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发表于 2020-5-7 10:08:53 | 显示全部楼层 |阅读模式

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本帖最后由 jack 于 2020-5-7 10:10 编辑

基于PC/ABS的汽车内饰油漆件性能研究

夏梦阁,徐青华
(上海跃贝新材料科技股份有限公司,上海 201805)
【中国汽车材料网】摘 要:汽车内饰件直接影响乘客对汽车舒适感的判断,油漆件装饰美观,外观颜色和光泽均匀性较好,油漆件的质量控制非常重要,油漆表面开裂、起泡、缩印会严重影响内饰件的美观。文章研究了基于PC/ABS合金的出风口饰框(哑光油漆件和高光油漆件)表面油漆件的性能,特别研究油漆种类对散发类试验(气味评价、雾化冷凝、总碳散发和甲醛测试)的影响规律;对比老化试验(热老化、高温高湿老化、气候交变老化、氙灯老化)前后的划格和刮擦结果;评价两种油漆喷涂的PC/ABS零件表面的耐磨性能和耐化学品性能,为汽车内饰油漆件提供了试验参考和检测依据。
关键词:PC/ABS;油漆件;高光;哑光;性能

1 研究背景

汽车内饰件是指具有一定装饰性及功能性的车内零部件,主要包括塑料件、油漆件、皮革织物和地毯[1,2]。其中油漆件装饰美观,外观颜色和光泽均匀性较好,常见油漆件以丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(ABS)或PC/ABS合金(PC:聚碳酸酯)为基材,是制造汽车仪表板周围部件、车门把手、中央通道装饰板和空调系统配件等汽车零部件的理想原材料[3-5]。

通过喷涂工艺制备的油漆装饰件不但要满足基材自身的性能要求,而且油漆与基材的挥发性有机化合物(VOC)含量、附着力与油漆惰性都是考察的重点,根据油漆的不同又分为哑光油漆、高光油漆、金属油漆等[6]。本文从气味评价、雾化冷凝、总碳散发和甲醛测试四个方面研究了哑光油漆和高光油漆对散发性能的影响规律。供货态、热老化、高温高湿老化、气候交变老化和氙灯老化后喷涂哑光油漆和高光油漆的PC/ABS出风口饰框的表面情况,特别是老化前后的划格和刮擦试验结果,直观反映了模拟条件下样品的状态。本文最后对油漆件的耐磨性能和耐化学品性能进行了详细评价[7-9]。为汽车内饰油漆件新材料开发提供了试验参考和检测依据。


2 实验部分
2.1 原料制备

将64份PC、32份ABS,3份相容剂,0.5份抗氧剂,0.5份色粉经过高速混合机混合均匀,然后通过双螺杆挤出机制备PC/ABS合金材料。其中产品原材料:PC为2800,科思创聚合物(中国)有限公司;ABS:777D,奇美实业股份有限公司;相容剂:2620,陶氏化学;抗氧剂:168/1098,巴斯夫化工有限公司;色粉:市售。生产所用设备为双螺杆挤出机:TSE-65,南京瑞亚挤出机械制造有限公司。对于喷涂油漆的零件,需要先将PC/ABS合金注塑成汽车内饰出风口饰框,然后分别喷涂哑光油漆和高光油漆制备产品,哑光油漆为佩特化工(上海)有限公司提供,高光油漆为美凯威奇涂料公司提供。


2.2 仪器设备

金相显微镜,CDM-806C,上海茶明光学仪器有限公司;多刃刀,5125,BYK;硬度笔,318,Erichsen;气相色谱仪:7890B,Agilent;雾化冷凝仪:Horizon,Thermo Scientific;紫外分光光度计:Lambda 265,PerkinElmer;高温烘箱:FD115,宾德环境试验设备有限公司;环境箱:C4-340,伟思富奇环境试验仪器(太仓)有限公司,氙灯老化仪试验箱:Xenotest Beta+,ATLAS;电动摩擦试验机,GT-7034-AN,高铁检测仪器有限公司。


2.3 性能测试

根据ISO 2808方法分别测试PC/ABS基材表面哑光油漆和高光油漆的厚度,环氧树脂镶嵌小块零件样品后用金相砂纸抛光,在金相显微镜下观察并测量表面油漆厚度。油漆划格试验和刮擦试验参考DIN EN ISO 2409标准。汽车内饰材料中的散发试验包括:气味评价、雾化冷凝、总碳散发和甲醛测试。按照PV3900进行气味试验,雾化冷凝用雾化仪按照PV3015标准进行,内饰件甲醛试验参照PV3925标准进行,总碳散发用气相色谱仪按照PV3341标准检测。热老化试验在高温烘箱中进行,将零件放置在105℃高温烘箱中存放500小时。高温高湿老化试验是将零件放置在90℃,95%R.H.环境箱中存放72小时;气候交变试验在环境箱中进行8周期存放,每周期试验条件:(1)1h从室温(23℃,30% R.H.)升高到80℃,80% R.H.,(2)在80℃,80% R.H.条件下保持4h,(3)2h温度从80℃降低到-40℃,(4)在-40℃保持4h,(5)1h从-40℃升高到23℃,30% R.H.。样品耐光老化性能采用PV1303进行,设定黑标温度100±3℃,箱内温度65±3℃,相对湿度(20±10)%,辐照剂量60W/m2,辐照能量70MJ/m2。耐磨试验按照PV3906进行,将平整的样品固定在电动摩擦试验机上,负载9N,设置摩擦次数。耐试剂的耐磨试验:将纯棉白布浸泡在蒸馏水、0.5Vol%的表面活性剂水溶液,人工汗液A、人工汗液B、含氨和酒精的洗涤剂、洗涤用汽油和甲基化酒精中,完全浸透后放置在摩擦头上开始耐磨试验。其中人工汗液A:0.75Vol%的醋酸溶液;人工汗液B:0.036wt%的氨水和0.5wt%的氯化钠溶液。


3 结果与讨论
3.1 PC/ABS油漆表观性能

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图1 样品油漆厚度


汽车内饰零件的颜色和外观光泽是人们对内饰材料的直观印象,汽车内饰零件必须符合设计图纸和标准要求。PC/ABS基材在完成油漆喷涂后,成品零件表面不允许存在小孔,裂纹,缩痕和其他缺陷,在整个零件表面上应具有均匀的外观,保证颜色和光泽与周围匹配零件一致。其中油漆喷涂厚薄是对零件外观影响较大的因素,成品零件在质量管控中首先也需要根据ISO 2808标准测试漆膜厚度。基于PC/ABS出风口饰框的两种油漆(哑光漆和高光漆)厚度如图1所示,零件中哑光漆的厚度为平均厚度为47.57μm,而高光漆的厚度为平均厚度为30.28μm。

供货态零件表面油漆分布均匀,无气泡和裂纹,根据DIN EN ISO 2409标准进行划格和刮擦试验,可以初步判定哑光漆和高光漆在PC/ABS基材上的附着性。划格实验的等级评价可以分为0级(切割边缘平滑,无一方格脱落)、1级(切口交叉处涂层有少许漆膜分离,受影响划格区域≤5%)、2级(切口边缘或交叉处涂层脱落,5%<受影响划格区域≤15%)、3级(涂层沿着切割边缘,部分或者全部以大碎片脱落,15%<受影响划格区域≤35%)、4级(涂层沿着切割边缘大碎片剥落或一些全部出现脱落,35%<受影响划格区域≤65%)、5级(大于第4级的严重剥落)。喷涂哑光和高光漆的PC/ABS样品的划格后照片如图2(a, c)所示,十字划格破坏了油漆的表面附着,但是不影响未划格的部位,胶带撕下后也没有十字网格中的油漆脱落,评价等级为0级,通常主机厂认可评价为0级或1级的产品为合格产品。漆膜的硬度可通过硬度棒精确地测量和记录,以10N恒定负载在样品表面划直线,测试头会产生一条肉眼可见的划痕,然后用胶带在所划线区域撕下,验证材料的耐刮擦性能。如图2(b, d)所示,刮擦试验后哑光和高光PC/ABS表面的油漆都无油漆开裂发生,按照产品要求,对于供货态的油漆件样品,不允许油漆开裂或脱落。

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图2 样品在供货态下的划格和刮擦试验

3.2 散发试验
[size=0.8em]表1 散发试验结果
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[size=0.8em]&#8195;*设备检出限值:雾化冷凝0.20mg;总碳散发5μgC/g;甲醛试验1.0mg/Kg。

汽车内饰VOC散发越来越受到人们的重视,也是评价汽车好坏的重要指标之一,如表1所示,汽车内饰材料中的散发类试验包括:气味评价、雾化冷凝、总碳散发和甲醛试验。气味评价是根据汽车内饰材料挥发出的物质对人嗅觉照造成的主观影响,将样品放置在1L密闭容器中,在80℃放置2h后,由专业的气味测试人员对容器中由样品散发出来的气味进行等级评价,通常的评级可分为:1级(不能感受到的气味)、2级(可感受到的、无妨碍的气味)、3级(可明显感受到的、但没有妨碍的气味)、4级(有妨碍的气味)、5级(有较大妨碍的气味)、6级(难以忍受的气味)。如表1所示,对于哑光和高光两种零件,哑光零件的气味测试结果约3.8级,大于高光样品的结果3.5级,在PC/ABS基材相同的情况下,可能是因为哑光零件的油漆厚度高于高光零件,油漆用量增加导致。雾化冷凝是模拟可挥发性物质从汽车内饰材料中散发出来,冷凝在车内的玻璃部件上会减弱玻璃的可视度,对行车安全造成影响。哑光样品的雾化冷凝结果为0.38mg,高光样品的雾化冷凝结果为0.28mg,常见样品要求雾化冷凝结果≤2mg,虽然两种样品的结果都是在规定范围内,但是因为哑光油漆厚度增加导致雾化冷凝结果也增加。总碳散发测定从汽车内的非金属材料上排放出的有机化合物含量,以气相色谱法测得的含碳物质总和。哑光样品的总碳散发约87μgC/g,高光样品的总碳散发约38μgC/g,油漆的种类和用量都会影响到总碳的含量,这与气味评价和雾化冷凝结果是一致的。甲醛散发试验为聚合物材料在规定的气候下存放,发散出甲醛的倾向,是用于测定从结构件材料中散发出来的甲醛含量。对于非聚甲醛基材的零件或生产工艺中不含有甲醛物质,其产品很难检测出甲醛,通过散发类试验可以了解产品的生产稳定性。


3.3 耐环境试验
[size=0.8em](a1)哑光样品热老化后划格试验 (b1)哑光样品热老化后刮擦试验 (c1)高光样品热老化后划格试验 (d1)高光样品热老化后刮擦试验 (a2)哑光样品高温高湿老化后划格试验 (b2)哑光样品高温高湿老化后刮擦试验(c2)高光样品高温高湿老化后划格试验 (d2)高光样品高温高湿老化后刮擦试验 (a3)哑光样品气候交变后划格试验 (b3)哑光样品气候交变后刮擦试验(c3)高光样品气候交变后划格试验 (d3)高光样品气候交变后刮擦试验
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[size=0.8em]图3 样品老化后划格和刮擦试验

耐环境试验是模拟汽车内饰件在不同温度、湿度、辐照强度等条件下的老化过程,对于不同基材和装配位置处的汽车内饰件,老化条件也有所区别。汽车内饰出风口饰框对应的老化试验有:(1)热老化;(2)高温高湿老化;(3)气候交变老化;(4)氙灯老化。基于PC/ABS油漆件的出风口饰框,暴露于阳光非直射区域,采取的热老化条件为105℃,500h。高温高湿老化试验模拟极端环境下(如热带雨林)车内油漆表面的腐蚀行为,在90℃,95 %R.H.环境箱中存放72h,研究油漆件表面的腐蚀情况。气候交变试验模拟汽车在苛刻环境下所表现出来的应对温湿度周期性变化的稳定性,零件性能的变化可以通过温度和湿度的变化判断,如连接件或匹配件抗开裂、抗变形和抗松动的能力都将受到削弱。

[size=0.8em]表2 耐环境试验结果汇总
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如图3和表2所示,三种老化条件(热老化、高温高湿老化、气候交变老化)后,PC/ABS基材表面的哑光油漆和高光油漆无破裂、变形,麻点、缩印和起泡,与供货态相比也没有明显变化。三种老化条件后按照划格试验和刮擦试验要求,评价PC/ABS表面油漆的附着情况,哑光和高光样品划格和刮擦试验结果如图3所示,划格试验切割边缘完全平滑,无一方格脱落,评价为0级;刮擦试验样品在一定负荷下基材有轻微压痕,但均无油漆开裂现象,PC/ABS基材表面喷涂的两种油漆都满足热老化、高温高湿老化、气候交变老化试验要求。

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[size=0.8em](a1)哑光对比样品 (a2)哑光样品划格试验 (a3)哑光样品刮擦试验 (b1)高光对比样品 (b2)高光样品划格试验 (b3)高光样品刮擦试验
[size=0.8em]图4 样品在氙灯老化后划格和刮擦试验

通过氙灯老化试验模拟汽车在太阳光下,特别是紫外光谱区域的加速老化过程。将出风口饰框样品裁剪成如图4所示大小,将试样放入氙灯老化试验箱,当辐照强度达到70 MJ/m2时结束试验。试验结束后在D65光源下按照DIN EN20105-A02标准目视评定颜色的改变,与未进行氙灯老化试样(图4,a1和b1)的颜色目视对比。如图4和表2所示,哑光样品和高光样品的试验后零件与供货态相比,其颜色和光泽均无明显变化,目视灰度等级均为4.5级,达到主机厂送样要求。氙灯老化后按照划格试验和刮擦试验要求,判定PC/ABS表面油漆在氙灯老化后的附着情况。如图4所示,对氙灯老化后哑光和高光样品进行十字划格和刮擦试验,切割边缘完全平滑,无一方格脱落,评价为0级;一定负荷下分别喷涂两种油漆的基材有轻微压痕,但均无油漆开裂现象,满足氙灯老化试验后划格和刮擦要求。

3.4 耐磨试验及耐化学品试验
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[size=0.8em](a1)哑光样品100次干态耐磨 (a2)哑光样品100次湿态耐磨 (a3)哑光样品10次化学试剂耐磨 (b1)高光样品100次干态耐磨 (b2)高光样品100次湿态耐磨 (b3)高光样品10次化学试剂耐磨
[size=0.8em]图5 耐磨试验结果

耐磨性能和耐化学品评价与人在车内的活动有关,车内乘客手上的汗液、油脂和污渍都会对车内零件,特别是表面零件(皮纹件、油漆件、覆膜件)的寿命或美观造成影响。耐磨试验包括100次干态耐磨,100次湿态耐磨,10次化学试剂耐磨。如图5所示,对于100次干态和100次湿态样品在磨损后,哑光样品(图5,a1和a2)和高光样品(图5,b1和b2)的涂层结构没有变化,颜色变化和摩擦痕迹在试验后都未出现,摩擦后的样品与供货态条件相比没有明显的变化,根据DIN EN 20105-A03,对比摩擦前后的白色摩擦布,评价摩擦织物灰度等级为4.5级。对于耐化学试剂摩擦,分别用试验介质浸湿的白色摩擦布摩擦10个行程,评估油漆表面及磨擦布灰度等级,试验后哑光样品和高光样品(图5,a3和b3)表面的油漆相比于供货态均无明显变化,同时评价摩擦织物灰度等级为都为4.5级,满足主机厂送样要求。为了评价基于PC/ABS油漆件的耐试剂性能,将六种试剂滴在哑光和高光样品表面,所用试剂与化学试剂耐磨中所用试剂相同。用移液器将0.1 ml的试剂滴在哑光和高光样品表面,持续作用10min后,移至60℃烘箱箱存放0.5h,放置24h后评价哑光和高光样品表面,液滴试验是长时间在高温下考察油漆表面的化学惰性,哑光样品和高光样品在液滴试验后的表面没有油漆脱落、起泡、缩印等现象,试验后油漆表面相比于供货态均无明显改变。


4 结论

汽车内饰件直接影响乘客对汽车舒适感的判断,油漆件装饰美观,外观颜色和光泽均匀性较好,油漆表面开裂、起泡、缩印会严重影响内饰件的美观,所以油漆件的质量控制非常重要。本文基于哑光油漆和高光油漆的PC/ABS出风口饰框,测试了表面油漆厚度和油漆的附着性,研究了油漆种类对散发类试验(气味评价、雾化冷凝、总碳散发和甲醛测试)的影响规律,由于哑光油漆用量高于高光油漆,所以哑光样品的气味评价、雾化冷凝、总碳散发结果都高于高光样品。汽车内饰出风口饰框对应的老化试验有:热老化、高温高湿老化、气候交变老化、氙灯老化,在不同老化条件后,哑光样品和高光样品表面油漆均无破裂、气泡和变形,相对于供货态都无明显变化;经过划格试验,油漆表面无脱落,都评价为0级;刮擦试验后也无油漆开裂现象,PC/ABS基材表面喷涂的两种油漆都满足老化试验要求。最后对油漆件的耐磨性能和耐化学品性能进行了评价,分为100次干态耐磨、100次湿态耐磨、10次化学试剂耐磨和六种液滴试验,基于PC/ABS的哑光油漆和高光油漆样品表面摩擦后,涂料结构和颜色都没有变化,对比摩擦前后的白色摩擦布,评价摩擦织物灰度等级为4.5级。基于本配方生产的PC/ABS的哑光样品和高光样品能够满足汽车内饰油漆件的附着性能、环境老化性能、耐磨和耐刮擦性能和化学试剂稳定性,为汽车内饰油漆件提供了试验参考和检测依据。


5 致谢

感谢上海张江国家自主创新示范区专项发展资金重点项目201705-JD-C1085-037对本研究的支持。


参考文献

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