塑料皮纹件低作用力下的耐刮擦性能研究

刘永星

安徽江淮汽车集团股份有限公司技术中心，安徽合肥 230601

0 引言

皮纹是指生物表皮的天然纹路，通常指在人类或其他动物如鳄鱼、牛、鹿等皮肤表面自然的纹路，也可泛指在植物如树木表皮、断面、叶片等表面的纹理。随着现代设计概念的扩展，发展到其他天然或人工物品表面的纹理，如石材纹路、织物纹路、电火花纹路等。

随着汽车工业的不断发展，消费者对汽车内外饰件的精致化关注程度越来越高。塑料件表面皮纹的大量应用，有力地提升了内外部装饰件的品质和价值。作为影响汽车内外观风格的最重要因素之一，汽车表面皮纹样式已成为各汽车厂家努力改进的重要方向。外观件皮纹定义涉及美学、触感以及安全性，并能削弱产品外观类缺陷。在进行塑料皮纹件产品开发之时,需要详细分析皮纹设计特点，了解所选皮纹的优缺点，并对皮纹设计方案进行有目的的改进。

1 塑料皮纹件简介

塑料制品由于材质不同，成型模具表面的排列、组织及构造也不同，因而会产生粗糙、光滑、软硬感等，表现为不同的皮纹。纹路单元的形状大小、方向、排列组合方向和单元组合的疏密程度都对皮纹的外在风格有重要影响。有些皮纹的纹线特征有明显的方向性，可以看出纹线明显的脉络走向；有些皮纹规则单元特征的皮纹没有方向性；而有些立体皮纹具有很强的层次感，微观上表现为皮纹在深度方向上由2～5个不同深度数值的层组成，宏观上表现为皮革表面的粒面饱满圆润，层次丰富起伏，特征过渡自然，给人的视觉冲击比较柔和。

一般情况下，汽车常用皮纹按大小可分为粗皮纹、细皮纹及几何皮纹3种类型。

1.1 粗皮纹

粗皮纹由真实皮纹仿真演化而来，纹路接近真实纹理，比较细腻，有层次感，可以提高整车内外观部件档次，一般纹理深度为80～150 μm。粗皮纹一般作为汽车内饰的主皮纹，有很强的整体协调感，因模具成型性要求较高，需要整车内饰统合设计考虑。

1.2 细皮纹

细皮纹是一种精致细腻的纹路，类似砂石表面的状态，加工工艺也很多，主要有火花纹、喷砂纹等，细皮纹一般是单层次皮纹，纹理深度为0～80 μm。细皮纹可以单独局部装饰也可和其他纹路进行搭配，一般应用在外部装饰件(如保险杠下巴、轮眉裙边护板等)上，或局部小特征部件上。

1.3 几何皮纹

几何皮纹也称科技纹，呈现几何规则的纹理，在汽车上主要体现科技、力量、潮流等概念，一般纹理深度为80～150 μm。因其有很强的识别性，在现代汽车开发中呈大面积推广之势。但几何纹有极强的方向性及规则性，一般的腐蚀加工难以实现，往往需要应用激光雕刻等先进加工工艺，大面积使用会大大提高其加工难度，成本也比较高。

塑料件结构设计的合理性与皮纹的质量、清晰度及成型难易息息相关。根据成型条件、材料、零件壁厚和零件的直立高度等因素的不同，皮纹深度和拔模角度的比例会有所不同。皮纹深度和皮纹颗粒大小对零件表面性能影响较大，需要在设计定义皮纹时一并考虑。

2 塑料皮纹件刮擦性

2.1 皮纹件刮擦要求

大多数塑料内外饰零件由于暴露在外界环境(包括乘客运动、物体接触等)之中，不可避免表面会受到各种刮擦破坏，塑料件表面制作皮纹被证实是一种很有效的可大大减弱刮擦破坏的途径，从而得到了广泛应用。塑料件表面皮纹的存在，一方面提高了产品的美观性；另一方面提高了高分子材料表面粗糙程度，减小了塑料表面纤维与其他物体的接触面积，从而减小了摩擦因数，进而减小了相对滑动时表面的摩擦损伤。皮纹表面刮擦示意如图1所示。

图1 皮纹表面刮擦示意

塑料表面的刮擦损伤，主要是由于尖端物体在材料表面滑动引起的。滑石粉改性的PP材料注塑成零件或样板后，在其皮纹表面施加某一恒定外力并在其表面划过，皮纹表面因同时承受压缩、拉伸和剪切力的多重作用而受到多种模式的破坏。这种破坏一方面造成白色的滑石粉外露;另一方面表面发生不均匀的变形，导致光线反射发生变化，从而导致表面外观发生明度和光泽度的变化。这种变化可用颜色要素中的明度变化值来量化表达。

有研究表明，对于不同作用力条件下的材料表面刮擦损伤形貌，主要有3种：轻划形貌、鱼鳞纹变形形貌和材料移除形貌。由于很难有一种刮擦测试的方法和条件能代表零件在实际使用中的情况，目前尚无一个令人满意的标准测试方法。

2.2 皮纹件刮擦测试评价

刮擦测试方法主要有：五指刮擦、网格刮擦、硬度试验笔刮擦、摩擦色牢度刮擦和Taber摩擦仪刮擦等。对于作用力较大时的刮擦，一般在5 N以上，容易出现鱼鳞纹变形形貌和移除形貌的损伤。目前比较通用的评价方法为基于单头十字划格法,此测试法即是利用上述原理对部件的刮擦性能实现量化的评估，是目前比较稳定且直观的方法，比较适合评估刮擦磨损后白度发生变化的硬质基材。有研究表明，皮纹的抗刮擦能力是受到皮纹类型、皮纹样式、皮纹深度及皮纹加工方式等综合因素的影响。

滑石粉改性的PP材料所注塑而成的外观注塑件最终的耐刮擦性能与很多因素有关，包括基料选择、添加剂类型、配色实现手段、注塑工艺、取样位置、放置时间、测试方法、测试设备等。刮擦性能的主要影响因素示意如图2所示。

图2 刮擦性能的主要影响因素示意

一般情况下，因立体皮纹斜度更大、顶部更锋利、面积更小，在受到相同外力破坏时损伤程度更大。立体皮纹的抗刮擦能力较差，皮纹深度越浅，刮擦性能越好。

对于指甲的刮擦损伤，一般情况下受力都比较小，在5 N以下。而指甲厚度因人而异，厚度为0.4～1.0 mm，尖端并不锋利，刮擦试样表面时，只是对高分子材料表面产生轻微的损伤，呈现轻划形貌损伤。指甲刮擦示意如图3所示。

图3 指甲刮擦示意

因指甲硬度与塑料表面硬度相差不多，指甲莫氏硬度为2.5，塑料为2.0。手指甲在材料表面滑动过程时，往往是把材料表面凸起纤维沿滑动方向压平的过程，表面产生的变化为光泽度的增加。针对这种损伤需要与前述受力较大的表面损伤区别开来，其验证方式和评价方法应单独进行。

轻划形貌损伤，在主观评价中主要通过眼睛迎着光线斜向观察获得。判断其优劣的主要特征为：划痕清晰度与周边对比光泽变化率和划痕连续性可视角度等强相关。

光泽变化率计算公式为：

Δ=-

(1)

式中：为刮擦前光泽率;为刮擦后光泽率;Δ为光泽变化率。

通过分析可知，光泽变化率Δ越大，即对比越明显，耐刮擦性能就越差；划痕可视角度越大,则越容易被观察到，耐刮擦性能就越差。划痕可视角度示意如图4所示。

图4 划痕可视角度示意

一般厂商针对在低作用力(≤5 N)下的刮擦，会设计专门的评价标准，对亚光材料的摩擦性能，一般在20°条件下进行测量，通过试验前后光泽变化来评价耐刮擦性能的优劣。

2.3 皮纹表面形貌对比分析

某款汽车外饰件外表面采用颗粒皮纹a，皮纹颗粒尺寸为0.5 mm左右，条状(两点相连形成)为0.5 mm×1 mm，点与条数量比约为4∶1，凸凹比约为1∶1，颗粒边缘比较整齐清晰，凹面整体比较平整，光泽较均匀。颗粒高度为50～80 μm，颗粒边缘为圆形，形状不一，有明显圆弧延伸到底面，如图5所示。

图5 汽车外观皮纹a示意

皮纹凸凹比对于接触面积影响较大，皮纹a凸凹比约为1∶1，凸起部分所占整体比例约为40%，每个凸出部，端部呈扁平状，边缘大倾斜面延伸到底部；皮纹特征及皮纹底部为平面，平整度较高，对应光泽也较高。

另一款汽车外表面采用颗粒皮纹b，皮纹颗粒尺寸为0.1～0.5 mm，多为圆点状，局部有较少条状，圆点尺寸大小不一，分布不均匀，大小圆点分布无规律，皮纹特征及皮纹底部不平整，对应光泽也较低。颗粒高度为30～50 μm，颗粒边缘为圆形，圆弧边界不平整,如图6所示。

图6 汽车外观皮纹b示意

2.4 皮纹形貌对刮擦性能的影响

通过对皮纹a和皮纹b的测试对比发现，在低作用力条件下，皮纹a耐刮擦性能明显优于皮纹b,而且在主观评价方面优势非常明显。从两者皮纹形貌特点可以看出：

(1)凸出部的占比越小，在刮擦时接触面积越小，刮擦损伤越小，但太小的接触面积使表面支撑强度降低，刮擦损伤反而会变大；

(2)凸出部顶端平整有利于凸出部的局部强度，刮擦时能够支撑起刮擦头，避免底面被破坏，可以减小刮擦损伤面积；

(3)颗粒状皮纹可以避免因刮擦方向不同引起的性能差异，对评价有利；

(4)底面平整且光泽较高，可以减弱刮擦后光泽变化对比度，提高评价得分；

(5)皮纹凸凹特征对应的尺寸与刮擦物尺寸相关，设计尺寸时，一般与刮擦物尺寸接近更有利于刮擦性能；

(6)皮纹面整体的光泽度对刮擦结果也有影响，光泽度越高，刮擦后的变化越小。

针对消费者手指易触碰到的部件表面，对手指甲刮擦要求应给予足够的重视，在皮纹定义及后期设计开发中，应该遵循耐刮擦性能的要求，在皮纹凸出部和凹陷部尺寸、占比、底面光泽度、对比度、刮擦接触面大小等方面进行细致约束，才能得到既美观又耐用的高品质表面纹理。

3 结束语

塑料零件的外观定义对于刮擦性能有很大的影响。如何优化外观要求，使其既满足美学要求，又有利于刮擦性能的提高是今后努力的目标。因此，今后还需尽可能量化影响因素，从而有针对性地提升外观品质问题的分析解决，在外观定义与工程实现间建立良好的互动，最终提高客户满意度。