月后PP/EPDM材料表面形貌扫描电镜图

图4 自然老化6个月后PP/EPDM材料表面形貌扫描电镜图

PP/EPDM材料属于共混复合材料，PP作为结晶性材料，而EPDM为非晶材料，当PP在EPDM中的分布不均匀时，容易在材料内部产生应力集中，在环境因素的加载下，该区域发生老化降解后，容易导致其开裂，从而形成黑白相间的虎皮纹缺陷，PP/EPDM虎皮纹失效样品的表面元素分析结果证实了这一点。图5和6分别为PP/EPDM虎皮纹失效样品白纹和黑纹表面元素分析结果，白纹区表面氧原子含量分别为32.5 %，而黑纹区表面氧原子含量仅为21.7 %，白纹区表面氧原子含量明显高于黑纹区。因此，由于PP与EPDM分散不均匀，导致应力集中，在温度、辐照及湿度的作用下，材料逐渐氧化降解，引发材料表面皲裂和发白，最后形成“虎皮纹”缺陷。

图5 PP/EPDM虎皮纹失效样品白纹表面元素分析

2.3 色差分析

汽车外饰件材料PP/EPDM的“虎皮纹”生成，必然伴随着材料的色差变化；因此，接下来对于PP/EPDM样品进行色差分析，如图7所示。随着老化时间的增加，太阳跟踪聚光加速老化和自然老化试验过程中PP/EPDM接收到的紫外辐照量逐渐增大，PP/EPDM试样表面发生的氧化程度逐渐增加，导致其表面颜色变化程度逐渐变大。由于太阳跟踪聚光加速老化试验过程中，PP/EPDM样品处于聚光加热状态，其氧化程度远远大于自然老化试验中的PP/EPDM。因此，随着时间的推移，PP/EPDM在太阳跟踪聚光加速老化过程中的色差快速增长，1年老化试验后，其色差为3.5左右；而自然老化1年后，PP/EPDM的色差仅为0.8左右。

图7 不同聚光加速老化和自然老化时间后PP/EPDM的色差变化

2.4 光泽度分析

太阳跟踪聚光加速老化和自然老化试验后，还对汽车外饰材料PP/EPDM进行光泽度分析，如图8所示。随着老化时间的增加，太阳跟踪聚光加速老化和自然老化试验过程中PP/EPDM接收到的紫外辐照量逐渐增大，PP/EPDM试样表面发生的氧化程度逐渐增加，粗糙度变大，导致其表面光泽度变化程度逐渐降低。太阳跟踪聚光加速老化试验过程中，也是因为PP/EPDM样品处于聚光加热状态，导致氧化程度远远大于自然老化试验中的PP/EPDM，粗糙度急剧下降；因此，随着时间的推移，PP/EPDM在太阳跟踪聚光加速老化过程中的光泽度快速降低，1年老化试验后，其光泽度为35左右；而自然老化1年后，PP/EPDM的光泽度仅下降至55左右。

图6 PP/EPDM虎皮纹失效样品黑纹表面元素分析

图8 不同聚光加速老化和自然老化时间后PP/EPDM的色差变化

3 结论

本文采用太阳跟踪聚光加速老化试验重现汽车外饰件材料PP/EPDM自然老化过程中的虎皮纹缺陷，并研究其虎皮纹形成机制，可得到以下结论：

1）太阳跟踪聚光加速老化试验可以成功检出汽车外饰件PP/EPDM材料“虎皮纹”缺陷，可在汽车行业中推广应用。

2）汽车外饰件材料PP/EPDM的“虎皮纹”缺陷形成的关键影响因素是PP与EPDM复合材料的分散性不佳所致；然后在温度、辐照及湿度的作用下，PP/EPDM材料表面逐渐氧化降解，引发材料表面皲裂和发白，最后形成“虎皮纹”缺陷。

3）由于自然老化和太阳跟踪聚光加速老化试验过程中材料表面的氧化作用，PP/EPDM样品的色差逐渐增大，光泽逐渐减小；同样，由于太阳跟踪聚光加速老化试验中PP/EPDM的老化速率更快，色差增长更大，光泽下降程度更大。