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氙燈老化試驗(yàn)箱中如何實(shí)現(xiàn)SAE J2527汽車(chē)外飾件測(cè)試?

發(fā)布于:2022-07-29

1 背景

在1989年以前,汽車(chē)行業(yè)沒(méi)有一個(gè)專(zhuān)門(mén)的氙燈加速老化測(cè)試方法的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。1989年,汽車(chē)工程協(xié)會(huì)(SAE)發(fā)布了J1960“水冷式氙燈汽車(chē)外飾件加速暴露測(cè)試”和SAE J1885“水冷式氙燈汽車(chē)內(nèi)飾件加速暴露測(cè)試”兩項(xiàng)汽車(chē)材料耐候性測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)。

當(dāng)時(shí),SAE J1960和J1885有利于汽車(chē)制造商統(tǒng)一測(cè)試條件。但是,這些老化測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)基于特定型號(hào)的設(shè)備構(gòu)造,指定了某生產(chǎn)商的兩種型號(hào)設(shè)備。標(biāo)準(zhǔn)指定設(shè)備的要求產(chǎn)生了兩個(gè)主要的后果:a.阻礙了技術(shù)發(fā)展,使得設(shè)備制造商沒(méi)有積極性去開(kāi)發(fā)、生產(chǎn)更精確或更符合實(shí)際條件的老化試驗(yàn)箱:b.形成壟斷,導(dǎo)致測(cè)試設(shè)備價(jià)格與運(yùn)行成本高昂。

汽車(chē)工業(yè)在許多領(lǐng)域引領(lǐng)世界,但在采用以性能為基礎(chǔ)的老化測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)方面卻很滯后。在20世紀(jì)90年代后期,SAE協(xié)會(huì)開(kāi)始認(rèn)識(shí)到老化測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)中這一缺陷,最終發(fā)布了以下3個(gè)新的老化標(biāo)準(zhǔn)。

SAE J2527“氙燈汽車(chē)外飾件加速暴露測(cè)試”,是一個(gè)以性能為基礎(chǔ)的標(biāo)準(zhǔn),取代J1960,2003年10月發(fā)布。

SAE J2412“氙燈汽車(chē)內(nèi)飾件加速暴露測(cè)試”,也是一個(gè)以性能為基礎(chǔ)的標(biāo)準(zhǔn),取代J1885,2004年2月發(fā)布。

SAE J2413“檢驗(yàn)新的氙燈測(cè)試設(shè)備性能的方法”,一種驗(yàn)證氙燈老化設(shè)備能否運(yùn)行某一指定的加速暴露測(cè)試程序的方法,于2003年12月發(fā)布。

新的以性能為基礎(chǔ)的老化標(biāo)準(zhǔn)和舊的以硬件為基礎(chǔ)的標(biāo)準(zhǔn)之間的主要差別是,刪除了所有指定生產(chǎn)商的內(nèi)容,測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)中涉及到生產(chǎn)商商標(biāo)名稱(chēng)的部分被通用的定義所取代。

改變之一是,測(cè)試中所用的光學(xué)過(guò)濾器已被重新定義。舊的以硬件為基礎(chǔ)的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)中,其光學(xué)過(guò)濾器要求“石英內(nèi)過(guò)濾器和S型硼硅玻璃外過(guò)濾器”。測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)中指定使用某一商標(biāo)名稱(chēng)的過(guò)濾器可能使得購(gòu)買(mǎi)過(guò)濾器更容易,但是它沒(méi)有描述特殊型號(hào)過(guò)濾器產(chǎn)生的光譜。在新的以性能為基礎(chǔ)的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)中,光學(xué)過(guò)濾器的商標(biāo)名稱(chēng)被刪除,取而代之的是對(duì)所需光譜功率分布(SPD)的敘述。

在發(fā)布這3個(gè)新的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)之前。2002年初,克萊斯勒、巴斯夫和Q-Lab公司共同開(kāi)發(fā)了一個(gè)測(cè)試方案,以驗(yàn)證新的以性能為基礎(chǔ)的SAE材料加速老化測(cè)試方法。對(duì)兩種試驗(yàn)箱按照SAE J2413驗(yàn)證方法進(jìn)行試驗(yàn),比較測(cè)試結(jié)果,得到關(guān)于兩種類(lèi)型試驗(yàn)箱的比較數(shù)據(jù)。兩種試驗(yàn)箱是依照J(rèn)1960運(yùn)行的轉(zhuǎn)鼓式試驗(yàn)箱(Ci65A型)和依照J(rèn)2527運(yùn)行的平板式試驗(yàn)箱(Q-SUN Xe-3-HS型)。

2001年7月,Ci65A停產(chǎn)后,這個(gè)驗(yàn)證的重要性變得更加明顯。因?yàn)镃i65A已經(jīng)停產(chǎn),行業(yè)中不再能購(gòu)買(mǎi)到任何符合舊的、以硬件為基礎(chǔ)的SAE測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)的氙燈老化試驗(yàn)箱。

2 設(shè)備

以前,多數(shù)氙燈試驗(yàn)箱內(nèi)在中間位置安裝一根燈管,樣品安裝在一個(gè)圓柱形的樣品架上,樣品架?chē)@著燈管旋轉(zhuǎn)(見(jiàn)圖1),這個(gè)構(gòu)造通常被稱(chēng)作“轉(zhuǎn)鼓”系統(tǒng)。最近引進(jìn)的氙燈試驗(yàn)箱包含了一個(gè)靜止的、平板樣品架系統(tǒng)(見(jiàn)圖2)。 

圖1典型的轉(zhuǎn)鼓式樣品架示意圖圖2典型的靜態(tài)(平板)樣品架示意圖

兩種類(lèi)型試驗(yàn)箱的設(shè)計(jì)目標(biāo)之一,是在整個(gè)測(cè)試箱內(nèi)產(chǎn)生均勻的輻照度、溫度和濕度分布。實(shí)際上,完全的均勻性是不可能的,為了補(bǔ)償這一點(diǎn),在測(cè)試期間,調(diào)整所測(cè)樣品位置(自動(dòng)或手動(dòng)),以提高均勻性。轉(zhuǎn)鼓式樣品架在一維的水平方向上圍繞著燈管自動(dòng)地改變位置,但不能補(bǔ)償垂直方向上輻照度、溫度和濕度的不均勻性。

3 試驗(yàn)

為了驗(yàn)證新的以性能為基礎(chǔ)的老化標(biāo)準(zhǔn),兩種試驗(yàn)箱依照SAE J2413中詳述的步驟進(jìn)行操作。這個(gè)新的測(cè)試方法用于檢驗(yàn)氙燈老化試驗(yàn)箱運(yùn)行SAE J2412和SAE J2527方法的可靠性。老化試驗(yàn)箱可靠性的驗(yàn)證通過(guò)幾種技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

首先,必須證明老化試驗(yàn)箱能夠符合指定的試驗(yàn)條件。此項(xiàng)研究中,J2413使用了J2527的試驗(yàn)條件。圖3顯示了一臺(tái)Atlas Ci65A的實(shí)際試驗(yàn)參數(shù)變化,而圖4顯示了Q-LAB Xe-3-HS的實(shí)際試驗(yàn)參數(shù)變化。粗線代表設(shè)定值,細(xì)線表示在老化箱內(nèi)所測(cè)的實(shí)際值。

圖3 Atlas Cie65A運(yùn)行SAEJ2527標(biāo)準(zhǔn)(汽車(chē)外飾件標(biāo)準(zhǔn))

圖4Q-LabQ-Sun Xe-3-HS運(yùn)行SAEJ2527標(biāo)準(zhǔn)(汽車(chē)外飾件標(biāo)準(zhǔn))

其次,需證明老化試驗(yàn)箱中的標(biāo)準(zhǔn)參考材料的降解特性符合預(yù)期,重復(fù)性和再現(xiàn)性都必須達(dá)到要求。重復(fù)性指在同一試驗(yàn)箱中運(yùn)行多次,多次運(yùn)行中標(biāo)準(zhǔn)參考材料降解程度的相同性。再現(xiàn)性是指在多個(gè)試驗(yàn)箱中運(yùn)行同一測(cè)試,不同設(shè)備中標(biāo)準(zhǔn)參考材料降解程度的相同性。在這一試驗(yàn)中四,使用聚苯乙烯薄片作為標(biāo)準(zhǔn)參考材料。聚苯乙烯薄片被SAE用作標(biāo)準(zhǔn)參考材料,關(guān)于其降解特性和誤差,SAE標(biāo)準(zhǔn)材料委員會(huì)有詳細(xì)說(shuō)明。此次試驗(yàn)使用了第6批(Iot.6)聚苯乙烯薄片,來(lái)驗(yàn)證設(shè)備的重復(fù)性和再現(xiàn)性。

圖5和圖6分別提供了論證Atlas Ci65A和Q-SUN Xe-3-HS的重復(fù)性的數(shù)據(jù)。

圖5證實(shí)C65A的重復(fù)性的試驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖6證實(shí)Q-Sun Xe-3-HS的重復(fù)性的試驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖7和圖8提供了論證3個(gè)Atlas Ci65A和3個(gè)Q-SUN Xe-3-HS試驗(yàn)箱的再現(xiàn)性的數(shù)據(jù)。非常明顯地,兩種試驗(yàn)箱都能夠滿(mǎn)足J2413的要求。

圖7證實(shí)Ci65A的再現(xiàn)性的試驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖8證實(shí)Q-Sun Xe-3-HS的再現(xiàn)性的試驗(yàn)數(shù)據(jù)

SAE J2413的最后要求內(nèi)容中,要求氙燈老化試驗(yàn)箱的生產(chǎn)商能夠證明試驗(yàn)箱內(nèi)的均勻性。箱體內(nèi)均勻性的完整比較試驗(yàn)已經(jīng)完成,并于2003年在捷克布拉格舉行的第一屆歐洲老化會(huì)議上公布了試驗(yàn)結(jié)果。由Fedor等人撰寫(xiě)的論文“氙燈試驗(yàn)箱內(nèi)的均勻性(旋轉(zhuǎn)式和平板式樣品架之間的比較)”,針對(duì)多種標(biāo)準(zhǔn)參考材料,做了大量試驗(yàn),并給出了測(cè)試結(jié)果分析,是迄今為止最為全面的試驗(yàn)箱內(nèi)均勻性研究。

與此次研究相關(guān)的是,通過(guò)運(yùn)行SAE J2527標(biāo)準(zhǔn)來(lái)考察Ci65A和Q-SUN Xe-3-HS的均勻性。在他們的試驗(yàn)中,在Ci65A中安裝了9個(gè)聚苯乙烯標(biāo)準(zhǔn)參考薄片的試樣,而在Q-SUN Xe-3-HS中安裝了48個(gè)試樣。每天測(cè)量顏色變化,并且記錄Delta b*的數(shù)值。均勻性用變異系數(shù)的±2倍來(lái)表示,變異系數(shù)為標(biāo)準(zhǔn)偏差除以平均值。

他們的試驗(yàn)顯示了旋轉(zhuǎn)式氙燈設(shè)備的均勻性范圍從±3%到±13%,而平板式氙燈設(shè)備的均勻性范圍從±3%到±8%。運(yùn)行SAE J2527時(shí),Ci65A的均勻性是±3%、Xe-3-HS的是±5%。

需要注意的是,均勻性值包含了標(biāo)準(zhǔn)參考材料本身的差異和測(cè)量誤差。

4 性能基準(zhǔn)

論證不同構(gòu)造的氙燈老化設(shè)備能否產(chǎn)生相同的試驗(yàn)環(huán)境條件,是運(yùn)行以性能為基礎(chǔ)的標(biāo)準(zhǔn)的第一步。下一個(gè)問(wèn)題是如何比較不同設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的老化設(shè)備。一系列試驗(yàn)試圖來(lái)探索這些不同的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)是否會(huì)影響測(cè)試結(jié)果。

克萊斯勒選擇了37種材料,按照SAE J1960和J2527進(jìn)行測(cè)試。每種樣品測(cè)試2個(gè)重復(fù)試樣,共148個(gè)試樣。這些材料包括:ASA.PP/PA化合物、ABS、SMC、PET、PP、PA、ASA/ABS共擠材料、TPO及鋼板涂層。

該測(cè)試評(píng)估在巴斯夫汽車(chē)研發(fā)中心進(jìn)行,該中心位于美國(guó)的Southfield MI。Southfield巴斯夫是1S017025認(rèn)證實(shí)驗(yàn)室,此認(rèn)證包括符合SAE J1960和J2527標(biāo)準(zhǔn)的要求。

樣品暴露總周期為2500KJ.每隔500KJ對(duì)顏色和光澤進(jìn)行評(píng)估。

結(jié)果顯示,對(duì)于大多數(shù)材料,平板式和轉(zhuǎn)鼓式設(shè)備給出了可比較的結(jié)果,如圖9和圖10所示。

圖9#16PPet.綠色薄片測(cè)試1

圖10#10SMC塑料涂層測(cè)試1

有兩種材料給出了不同的結(jié)果,如圖11和圖12所示。 

圖11#6 ABS Int..顏色等級(jí)測(cè)試1 和圖12 #2 ASA測(cè)試1

當(dāng)用儀器測(cè)量(顏色和光澤)時(shí),大多數(shù)樣品顯示了相似的降解特性,而目測(cè)時(shí)個(gè)別樣品顯示了有差異的降解性能。這主要體現(xiàn)在一些塑料樣品表面出現(xiàn)的變形程度,平板式樣品架上樣品的變形比轉(zhuǎn)鼓式樣品架上樣品的變形更大、更明顯。

5 系統(tǒng)修正

以性能為基礎(chǔ)的第一輪測(cè)試的結(jié)果基本證明兩種設(shè)備可以產(chǎn)生相同的試驗(yàn)環(huán)境條件。但是,有必要查清有些結(jié)果不完全一致的原因。

因此,研究小組著手辨別這兩種老化設(shè)備的不同之處,列舉了一些可能導(dǎo)致試驗(yàn)結(jié)果差異的原因。

首先研究了溫度。詳細(xì)檢查了黑板溫度計(jì)的結(jié)構(gòu)和位置。轉(zhuǎn)鼓式試驗(yàn)箱安裝了黑色涂層鋼板,平板試驗(yàn)箱安裝了陽(yáng)極氧化鋁黑板。這兩種類(lèi)型的黑板都能精確地測(cè)量溫度,試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),它們加熱和冷卻的速率不同。由于該研究的主要目的是使平板式試驗(yàn)箱提供的結(jié)果與轉(zhuǎn)鼓式試驗(yàn)箱的相似性(而不是考慮與戶(hù)外測(cè)試結(jié)果的相關(guān)性),因此,使用與轉(zhuǎn)鼓式結(jié)構(gòu)相似的黑色涂層鋼板溫度探頭來(lái)改進(jìn)平板式試驗(yàn)箱。

接下來(lái),研究小組開(kāi)始設(shè)法研究個(gè)別樣品發(fā)生變化的情況。研究發(fā)現(xiàn),樣品的實(shí)際條件有時(shí)與試驗(yàn)箱控制器所顯示的條件是不相同的。

需要特別指出的是,在監(jiān)控某一塑料的實(shí)際表面溫度時(shí)發(fā)現(xiàn),它們比黑色涂層鋼板加熱更快,并且溫度可高于設(shè)定值20℃。為了使平板試驗(yàn)箱能像轉(zhuǎn)鼓試驗(yàn)箱那樣作出反應(yīng),其箱體空氣溫度探頭的位置和相對(duì)濕度傳感器的位置被重新安置。

最后檢查水噴淋系統(tǒng)。因?yàn)檗D(zhuǎn)鼓式設(shè)備僅有一個(gè)噴嘴,當(dāng)樣品以1rmin的速率轉(zhuǎn)過(guò)噴嘴時(shí),它們的實(shí)際噴淋時(shí)間每分鐘僅有3~5S。該系統(tǒng)中樣品表面實(shí)際接受到的噴淋水很少,并且由于樣品垂直放置,噴淋水會(huì)很快地從樣板表面流失。

為了模擬這種低潮濕的噴淋環(huán)境,必須修改平板試驗(yàn)箱的實(shí)驗(yàn)程序以減少?lài)娝?。在試?yàn)開(kāi)始時(shí),平板式試驗(yàn)箱每分鐘持續(xù)噴淋20s作為“噴淋時(shí)間”。因?yàn)榇嗽O(shè)置既能較好模擬自然潮濕條件又能節(jié)省儀器運(yùn)行成本,故被選做默認(rèn)設(shè)置。

通過(guò)對(duì)一些易受潮濕和溫度影響的材料進(jìn)行一系列的試驗(yàn),確認(rèn)了為模擬轉(zhuǎn)鼓式試驗(yàn)箱的環(huán)境,在平板試驗(yàn)箱的程序中,將噴淋時(shí)間調(diào)整到每分鐘內(nèi)僅持續(xù)5s時(shí)間。

6 性能基準(zhǔn)一第二輪測(cè)試

隨著對(duì)一些關(guān)鍵系統(tǒng)的徹底研究,并對(duì)一些參數(shù)作適當(dāng)修正,進(jìn)行了以性能為基礎(chǔ)的另一輪測(cè)試。應(yīng)用了早期研究中使用的相同氙燈設(shè)備。新的試驗(yàn)樣品包括12個(gè)樣品,包括上輪試驗(yàn)使用的樣品及另外8種對(duì)溫度和濕度敏感的樣品。

除了在上一輪試驗(yàn)中有目測(cè)差異的涂層尼龍和ASA樹(shù)脂,另外增加了兩種Lurans材料和兩種Ultramids材料,這兩種聚合物都具有高的導(dǎo)熱系數(shù)。最后,增加了另外兩種有涂層的鋼板樣品。

測(cè)試結(jié)果是明顯的。對(duì)于樣品,顏色和光澤的測(cè)量在第一輪測(cè)試和第二輪測(cè)試中保持相似。另外,在第一輪測(cè)試中呈現(xiàn)出差異的樣品,在第二輪測(cè)試中顯示的結(jié)果實(shí)際上是相同的(見(jiàn)圖13和圖14)。值得注意的是,第一輪測(cè)試中的目測(cè)差異被消除了。

圖13和圖14為6號(hào)樣品的初輪和次輪測(cè)試

7 結(jié)論

(1)某些材料的初輪測(cè)試結(jié)果顯示了一些差異。濕度和溫度參數(shù)的研究指出,是試驗(yàn)箱設(shè)計(jì)的差異導(dǎo)致了這些差異。這些設(shè)計(jì)上的差異是由于標(biāo)準(zhǔn)對(duì)曝露條件沒(méi)有進(jìn)行精確描述造成的。

(2)一旦設(shè)計(jì)上的差異得以修改,則結(jié)果就會(huì)一致。

(3)一系列的試驗(yàn)指出,現(xiàn)在以性能為基礎(chǔ)的測(cè)試方法如果經(jīng)過(guò)改進(jìn),對(duì)溫度系統(tǒng)和水噴淋系統(tǒng)進(jìn)行更精確的描述,那么這種測(cè)試方法將被大大改善。

(4)兩種在設(shè)計(jì)上存在很大差異的氙燈老化試驗(yàn)箱(轉(zhuǎn)鼓試驗(yàn)箱和平板試驗(yàn)箱)對(duì)很多汽車(chē)外飾件材料給出了可比較的測(cè)試結(jié)果。這證明以性能為基礎(chǔ)的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)確實(shí)有效。

(5)現(xiàn)在,行業(yè)可以使用新型設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)室老化試驗(yàn)箱,并可以確信,如果標(biāo)準(zhǔn)制定適當(dāng),試驗(yàn)箱生產(chǎn)商能夠證實(shí)其設(shè)備能精確控制關(guān)鍵測(cè)試參數(shù),那么無(wú)論使用什么型號(hào)的氙燈試驗(yàn)箱,使用者都能獲得好的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)組織,如ISO、ASTM和SAE的堅(jiān)持測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)必須以性能為基礎(chǔ)的前瞻性政策是正確的。

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