整车阳光模拟内外饰油漆涂层老化评价浅析

文/毕腾飞,王鑫,张志松,金秀英,李双

中汽研汽车检验中心(天津)有限公司

摘要:目前适用于整车阳光模拟内外饰油漆涂层老化评价的方法还存在空白,在一定程度上影响了油漆涂层耐老化性能评价的科学性。本文根据不同内外饰油漆件所受光照强度大小、实车装配位置、零部件外观形状、连续喷涂面积大小将其进行分级、分类,并从涂层外观、涂层厚度、涂层附着力、涂层硬度四个测评项目总结了适用于整车级内外饰件油漆涂层耐老化性能测评的方法,为整车阳光模拟内外饰油漆涂层老化评价提供参考。

关键词:整车阳光模拟;内外饰油漆件;涂层老化评价


Analysis on the Coating Aging Evaluation of Interiors and Exteriors

for Vehicle Aging in Solar Simulation Units

Bi Tengfei, Wang Xin, Zhang Zhisong, Jin Xiuying, Li Shuang

CATARC Automobile Test Center (Tianjin) Co., Ltd., Tianjin 300300)

Abstract: There is still a gap in the evaluation method for coating aging of interiors and exteriors applied to vehicle aging in solar simulation units, which affects the scientific of the coating aging evaluation. In this paper, the interiors and exteriors of the vehicle were classified according to illumination intensity, assembly position, shape and continuous area of painting. And the evaluation methods for coating aging of interiors and exteriors were summarized from four evaluation items: coating appearance, coating thickness, coating adhesion and coating hardness, which provides a reference for the coating aging evaluation of vehicle aging in solar simulation units.

Keywords: vehicle aging in solar simulation units, coating parts of interiors and exteriors, evaluation of coating aging

0 引言

内外饰油漆件作为整车装饰件的重要组成部分,对整车外观品质的高低起着至关重要的作用。在整车实际服役过程中,内外饰油漆涂层因受到环境中光照、温度、湿度的长时间作用,会发生一系列化学反应导致涂层出现变色、开裂、起泡、粉化等老化现象[1],严重影响整车外观品质。因而在整车生产研发过程中,科学测评其内外饰油漆涂层耐老化性能十分必要。目前主要有整车自然暴晒、整车阳光模拟[2]两种试验方法测评内外饰油漆涂层的耐老化性能。与整车自然暴晒相比, 整车阳光模拟测试方法具有试验周期短、试验条件一致性强、试验保密性好的优点[3],能够较好满足整车制造商新车研发周期短、保密要求高的要求,在整车耐候性老化测试方面得到了广泛的应用。但目前整车级内外饰油漆涂层老化测评方法往往照搬材料级、零部件级试验方法,在测试可行性方面有所欠缺,适用于整车级内外饰油漆涂层老化测评的方法还存在空白。因此,对整车级内外饰油漆涂层老化评价方法进行研究,形成适用于整车级内外饰油漆涂层老化评价的方法,是十分必要的。

本文根据内外饰油漆件实车装配位置所受光照强度大小进行分级,根据内外饰油漆件喷涂区域形状及大小进行分类,并对涂层外观、涂层厚度、涂层附着力、涂层硬度四个评价项目试验方法进行探究,形成了适用于整车阳光模拟后油漆涂层老化评价的方法。

1整车内外饰油漆件分级与分类

1.1 整车内外饰油漆件分级

内外饰油漆件,因其实车装配位置不同,在实际服役过程中, 所受的光照辐射强度也各不相同。根据内外饰油漆件所受光照辐射强度不同,将其按表1进行分级。对于所受光照辐射强度较大的内外饰零部件(内饰1~2级,外饰1~2级),应在零部件表面选取足够数量具有代表性的测试区域,确保测试覆盖面,进行老化前后涂层外观、涂层厚度、涂层附着力、涂层硬度测试项目的对比,并根据对比结果对涂层老化程度进行评价。对于所受光照辐射强度较小的内外饰油漆件(内饰3级,外饰3级),可选取受光照辐射强度较大的位置作为测评点位。根据油漆件所受光照辐射强度大小,合理选定测试区域的数量及位置, 以保证涂层老化测评结果的科学性。

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1.2 整车内外饰油漆件分类

由于不同内外饰油漆件形状各异、装配位置不同、喷涂区域大小不同,部分油漆件因平坦区域过小、实车装配位置空间狭小、连续喷涂区域过小等原因,无法完成油漆涂层耐老化性能的测评。对于此类油漆件可通过制作同材质、同工艺的油漆试板,并将油漆试板固定在整车相应位置上进行老化试验及涂层老化程度评价。因此,在整车阳光模拟老化试验前,需要根据不同测试项目对最小测试面积的要求(见表2)将内外饰油漆件区分为两类(见表3),对于无法直接完成测试的内外饰油漆件,应制作油漆试板进行涂层耐老化测评。需要注意的是,为降低试验准备工作量,应充分评估制板测试的必要性, 通过选用合理的涂层耐老化测评方法,尽量减少制作油漆试板的工作量。

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2整车内外饰油漆件涂层老化测评项目

为了客观全面的评价整车内外饰油漆涂层老化程度, 需要分别在老化前后测试油漆涂层的外观、涂层厚度、附着力和涂层硬度,并将老化前后测试结果进行对比,作为评价油漆涂层老化程度的客观依据。如需更为精确的探究油漆涂层老化与光照辐射量的关系,还可在老化试验开始后,每7天或每10天进行一次涂层老化程度测评, 并记录测试结果。在测试过程中,应根据油漆涂层的种类及不同内外饰件类别合理选取测试方法及测试参数,具体如下。

2.1 涂层外观测试

油漆涂层的外观测试, 根据测试方法不同,主要有试验人员目视主观评价和使用色差仪、光泽度计、桔皮仪测试涂层外观参数两种方法[4]。对于涂层起泡、粉化、开裂、脱落等现象,可通过试验人员目视观察进行记录、评价。而对于老化前后色差、失光率、鲜映性变化,目视评价法会因试验人员不同、试验人员实时身体状态不同具有一定的主观性,且目视评价法难以客观量化涂层老化程度。为保证涂层老化测评的客观性,在老化前后,可使用色差仪、光泽度计、桔皮仪对涂层进行色差、光泽、鲜映性测试,用测试数据客观反映整车阳光模拟后涂层的老化程度。

2.1.1 油漆涂层颜色

油漆涂层颜色可使用L、a、b三坐标颜色空间来表示, 其中L代表黑白,L+表示偏白,L-表示偏暗;a代表红绿,a+表示偏红,a-表示偏绿;b代表黄蓝,b+表示偏黄,b-表示偏蓝[5]。在使用色差仪对涂层进行色差测试时,应针对不同种类的油漆涂层选择不同的测试角度:对于金属漆或珠光漆这类高亮漆, 应使用多角度色差仪, 在老化前后分别记录25°、45°、75°的L、a、b数值,并按照式(1)分别计算3个角度的色差值;对于本色漆或素色漆这类哑光漆,仅记录并计算45°的色差值即可。完成色差数据计算后,可根据油漆涂层种类,按照表4进行变色等级评价。

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式中,△E为老化前后涂层色差;L1、a1、b1为老化前颜色测试值;L2、a2、b2为老化后颜色测试值。

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2.1.2 油漆涂层光泽度

光泽度表征的是涂层表面对光反射能力的物理量,整车阳光模拟老化后,油漆涂层失光率是评价涂层老化程度的一项重要指标。涂层光泽度测试主要有20°、60°、85°三个测试角度,对于60°测试角度光泽度大于70单位的高亮漆,应选用20°测试度进行测试;对于60°测试角度光泽度小于10单位的哑光漆,应选用85°测试角度进行测试;其余涂层可选用60°测试角度进行测试[6]。在老化前应根据油漆涂层光泽度情况选用合适测试角度并记录数据,待完成老化后, 选用相同的测试角度进行光泽度测试,并按照式(2)计算涂层老化后的失光率,根据表5对老化后失光率进行评级。

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式中,△Gu 为失光率;Gu1为老化前光泽度;Gu2为老化后光泽度。

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2.1.3 油漆涂层鲜映性

油漆涂层鲜映性(DOI)表征的是涂层在表面反射产生的影像锐度[7],涂层鲜映性变化是其老化程度的直观反映。与哑光漆不同,为了客观全面的评价高亮漆油漆涂层在阳光模拟后外观老化程度,在测试涂层色差和失光率的同时,还应根据式(3)测试老化前后涂层鲜映性变化,并根据表6完成对涂层鲜映性的老化等级评价。

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式中,△DOI为老化后鲜映性变化;DOI1为老化前涂层鲜映性数值;DOI2为老化后涂层鲜映性数值。

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2.2 涂层厚度测试

整车阳光模拟老化后,油漆涂层因受到光照辐射、温湿度作用发生氧化而产生厚度变化。与零部件涂层厚度测试需求不同, 为满足老化过程中,同一位置涂层厚度多次测量、结果比对的需求,应使用磁性测厚法、超声测厚法等非破坏性检测方法[8]测试涂层厚度。在涂层厚度测试中,针对金属基材类的内外饰油漆件,可使用磁性测厚法测试漆膜厚度;对于非金属基材类的内外饰油漆件,可使用超声波测厚法进行漆膜厚度的测试[9]。因整车不同零部件连续喷涂区域面积大小不同、表面形状及曲率不同,建议使用带有便携测试探头的涂层测厚仪进行测试,以保证测试可行性及便捷性。

完成老化前后涂层厚度测试后, 应根据式(4)计算涂层厚度的变化率, 并根据表7进行等级评价。

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式中,△Th为老化后涂层厚度变化率;Th1为老化前涂层厚度数值;Th2为老化后涂层厚度数值。

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2.3 涂层附着力测试

涂层附着力是表征涂层与基材粘附程度的技术指标,涂层附着力较差会导致整车内外饰油漆件在使用过程中出现开裂、鼓泡、脱落等现象,严重降低汽车外观品质。因此,在检测过程中对涂层附着力进行客观科学的评价尤为重要。涂层附着力测试方法主要有划圈法[10]、划格法[11]、划叉法[12]三种方法。

其中,划圈法需要将样品制成试板状,放置在试验台上,使用尖角转针划伤涂层进行测试,由于其对样品形状、尺寸的要求,不适用整车油漆件附着力测试。划格法与划叉法测试方法相似,均是使用便携式多刃或单刃划格刀,在试样表面划割涂层至基材,然后根据划割区域涂层脱落面积评定附着力等级, 其中划格法在试验前还需确定涂层厚度,根据涂层厚度选择合适的刀刃间距进行测试。划格法与划叉法因其测试工具的便携性,更适用于整车油漆件附着力评价。但对于部分测试区域过小的内外饰件(如前格栅、车标、方向盘油漆装饰件等),仅能采用划叉法进行涂层附着力测试。

对于同一测试区域,在试验前后应采用相同的附着力测试方法。另外,在老化试验前应通过划格法或划叉法验证涂层附着力等级是否满足0级或1级的附着力标准要求[11-12]。在验证老化前油漆涂层附着力满足0级或1级的前提下, 在老化后,使用相同的测试方法完成附着力测试,若涂层附着力仍满足0级或1级的要求,则该涂层通过老化后附着力测试。

2.4 涂层硬度测试

合适的涂层硬度,是保证内外饰油漆件在实际使用场景中抵御刮擦和划痕,保持外观品质的重要保障,因此应选择科学合理的测试方法,完成对内外饰油漆件涂层硬度的测试。

涂层硬度的评价方法有铅笔硬度法[13]、耐划伤法[14]两种测试方法。铅笔硬度法是使用铅笔硬度试验仪,利用重力的作用施加750g负载,推动试验仪滑动,在涂层表面刮擦,根据试验用的铅笔硬度以及刮擦痕迹判定涂层硬度级别。由于铅笔硬度法借助重力测试,且试验仪自身操作滑行需要平坦的测试区域,该方法在整车内外饰油漆涂层硬度测评上适用性较差,仅可应用于测试整车前机顶盖油漆涂层、车顶油漆涂层、后尾门水平部分油漆涂层等位置的涂层硬度,无法应用于其它非水平装配或水平平坦区域过小的内外饰油漆件涂层硬度测试。与铅笔硬度法相比,耐划伤法可使用便携式硬度棒进行测试,并可根据试验需要通过调整弹簧来调节负载以及刮擦头直径, 该方法所需测试面积较小,不受内外饰油漆件装配位置、实际形状的限制,适用性更强。因此,对于整车阳光模拟老化前后涂层硬度评价,可选用耐划伤法,按照表8的试验要求进行测评,并记录涂层老化后硬度等级。

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2.5 涂层老化综合评价

在完成涂层外观、厚度、附着力、硬度四个测评项目后,以零部件为单位,汇总每个测试分项的测评等级并记录在表9中,当每一测试分项老化测评结果均不低于1级时,可视为该零部件油漆涂层耐老化性满足实车服役要求。最终可汇总整车所有内外饰件油漆涂层测评结果,完成整车级油漆涂层耐老化性能测评,并可根据局部内外饰涂层耐老化测评结果,进行有针对性的涂层耐老化性工艺改进。

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3 结束语

本文根据不同装配位置的整车内外饰油漆件所受光照强度进行分级,对不同级别内外饰件合理选取测试位置,确保能够客观全面的评测整车内外饰油漆件涂层耐老化程度的整体水平;根据不同内外饰件的实车装配位置、外形、涂层连续喷涂区域大小,制定了直接测试法、制作同材质同工艺油漆试板测试法两种方法,保证了整车各个位置内外饰油漆涂层老化测评的可行性。

本文通过对涂层种类进行区分,规定了涂层外观(色差、失光率、鲜映性老化等级)测评的具体分项目及相应测试参数;通过对涂层基材进行分类,规定了磁性测厚法、超声波测厚法两种无损测厚的试验方法。在整车内饰外油漆件形状各异、连续喷涂区域大小不一的情况下,为保证试验方法的可行性,本文规定了使用划格法或划叉法测试涂层附着力,使用耐划伤法测试涂层硬度。在老化后,以零部件为单位汇总涂层四个项目的测评结果,当每一分项测评结果均不低于1级时,可视为该内饰件或外饰件油漆涂层耐老化性符合实车服役要求。通过统计汇总整车所有内外饰件油漆涂层测评结果,实现对整车级油漆涂层的老化评价,以及有针对性的涂层耐老化性改进。

参考文献:

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[2] 陆启凯, 揭敢新, 王俊. 汽车气候老化试验技术[M]. 广州:华南理工大学出版社, 2010.

[3] 陈平方, 余晓杰, 陆挺. 整车自然暴晒与全光谱阳光模拟老化相关性研究[J]. 环境技术, 2020, 38(3): 70-73.

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[8] 莫英桂, 苏翼雄, 康慧雯, 等. 漆膜涂层厚度检测方法及其发展趋势[J]. 现代制造技术与装备, 2020, 56(10):123-126. doi:10.16107/j.cnki.mmte. 2020. 0955.

[9] 国家质量监督检验检疫总局, 国家标准化管理委员会.色漆和清漆漆膜厚度的测定: GB/T 13452.2—2008[S]. 北京: 中国标准出版社, 2008.

[10] 国家市场监督管理总局, 国家标准化管理委员会. 漆膜划圈试验: GB/T 1720—2020[S]. 北京: 中国标准出版社,2020.

[11] 国家市场监督管理总局, 国家标准化管理委员会. 色漆和清漆划格试验: GB/T 9286—2021[S] . 北京: 中国标准出版社, 2021.

[12] ISO. Corrosion protection of steel structures by protective paint systems-Assessment of, and acceptance criteria for,the adhesion/cohesion (fracture strength) of a coating -Part2: Cross-cut testing and X-cut testing: ISO 16276-2: 2017[S]. Geneva: ISO, 2017.

[13] 国家质量监督检验检疫总局, 国家标准化管理委员会.色漆和清漆铅笔法测定漆膜硬度: GB/T 6739—2006[S].北京: 中国标准出版社, 2006.

[14] ISO. Paints and varnishes - Determination of scratch resistance - Part 1: Constant-loading method: ISO 1518-1:2011[S]. Geneva: ISO, 2011.


文章发表于《中国汽车》2022年


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