高透塑胶材料SAE J2527 氙灯老化测试结果偏离的原因分析及对策

洪城明

（道生天合材料科技（上海）股份有限公司，上海）

引言

随着汽车轻量化和电动化趋势，外饰塑胶材料的应用大幅增加，同时各主机厂对其耐候性能要求也越来越高。目前汽车工业中，实验室氙灯加速老化在多种材料加速光老化技术中属于最先进、也是应用最广泛的测试技术，能快速预测和评估塑胶材料在生命周期的耐侯耐性能[1]。因此规范开展实验室氙灯老化测试，对客观评估塑胶材料耐候性能、推动新材料开发改进以及产品质量控制都有着重要意义。

美国汽车工程学会标准SAE J2527[2]是评估汽车外饰材料氙灯老化性能的主要标准之一。实验室参加了某主机厂组织的依据该标准的氙灯光老化测试比对，样品为具有高透光率的塑胶材料，比对结果显示样品的色差和黄变指标偏离。本文针对试验过程的各影响因素进行分析，确认了造成结果偏离的原因，并开展技术验证，建立长期预防措施。

1 试验原理及结果偏离失效现象

1.1 试验原理

根据外饰材料在室外环境中的昼夜不同光照条件，并结合冷凝、雨淋等湿态条件，SAE J2527 标准从光热水三个环境因素模拟室外环境，标准测试循环步骤如表1。每个测试循环包括4 步阶段，每循环的总辐照能量为3.96 kJ·m-2·nm-1@340nm。

表1 SAE J2527 测试循环步骤

具体测试参数控制要求如表2。

表2 SAE J2527 各步骤的目标参数控制

比对试验采用两组代码分别为Z01 和V02 的高透样品同步开展，试验总辐照剂量为442kJ/m2@340nm，在试验中的94.8 kJ/m2、221.2 kJ/m2、316 kJ/m2、442 kJ/m2四个辐照节点，分别测试样品的色差ΔE 和黄变指数Δb。

1.2 结果偏离失效现象

根据比对统计分析，样品Z01 的色差ΔE 和黄变Δb 均偏大离群[3]，样品V02 虽未离群，但测试值同样呈现偏高趋势。结果表明，样品在试验中产生了过度老化，导致色差ΔE 和黄变Δb 高于正常范围，并且在相同测试条件下，Z01 的老化趋势较V01 更为显著。

2 原因分析

针对试验中可能造成样品色差和黄变指标偏离以及可能引起样品过度老化的因素进行分析。具体分析因素如表3 所示，并逐一进行追溯验证和技术分析。

表3 造成试验结果偏离的可能因素

2.1 氙灯箱运行控制追溯

比对试验采用转鼓水冷型氙灯试验箱，型号为Atlas Ci4400。黑板温度计、辐照度计、箱体温湿度计以及标准氙灯管均为参数控制监测的关键部件，经查校准信息，技术状态均正常。氙灯灯管作为试验光源，是影响辐照度和光谱分布的核心部件，设备所用氙灯灯管有效寿命为2 000 H，经查使用记录，灯管在试验中处于最佳寿命状态。实验室定期进行辐照强度核查，经查相关记录，试验中设备的辐照度核查校正开展有效。

其次检查氙灯箱参数设置及运行状态。根据氙灯箱的运行参数曲线，如图1 所示，试验中的实际参数设置均符合标准要求，参数波动也在正常范围内。

图1 Ci4400 氙灯箱运行SAE J2527 的实测控制曲线

试验中通过对样品喷淋来模拟冷凝及雨淋效应，加速塑胶材料的结构劣化从而加速老化[4]。因此喷淋水质的影响不可忽略，试验采用的喷淋水经反渗透系统去离子化，经送检，水质符合标准要求。具体指标如表4 所示。

表4 喷淋水质指标

试验中采用标准PS 质控板（批次Lot9）监测设备总体运行状态，每周按规定辐照剂量取出PS 质控板并测量黄变值Δb，经对比其黄变值参考范围，如图2，可以判断氙灯箱在试验中的总体运行符合要求。

图2 试验中PS 质控板实际黄变与参考黄变Δb

2.2 颜色测试方法确认

试验中样品的色差ΔE 及黄变Δb 通过分光测色计测量，型号为柯尼卡美能达CM-2500d，SAE J2527 中颜色测试参数见表5，经确认，试验参数选择符合要求。实施比对的试验员具备主机厂认可资质，经考察确认，各操作步骤均符合作业规范及标准要求。

表5 标准参数要求

另外，测试颜色时，针对透明试验样品，应在样品下方用标准白板或等同物质作为一致的测试背景。实际试验中，组织方统一提供了淡黄色非荧光卡纸作为背景色。

综上分析，氙灯箱实际运行控制以及颜色的测试方法均符合要求。

2.3 样品因素

首先分析试验样品Z01 和V02 的具体材质，采用FTIR 进行红外分析，仪器型号为ThermoFisher Nicolet iS-5，分析谱图如图3、图4 所示。

图3 Z01 样品的FTIR 谱图

图4 V02 样品的FTIR 谱图

经谱图解析，Z01 样品材质为PS，V02 样品材质为PC。将Z01 与PS 质控板进行匹配度分析，如图5，两者的匹配度为100%，因此可得结论，Z01 样品与PS 质控板同材。

图5 Z01 样品与PS 质控板的红外谱图比对

从图6 可见，试验中PS 质控板在各辐照能量点的色差ΔE 和黄变Δb 值始终在Z01 参考偏差范围内，未出现显著偏离。而同材质的Z01 样品的实际色差ΔE 与黄变指数Δb 均显著高于PS 质控板。

图6 质控PS 板实测、Z01 样品实测与Z01 参考色差ΔE 和参考黄变指数Δb 比较

试验中的质控PS 板由样品夹固定后紧靠黑板温度计放置在转鼓架上，样品Z01 和V02 也由样品夹固定后放置在转鼓同一水平位置，因此试样与质控PS 板同光源距离一致。

综上分析，质控PS 板与Z01 样品虽同材，但在相同试验条件下出现了显著结果差异。因此通过比较质控PS板与Z01 样品在试验中的差异点，就可锁定结果偏离原因。

经核对测试操作，最终确认差异点为样品的装夹方式。试验中，试验员根据常规操作，在样品背部安装了铝制背板，而质控PS 板则按规范未采用铝制背板。背板的作用是支撑试样及遮挡缺漏部位，而关于背板的使用原则，SAE J2527 中并未明确说明，因此在常规操作中都会使用背板。同类外饰氙灯老化测试标准ASTM G155则指出样品装夹时是否使用背板应根据测试相关方的具体要求而定。

3 验证分析及改进对策

3.1 试验验证分析

在氙灯老化测试中，铝制背板的装夹方式差异对透明塑胶样品老化过程的影响如何形成，对此开展了验证测试和探讨。依据SAE J2527 标准，用质控PS 板作为试样，分别装夹和不装夹铝背板，测试在同一辐照剂量下两者的黄变Δb，结果如图7 所示。

图7 不同夹持方式引起老化的黄变指数Δb 比较

从验证数据得到结论，在同样测试条件下装夹铝背板的PS 板的黄变值Δb 较无背板的样品更高，表明背板的装夹造成样品的老化程度增加，老化速率更快。具体原因是，在装夹背板后，样品背部的空气对流受限，延缓热量释放而导致热量聚集，因此样品实际光热老化速率加剧，老化程度增加，从而引起黄变值数据更大。

两种不同装夹方式的PS 板累计505.6 kJ/m2辐照后，通过DSC 分析两者玻璃化温度（Tg），结果显示，装夹背板的PS 板Tg 为92.3 ℃，未装夹背板的PS 板Tg 为93.3 ℃，Tg 温度的下降表明背板装夹导致老化趋严，同样条件下的分子链降解程度更大。

针对V02 样品数据未离群的现象，从其色差ΔE和黄变Δb 的数据看，也因装夹背板同样呈现数值偏高和老化更严重的趋势。从材料结构角度分析，V02 的PC材质，相比于PS 的脂肪族主链结构，其双酚A 型芳香族主链结构具备更高键能，测试时能经受更高能量光子轰击，同等条件下分子断链更少，老化速率更慢。

3.2 改进对策

根据上述分析结果和验证结论，在氙灯加速测试中，透明塑胶样品虽因结构差异有不同的耐老化性，但总体上相比于常规不透明样品，其黄变和色差效应更易显现，因此针对透明塑胶样品，实验室要求在满足支撑和足够遮挡尺寸的前提下，测试装夹时均不使用背板，避免背板导致散热困难而引起的加速老化效应。

4 结论

本文针对SAE J2527 标准氙灯老化比对试验中的高透塑胶样品结果偏离，开展原因分析，从氙灯箱运行控制、颜色测试、样品三个因素展开进行过程追溯和技术分析，确定了导致结果偏离的原因在于样品装夹时的背板使用。通过试验验证了装夹背板对高透塑胶样品在氙灯老化中的影响机制，即背板促进样品热量积聚从而加速老化，对于高透塑胶材料，黄变和色差效应更易显现。针对高透塑胶材料的氙灯老化试验方法，确认预防措施，即在满足试样支撑和足够遮挡尺寸的前提下均不使用背板，从而提升测试结果的可靠性。