汽车内外饰耐候和耐光试验方法综述

Matthew McGreer，Florian Feil，Andreas Riedl，程 舸，马旭东，曹玲玲

（1.亚太拉斯材料测试技术有限公司，上海，200131；2.亚太拉斯材料测试技术有限公司中国事业部，上海 200000）

0 引言

近几十年来，汽车工业对材料和部件的性能、外观和耐久性的要求显著提高。同时，日益激烈的竞争又迫使该行业持续降低成本。为满足这些具有挑战性的要求，测试技术经历了不断的发展。对于以更好模拟和最终相关为关键的实验室加速老化测试，尤为如此。尽管户外耐候和耐光测试在任何耐久性试验项目中都起着关键作用，但其漫长的测试周期和成本，迫使汽车主机厂和配套商不得不求助于加速试验结果，以更快地做出产品决策。

当今，汽车工业在实验室和户外试验中采用了许多先进的方法。下文旨在总结和归纳现有的各种测试方法，并突出其异同之处。由于大多数汽车主机厂的标准都是基于几个主要国际和国家标准制定的，因此着重介绍了这些基本的老化试验方法。对于试验方面的更详细讨论仅限于氙弧灯技术，因为它是汽车材料加速试验中最先进、也是应用最广泛的光源。最后介绍了老化测试技术当前和未来的主要发展趋势。

一种方法是否适合于特定应用，即实验室结果是否与户外曝露结果或实际使用过程中发生的破坏相关，取决于多种因素，如材料本身，选作评估的性能，以及在户外或真实世界曝露中的实际条件。

1 概述

在开发和生产过程中的每一步都要进行耐候试验。在原材料质量检验和新材料的开发（比如汽车内饰塑料件或改性涂料系统）过程中，都需要进行大量测试。最后，组件、完整原型以及整车也离不开耐候测试，以便了解在太阳辐照、热量和水的影响下，所有组件之间的相互作用。

用于汽车内外饰实验室耐候测试的设备可分为几种类型，比如：

● 光源种类，有氙弧灯、金属卤素灯、紫外荧光灯或碳弧灯；

● 仪器结构，有样架围绕光源旋转的转鼓式（图1），也有静态平面放样的平板式（图2）；

图1 Atlas Ci4400氙灯老化箱及其转鼓式样架结构Figure 1 Atlas Ci4400 xenon lamp aging chamber and its drum pattern frame structure

图2 Atlas Suntest XXL+氙灯老化箱及其平板样架结构Figure 2 Atlas Suntest XXL+xenon lamp aging chamber andits flat sample frame structure

● 仪器尺寸和放样量，有台式、立柜式、步入式、甚至驶入式［1］。

用于户外试验的样品架也有各种类型，不同倾斜度、不同背板（带或不带胶合板或“黑箱”背板），有无玻璃盖板等。菲涅耳反光镜用于将阳光聚焦到样品上，这种方法需要有效的样品冷却。借助传感器和机械驱动装置，可使用开放式样架，玻璃后曝露箱，以及可跟踪太阳轨迹以使测试期间辐照曝露最大化的菲涅尔太阳聚光装置（图3）。某些装置，比如玻璃盖IP/DP箱（仪表板/门板箱），使用内置风扇和加热器将温度控制在特定范围内。菲涅耳装置也可配备喷淋系统，在白天曝露或夜间湿润期间以固定时间间隔工作。

图3 太阳追踪菲涅尔聚光装置（10片反射镜带喷淋，左图） 样品装载于目标区域（右图）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

对于整车曝露，可使用转台来跟踪太阳光（图4）。使用人造光源进行夜间曝露还不是一种可行的测试方法，但一些汽车主机厂采用每半年将样车从北半球移到南半球，再移回来的办法，可以在一年中利用2个夏季。当然，在选定的曝晒地点观测到的特定气候条件对气候老化结果起着至关重要的作用。比如，亚利桑那州和卡拉哈里州气候炎热干燥（“干旱气候”），南佛罗里达州温暖潮湿（“亚热带气候”），而佛罗里达州北部的杰克逊维尔以严重的工业空气污染而闻名。图5显示了位于佛罗里达州南部的亚太拉斯户外曝晒场。Hardcastle和Searle发表在《塑料和涂料》［2］中的文章详细描述了各种户外气候老化试验方法。

图4 太阳追踪转台测量汽车内饰件表面温度（可持续太阳追踪并定位车辆与太阳于不同的角度，可测量所有表面的最大表面温度）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）

图5 位于南佛罗里达州亚太拉斯户外曝晒场Figure 5 The outdoor exposure field of Asia Pacific Lasse located in South Florida

汽车行业重要的实验室和户外老化方法一览表见表1。按其在材料、组件和整车上的应用排列，并按车辆内外饰进行划分。

表1 最重要的实验室和户外老化方法一览表Table 1 List of the most important laboratory and outdoor aging methods

汽车行业常用的重要标准一览表见表2。表中不包括各主机厂标准。

表2 汽车行业常用测试标准一览表Table 2 List of common test standards in automotive industry

2 塑料和涂料的氙灯基本标准

ISO有2个系列的标准，一个是塑料标准，另一个是涂料标准，它们是许多其它测试方法的依据。这2个系列标准广泛应用于全球汽车行业。ASTM G151（一般要求）和G155（氙灯暴露）2个标准的架构与ISO系列标准类似。

ISO 4892-2《塑料-实验室光源暴露试验方法-第2部分：氙弧灯》［3］、ISO 16474-2《色漆和清漆-实验室光源暴露试验方法-第2部分：氙弧灯》［4］，以及ASTM G155《非金属材料在氙灯设备中进行暴露试验的标准操作程序》［5］，所有试验选项都编写在由若干“循环”组成的表格中，这些选项均取决于测试材料的最终用途以及用于测试的仪器配置。在最新修订版本中，修订过程十分谨慎，以确保ISO标准中的测试参数尽可能相似，2个文件不会相互矛盾。

这些标准中推荐的循环通常要求控制主要的老化试验参数：

● 辐照度（E）

● 黑标温度/黑板温度（BST/BPT）

● 箱体温度（CHT）

● 相对湿度（RH）

此外，标准中还详细说明了周期性喷淋、光照/黑暗循环以及每个循环中各阶段的测试时间。大多数汽车内外饰氙灯试验方法都基于并参考这些基本测试规范中的至少1种。

3 汽车内饰材料的实验室测试

“高温耐光色牢度测试”是1种将相对较高的温度与过滤后的氙灯发出的辐射相结合的暴露方法。这些汽车内饰测试中的“高温”意味着什么？例如，在ISO 105-B02［6］中指定了“正常”的黑色标准温度（BST），典型内饰应用的最高温度为47 ℃（对于黑板温度，最高为45 ℃），在ISO 4892-2和ISO 16474-2中，典型的室外应用为65 ℃。但是，在炎热的夏天，汽车内饰实测到的表面温度要高得多，经常超过100 ℃。因此，汽车内饰材料通常使用特殊的高温耐光色牢度测试方法，以更好地模拟这些极端条件。大多数内饰测试规范都使用所谓的“窗玻璃过滤”氙弧辐射来模拟车舱内玻璃的太阳辐射。

汽车内饰最常用的测试方法有 ISO 105-B06［7］（类似于德国汽车规范VDA 75202），用于塑料的ISO 4892-2循环3，用于涂料的ISO 16474-2循环3，日本汽车标准JASO M346，以及来自美国汽车工程师学会的SAE J 2412［8］（原SAE J 1885）。ISO 105-B06包括几种不同的测试条件，部分与这些其他规范相同。表3汇总了这些常规高温耐光色牢度测试方法的参数。

表3 高温耐光色牢度测试方法的参数Table 3 Parameters of color fastness test method at high temperature

由表3可见，不同高温耐光色牢度测试方法之间的区别之一是暗阶段的应用。标准SAE J 2412和FLTM BO 116-01要求光照/黑暗循环。相比之下，大多数其他测试方法则采用持续光照。

样品背板类型对测试结果影响极大，在高温耐光色牢度测试中经常会导致错误。现有标准和公司规范在这个问题的处理上并没有统一。因此，在比较结果时，如果测试方法中没有明确规定，样品背板的类型（金属、纸板、无纺布）应达成一致并进行报告。

大多数欧洲、美国、日本、韩国和中国的OEM（原始设备制造商）规范均引用上述测试方法之一。然而，它们一般会对滤镜、样品的安装和处理、仪器类型和其它测试细节提出额外要求。通常，它们还会定义最小暴露量之后可接受的性能变化，这些细节从主机厂获得。

为便于参考，表4列出了汽车内饰测试的一些公司规范，这些规范均基于表3中的基本标准。

表4 汽车内饰测试规范Table 4 Automotive interior test specifications

4 汽车外饰材料的实验室氙灯测试

汽车外饰材料最常见的通用测试方法见表5。

表5 汽车外饰材料常见的测试方法Table 5 Common test methods of automobile exterior trim materials

多年来，德国汽车工业一直采用VDA（德国汽车工业协会）汽车涂层准则第621-429号“颜色稳定性”和第621-430号“抗裂性”标准，这两个准则代表了SAE J 1960在20世纪90年代对德国测试环境的“适应”。虽然VDA从未正式发布过这两个草案，但这两个准则均基于广泛的研究结果，在当时使用的涂层系统上证实了与佛罗里达暴露的相关性。

现 在ISO 16474-2循 环1（与ISO 4892-2循 环1一致）和SAE J 2527（基于性能的SAE J 1960更新版）已成为汽车主机厂在其外部涂层和材料测试规范中最常引用的测试方法。ISO 16474-2循环1是1个2 h的试验循环，包括102 min的干燥阶段和18 min的喷淋阶段，持续光照。SAE J 2527［9］使用了更复杂的3 h循环，包括光照/黑暗和干燥/喷淋阶段，如表6所示。

与内饰材料一样，标准的采用通常包括改进或调整测试参数，例如喷淋/干燥循环。具体细节可从主机厂获得。

应注意的是，J 2527和J 2412这两个SAE标准要求所有测试设备须按SAE J 2413“验收规程”进行应用验证。

5 当前标准的发展趋势

美国汽车耐候测试标准SAE J 2527的1个特点是由4个阶段组成，包括在黑暗阶段同时在样品的正面和背面喷水1 h（表6）。然而这种相对较长的黑暗阶段并不能模拟许多涂层系统在南佛罗里达夜晚长时间结露（冷凝）形成过程中所吸收的水分。此外标准指定的滤镜组合（无论是扩展紫外还是传统日光滤镜）并不能总是产生与自然曝晒相同的化学变化。

表6 SAE J 2527测试循环Table 6 SAE J 2527 test cycle

经过超过10 a的开发工作，由汽车主机厂、汽车涂料供应商和耐候老化仪器制造商联合开发的一个新的测试方法ASTM D 7869已经发布了。这是一个复杂的、多阶段的、24 h为一循环周期的测试方法，可以更好地复制南佛罗里达的暴露（表7）。此外该测试方法对光谱辐照度有非常严格的要求，要求滤镜的紫外截止波长与自然日光峰值时的紫外截止波长几乎相同，如图6所示。

图6 传统硼硅/硼硅日光滤镜、SAE J 2527扩展紫外滤镜以及ASTM D 7869滤镜的紫外光谱能量分布与参考太阳辐射光谱进行比较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测试循环Table 7 ASTM D 7869 test cycle

长达4 h的黑暗喷淋阶段可以让涂层吸收与自然暴露相同分量的水。“过渡”阶段（2，4，7）允许样板逐渐变干和变热，就像在现实世界中通常发生的那样。更长的高辐照度阶段（3，8）比传统的氙灯老化测试提供更高的加速度。第6～9阶段的子周期模拟昼夜循环和阶段性降雨，涂层在此达不到第1阶段完全吸水饱和。ASTM D 7869附录详细描述了每个阶段的目的和理由。测试开发工作和相关数据可以在参考文献［10］中找到。

6 在更高的辐照强度下测试

一些重要国际标准（如ISO 4892-2，ISO 16474-2，ISO 105-b06）及许多国家标准（如JASO M346，JASO M351，VDA 75202）允许采用3倍于最大地表太阳辐射强度的紫外辐射，通常指3×60=180 W/m2的紫外辐射。虽然这一发展主要基于日本的倡议，但其他几个国家也在审查这一概念。在德国高辐照与高温已成功应用于汽车内饰的各种聚合物和纺织品的耐光性测试［11-12］。这种加速测试方法必须非常小心地应用在每一个实例中，并且必须根据被测试的具体材料和性能进行调整。高辐照可能会引起在正常条件下不会发生的光化学反应。若要将高辐照试验获得的结果与正常水平试验获得的结果进行比较，则所有其他试验参数，即光谱能量分布、黑板或黑标温度、箱体温度和相对湿度必须相同。

7 优化紫外截止点

基本上在SAE测试方法中，加速老化测试是通过利用短波长氙弧辐射来实现的，而这种辐射在户外自然太阳辐射中并没有。“最初”的SAE汽车内外饰材料标准SAE J 1885和J 1960明确规定使用石英/硼硅酸盐滤镜系统。通常认为户外日光的紫外截止点是295 nm，而该滤镜系统的紫外截止点在约275 nm，氙灯辐射经其滤光后含有高得不切实际的紫外线部分。由此被称为“扩展紫外”。

SAE J 1885和J 1960已经被更新的基于性能的标准所取代。SAE J 2527汽车外饰氙灯老化标准允许使用更接近实际的日光滤镜（通常称为硼硅/硼硅滤镜组合），而相对应的SAE J 2412汽车内饰氙灯老化标准则没有这样做。相反在过去数年中，主要的汽车制造商已经根据SAE J 2412开发了自己的汽车内饰材料规范，使用了比标准规定的更符合实际情况的UV截止波长，如335 nm，这更能代表真实的汽车玻璃类型［13］。

与自然太阳辐射相比，SAE J 2527所使用的日光滤镜仍然允许更多的短波紫外线辐射。对于外饰件材料，ASTM D 7869的光谱要求更加严格，要求对峰值自然阳光在295 nm进行精确截止。

8 结语

大多数汽车内外饰耐光和耐候测试方法是基于一些得到认可的通用测试标准。最近的趋势表明，对加速试验方法的需求增加了，同时要求方法更可靠地再现真实的气候参数，因为这很可能造成更符合实际情况的降解过程。这最终促进了测试技术和新的测试方法更好的发展。预计未来氙灯老化标准将继续朝着更符合实际测试情况的方向发展，并且将被更多的汽车厂商采用。