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车用密封条光照老化性能测试实验

密封条是乘用车重要的零件之一,它集配合、功能、外观于一身,动态与静态兼顾,除具有防尘、防水等密封作用外,还能在车身轻微振动时有效防止玻璃摇动,同时使车身部位得到缓冲,有效提高车身使用寿命,为乘客提供清洁和安静的乘车环境。乘用车密封条由于暴露在自然环境中,受阳光照射(紫外线)、高热(夏季要承受80℃以上高温)、氧、臭氧和湿热等多种因素的作用而易发生老化。如果密封条发生老化破损,不仅会直接导致车厢出现漏水现象,而且还会加大风噪,严重的会引起车身锈蚀。因此,在实际的应用环境和性能要求中,对密封条的耐候、耐光照老化的要求较高。目前密封条企业以及各大主机厂在开发新车型的过程中,逐渐加大了对密封条的试验投入,除必要的室内人工加速氙灯老化试验外,还投入巨资进行整车大气暴露试验。

汽车密封条光照老化的主要失效模式为表面开裂、喷霜、粉化及颜色变化等,这些失效可能会导致顾客投诉,甚至召回。所以探讨影响密封条光照老化性能的因素非常必要。

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乘用车密封条生产工艺

密封条的主要生产工艺过程为:配料→炼胶→挤出→硫化→后加工等。其中,配料的配方是密封条供应商赖以生存的基础,即使是同一种密封条,各供应商的配料也不同,成分和用量更不相同,配料中石蜡油沸点的高低、碳酸钙含量的多少等很大程度上决定了密封条成品的耐光照老化性能。硫化是密封条生产中的另一个重要工艺,硫化过程为:预热→微波硫化→烘烤→冷却。在硫化过程中,需要控制温度、速度和压力等三大因素,因硫化温度升高虽然可加快硫化速度,提高生产效率,但同时也会引起橡胶分子链裂解和硫化还原,导致胶料力学性能下降;另外,厚制品的内、外温差增大也会导致硫化不均。这些都会影响密封条的耐光照老化性能。

密封条的生产过程非常复杂,有很多不可控因素,本文的研究是在炼胶、挤出及其后加工工艺不变的前提下进行,通过探讨配料和硫化对成品耐光照老化性能的影响,寻找影响密封条耐光照老化性能的部分因素。

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试验

3.1 试验设备和仪器

密封条产品耐光照老化试验使用的设备和仪器包括氙灯老化试验箱ATLASCi4000、光谱光度计UltrascanPRO、标准光源箱SpectralightIII和AATCC标准灰度卡。

3.2 试验样件

以某乘用车玻璃导槽顶部(暴露面积较多)的密封条为例,选取以下5种配方或硫化工艺的样件进行研究。样件A为某供应商的固定配方样件;样件B为在样件A配方基础上提高石蜡油闪点后的样件;样件C为在样件B配方基础上增加过氧化物用量后的样件;样件D为在样件B配方基础上降低硫化成熟度的样件:样件E为在样件B配方基础上提高硫化成熟度的样件。

3.3 试验标准

因氙灯老化标准SAEJ2527中定义的氙灯能量谱与太阳光能量谱很接近(图1)[1],且满足该标准的零件售后反馈好,所以以该标准为试验标准。试验采集数据包括色差△E(仪器采集数据)和耐光色牢度(目视评判数据),这2组数据能更全面地反映样件试验过程中的状态。另外,根据GMW14169-2010企业标准要求,采集时段为221、442、663、1240、2000kJ/m2和2500kJ/m2。标准对试验样件的评判要求为:△E≤3,耐光色牢度≥4;最高辐照能量为2500kJ/m2。

3.4、试验结果

针对选取的5种样件进行耐光照老化试验.试验结果见表1和表2。

3.5、试验结果分析

在辐照能量为221kJ/m2时,样件A的△E值高达7.49。随氙灯照射时间的增加,△E逐渐递减,耐光色牢度等级逐渐降低。当辐照能量增加到2500kJ/m2时,密封条成品的外观由开始的非常光亮变得暗淡无光(图2)。这种现象可能是由于配方中石蜡油的闪点过低而在试验过程中析出造成的,同时由于试验是在高温和雨淋环境中进行,析出的石蜡油部分被蒸发掉,所以导致△E逐渐降低。

为验证样件A中石蜡油是否存在问题,增加了石蜡油闪点测试和雾翳试验。在石蜡油闪点测试中发现,样件A配方中的石蜡油闪点只有185℃,属于比较低的情况;雾翳试验的测量数据超出10mg,远大于标准要求的2mg。试验结果验证了石蜡油闪点较低及存在挥发而导致试验结果不能满足要求。

根据上述试验结果,在样件B的配方中使用了闪点大于300℃的石蜡油。经试验,样件B的试验结果(图3)满足标准要求。由此可知,使用高闪点的石蜡油能显著提高密封条的光照老化性能。

样件C是在样件B配方基础上增加了20%过氧化物硫化剂。但由表1和表2可知,样件C的△E值持续增大,耐光色牢度逐渐减小,其表面有很多难以去除的白色析出物,如图4所示。经化学成分分析,白色析出物为过氧化物析出,这是由于样件C中过氧化物硫化剂过量导致的。因为适量的硫化剂可在橡胶分子链间形成交联结构(图5),增加产品的强度,但是游离于分子链之外的过量硫化剂在受到光照或热、氧等能量时,会从样件的表面中逐渐析出,逐渐积累。因此,多余的硫化剂也是影响密封条耐光照老化性能的一个因素。

样件D和样件E是在样件B配方基础上调整了硫化工艺,样件D的硫化温度比样件B降低20℃,线速度从13m/min提高到15m/min;样件E的硫化温度比样件B增加20℃,线速度从13m/min降低至10m/min。经过与胶料门尼、硫化、焦烧试验对比,样件D处于欠硫状态,样件E处于过硫状态。氙灯老化试验表明,在辐照能量为442kJ/m2时,样件D表面开始出现白色析出物,经化学分析为过氧化物析出。这是因为硫化不够充分,配方中的催化剂没有完全融入到分子链中,在光合作用下这些催化剂就慢慢析出来(图6)。样件D的试验结果可证明欠硫是导致产品耐光照老化性能下降的一个因素。

样件E的试验数据相对较差。试验开始不久产品表面开始发白并有粉化现象,当辐照能量达到2500kJ/m2时,表面粉化严重(图7),零件的性能和强度也下降的很严重。这是由于产品过硫导致的,因为硫化温度过高,时间过长,致使部分分子链在硫化过程中就已经被打断(图8),被打断的分子链在紫外线等作用下分裂的更快,导致产品表面粉化。由此可知,过硫是产品耐光照老化性能下降的一个因素,产品的过硫化是最需要避免的情况。

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结束语

根据乘用车密封条的生产工艺,试验研究了影响密封条耐光照老化性能的部分因素。试验表明,配料中石蜡油闪点的高低以及硫化剂的多少均是影响密封条耐光照老化性能的因素,必须合理进行配方设计;过硫或欠硫也是导致密封条耐光照老化性能下降的重要因素,因此在生产过程中要避免过硫或欠硫的发生。

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