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发表于 2020-8-31 11:50:48 | 显示全部楼层 |阅读模式
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【汽车材料网】汽车外饰用耐候PC材料的开发及应用
于慧杰1 唐洪宇1 王晶2 王凯2 林树栋1
(1.一汽-大众汽车有限公司,长春 130011;2.上海聚威工程塑料有限公司,上海 201612)
摘要:汽车外饰灯具用PC材料通常还需在表面喷涂一层UV漆,以提高零件表面的耐光性能及耐磨性能。但对于结构设计复杂的灯具,工艺上无法实现UV喷涂,这就对灯具材料提出了更高的要求。为解决这类灯具对材料的要求,保证产品性能及工艺可实施性,开发了应用于汽车外部灯具的免喷涂、透明改性聚碳酸酯材料。介绍了材料开发机理及改性制备方法,该材料通过了全面的实验验证,并已成功应用。
关键词:汽车外部灯具面罩 大气曝晒 雾度 光老化试验

1 前言
聚碳酸酯(PC)是一种综合性能优良的热塑性工程塑料,其电性能优良,吸水率低,透光性好,可见光的透过率可达90%以上,是五大通用工程塑料中唯一具有良好透明性的品种,广泛应用于电子电器、载体、汽车部件、医疗设备、建筑、纺织和包装等领域。
国外PC的早期工业化方法,由于毒性大,污染环境,所以被淘汰,而上世纪90年代绿色环保的非光气法生产工艺迅速发展起来。聚碳酸酯耐弱酸、耐弱碱、耐中性油,不耐紫外光,无色透明,耐热,抗冲击,阻燃,有很高的韧性、很好的光学性能,而主要的性能缺陷是耐划痕性略差,长期暴露于紫外线中会发黄[1]。
汽车外部灯具在使用中直接受到太阳光的照射,所以透明外面罩必须具备优异的耐光性能,不变黄,不龟裂,同时还要保持良好的透光度,且耐刮擦。PC材料虽具有一定程度的耐光性能,但是若要求长时间的户外使用,其耐候性仍然不能满足使用要求;另外,其表面硬度较低,铅笔硬度只有1~2 H等级,在使用过程中容易擦伤,刮花,从而影响透光效果[2],因此在汽车外部灯具外面罩使用传统透明PC材料时,必须在PC外面罩上喷UV漆后才能满足该产品的相应要求[3-4]。但传统PC面罩外喷UV漆这种工艺,存在以下问题。
a.对于可直接喷涂UV漆的面罩,喷涂会导致灯具材料成本的增加以及生产线投资、维护成本及人工成本的增加;
b.对于透明PC材料和其他材料双色注塑成型这种设计,若只在面罩的PC部分喷涂UV漆,UV漆边界难以控制(特别是对于大尺寸、易变形的零件),影响外观效果,且会导致废品率增加;非喷涂部位需遮挡挂具,且对挂具精度要求较高,导致生产成本增加;若面罩和其他部分全部喷涂UV漆,因不同的材料特性,会导致零件的不同材料区域外观、性能差异/缺陷,尤其是长时间使用后差异/缺陷更明显;对其再进行其他工艺处理时,会导致处理后面罩的质量下降,甚至因UV漆的存在,无法实现其他工艺处理,比如对多组份面罩喷涂UV漆后,无法实现局部镀铬。
为解决现有技术问题,开发了耐UV免喷涂PC材料,并对采用该材料的零件进行了反复的实验验证,结果满足产品各项技术要求,最终得以成功应用。该材料的开发应用,给一些有特别装饰、功能设计的产品提供了一个全新的材料解决方案,同时也拓宽了PC材料在外部灯具领域的应用。

2 材料开发部分
开发难点为控制PC的黄变,包括加工过程黄变和长周期使用过程中的光热老化黄变。
开发机理,PC材料长时间暴露于紫外光中,会因光氧化反应而发黄,甚至降解、变脆。这主要是由于PC材料在受到光和氧作用时,会发生弗利斯重排反应和光氧化反应。在老化初期,弗利斯重排反应产生自由基,在有氧条件下,自由基作用于PC链,诱发一系列光氧化反应,如图1所示,光氧化反应的中间产物又继续反应,生成酚、芳酮、酸类产物,使材料黄变。

图1 PC光老化初期的弗利斯重排
另一方面PC极性酯基在水分含量极小时(即使只有0.02%水分),都会发生水解。水解时PC发生构象重排和断链。若同时处在热、氧、光照条件下,生成的产物更为复杂,也会造成PC的黄变、降解、性能劣化[2,5-6]。

2.1 原材料
基础树脂PC,抗UV助剂,主抗氧剂,辅助抗氧剂,加工助剂。
2.2 制备方法
把经过干燥的所有原材料按组成比例混合后,用双螺杆加料器连续均匀加入螺杆直径为35 mm且长径比为36的双螺杆挤出机主机筒中,主机筒分段控制温度,从加料口至机头出口的温度分别为230℃、250℃、300℃、300℃、300℃、290℃、290℃,双螺杆转速为300 r/min,挤出料条经过水槽冷却后切粒得到改性PC组合物产品。
抗UV助剂选择了苯并三唑类及氰基丙烯酸酯类2种抗UV吸收剂,抗氧剂选择了受阻酚类主抗助剂,亚磷酸酯类辅抗助剂,加工助剂选择了酯类助剂。为摸索出最佳配方,确定了3种配方组合。
利用上述改性透明PC组合物注塑好样板,立即放入玻璃干燥器中,在室温放置至少24 h后进行性能测试。
同时,利用上述改性透明PC材料注塑成型为汽车外部灯具外面罩,用于相应的实验。

3 实验验证及结论3.1 实验设备及测试仪器
实验设备名称、生产商、设备型号详见表1。
表1 实验设备信息

对3种配方加工成的样条及零件分别进行实验,表2是各配方的测试结果,表3是各配方加工零件的测试结果。
对以上数据进行分析,相比未改性PC,3种改性配方的材料性能见表2、表3。
表2 3种配方材料样条的测试结果

表3 3种配方加工成零件的测试结果

a.机械性能变化不大,从模量看,几乎一致;
b.热性能变化比较明显,维卡软化点降低了12℃~15℃,但3个配方的维卡很接近;都达到了130℃;
c.从透光率来看,1#配方降低比较明显,2#和3#略有降低,但下降幅度很小;
d.从雾度值看,助剂的加入对雾度值有明显的影响,3#配方最差;
e.从铅笔硬度来看,加入合适的助剂,可以提高改性PC材料的铅笔硬度。
通过对表2中的数据进行分析,结果如下。
a.采用1#和3#配方加工的零件在湿热条件下的光老化试验1 600 h均未出现明显变化,但在干热条件的光老化实验中,1 500 h后均出现了明显变黄现象,因此,进一步的光照实验没有继续进行。
b.采用2#配方加工的零件在湿热条件下的光照实验中1 600 h未出现明显变化,实验继续进行。当实验进行到3 200 h时,出现了轻微的变色;而在干热条件的光老化实验中,1 500 h后也未出现明显变化,实验持续进行,进行到3 000 h时,出现了轻微的变色,同时透明度略有下降。
c.耐刮擦实验是利用模拟洗车的实验装置对样品进行的磨损实验,也叫模拟洗车实验,这项实验通常是针对零件表面的清漆进行的,用以评估清漆耐刮擦的能力。利用这个实验装置对1#和2#配方零件进行了模拟洗车实验,然后对试验后的样品表面测定其雾度Haze,并与实验前的样品表面雾度Haze进行比较,通过雾度值的变化来评估/验证零件表面耐刮划的能力。从测量结果看,1#和2#配方经此实验后雾度的变化都达到了15,可以看出这是一项非常严苛的实验。喷UV漆后大灯灯罩的此项要求为△Haze≤13.3,参考大灯这一要求,并结合目视效果,1#和2#配方的△Haze值可以接受。3#配方由于整体实验结果不理想,未进行此项耐刮擦实验。
d.实验室的光照实验3 000 h或3 200 h对应的UV辐射总量分别是800 MJ/m2和700 MJ/m2,相当于实际上两年干热和湿热极端气候下的UV辐射总量。单纯从UV光的辐射量考虑,相当于进行了两年的大气曝晒实验。在这样的光照条件下,2#配方综合表现最优。但这毕竟还是在实验室进行的加速光老化模拟实验,作为一种全新材料,以往在汽车上并未有应用,所以还需进行真正的大气曝晒实验,以进一步验证其耐候性能。为此,利用2#材料配方,加工成零件,在美国凤凰城和南非的卡拉哈里大气曝晒场分别进行了一个夏天的大气曝晒实验,经过累计两个夏天的大气曝晒,如图2所示,该零件表面未出现目视可见的变化,结果合格。

图2 经过两个夏天的曝晒实验,零件表面未有明显变化
综上,在传统的透明PC材料中添加助剂制备而成的透明改性PC组合物材料,通过控制助剂的含量,在确保该透明改性PC在满足耐阳光照射的同时,又可兼具良好外观及光学性能;通过对材料,零件完整的实验验证,结果满足产品各项性能指标要求。

4 应用
该改性PC组合物可以直接注塑成型,加工成免喷UV漆的车外部灯具面罩,它可以解决现有技术中传统PC面罩外喷UV漆方案的技术弊端,简化了车外部灯具面罩的制作工艺,降低制作成本,并且能够满足更多的零部件工艺改进设计和造型设计需求。目前该材料已在一车型外饰格栅的氛围灯上成功应用。
汽车要承载不同的功能,其外饰的设计在追求新颖美观的同时,也越来越追求个性化。我们可以看到,很多汽车品牌在外装饰上不同位置设计了造型各异的外部灯具,如侧标牌灯,格栅氛围灯等,对于一些结构设计复杂、加工工艺复杂的灯具就可采用该材料,这些灯具造型尺寸可狭长,但不建议太宽,这样就适当规避或弱化了磨损/刮划带来的对透明度的影响,采用该材料既可减少成型工艺的复杂程度,又可降低零件加工成本,为产品设计提供了更多的可能性。


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