王鐵城,錢國剛,黃 炘,房 旭,趙 斌,朱 瑛,蔣 羽

(1.中國汽車技術(shù)研究中心,天津300162;2.大茂偉世通車燈有限公司,江蘇常州213022)

前照燈配光鏡材料光源輻照及耐化學(xué)試劑測試研究

王鐵城1,錢國剛1,黃 炘1,房 旭1,趙 斌1,朱 瑛1,蔣 羽2

(1.中國汽車技術(shù)研究中心,天津300162;2.大茂偉世通車燈有限公司,江蘇常州213022)

對不同材料的16套前照燈及前霧燈樣品進(jìn)行了光源輻照及耐化學(xué)試劑測試。結(jié)果表明,按照國家標(biāo)準(zhǔn) GB 4599—2007規(guī)定光源輻照試驗測試后,16款樣品里符合限值0.020要求的樣品數(shù)量為62.5%,說明光源輻照試驗對塑料配光鏡性能的測試考察強度較高,對目前產(chǎn)品有一定難度。對于耐化學(xué)試劑測試,絕大多數(shù)樣品滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。同時分析了不同原料對產(chǎn)品性能的影響。

前照燈;配光鏡;光源輻照;化學(xué)試劑;測試

0 前言

在以往的國家燈具標(biāo)準(zhǔn)中,缺少對塑料配光鏡前照燈的材料性能的考察。而隨著汽車行業(yè)的發(fā)展和技術(shù)進(jìn)步,材料性能的重要性日益凸顯,也成為測試和考察重點。以往很多燈具沒有考慮這方面,常年經(jīng)受日曬雨淋傷害后,材料老化程度比較劇烈,以致燈具不能發(fā)揮正常功能,給行車安全帶來隱患。2008年6月正式實施的標(biāo)準(zhǔn)《GB 4599—2007汽車用燈絲燈泡前照燈》和《GB 21259—2007汽車用氣體放電光源前照燈》,與之前的前照燈標(biāo)準(zhǔn)的一個主要區(qū)別是增加了塑料配光鏡材料性能的內(nèi)容。其中,光源輻照測試及耐化學(xué)試劑測試標(biāo)準(zhǔn)是同組又同屬于耐候、耐環(huán)境方面的重要測試。筆者介紹了此兩項測試的數(shù)據(jù)和結(jié)果,分析了不同材料的耐受性差異。

車輛在長期使用過程接觸到光照、雨水等自然環(huán)境,也會不時與酸雨等含有化學(xué)成分的液體接觸,都會加速燈具塑料配光鏡的老化。塑料制品的老化是不可逆過程,但通過材料優(yōu)選、改良加工工藝等措施可增加塑料材料對上述侵蝕的耐受性。為促進(jìn)這方面的技術(shù)進(jìn)步,以車體上最為復(fù)雜的燈具前照燈為例,歐洲 ECE R98法規(guī)、美國FMVSS108法規(guī)和我國國標(biāo)均有對其塑料配光鏡的材料性能進(jìn)行考察的內(nèi)容,包括光照、耐化學(xué)試劑等多項耐老化性能測試。

光照測試方面,美國 FMVSS108中的光照測試需要在亞利桑那州或佛羅里達(dá)南部專業(yè)曝曬場中進(jìn)行,國內(nèi)和歐洲的標(biāo)準(zhǔn)則都可以使用專業(yè)的光源輻照試驗箱進(jìn)行測試。光源輻照試驗箱內(nèi)模擬了自然界中的老化過程,并通過強化試驗將原需耗時數(shù)年的老化過程大幅度地縮減到約43 d的試驗。光源輻照試驗箱最初采用英國人戴維于1809年發(fā)明的碳弧燈為光源。碳弧燈光譜由熾熱電極圓形阱的連續(xù)輻射和金屬蒸汽特性譜線疊加組成,有很強的紫外輻射且需常常調(diào)節(jié)距離,光色也不夠理想?，F(xiàn)代的光源輻照試驗箱采用水冷式氙燈光源的耐候試驗箱,溫、濕度可控,操作便捷,輻射量和強度也易于調(diào)節(jié)。

國標(biāo) GB 4599—2007規(guī)定光源輻照測試中樣片需要接受的輻射照度為1200±200 W/m2,測試期間接收到的總輻射能量為4500±200 MJ/m2。在試驗箱內(nèi),與試樣在同一水平上的黑板溫度應(yīng)為50±5℃。試樣在以1～5 r/min的速度圍繞光源轉(zhuǎn)動,并伴隨著蒸餾水的間歇性噴灑。在試驗后,試樣表面應(yīng)無裂紋、擦傷、屑片和變形。材料透過率的變化的平均值應(yīng)不大于0.020。

耐化學(xué)試劑試驗在光源輻照試驗之后進(jìn)行,目的是考察材料長期耐光照的能力及經(jīng)歷過長時間光照之后,是否會導(dǎo)致其對化學(xué)試劑的耐受性顯著下降,造成漫反射程度的改變。配光鏡表面的污痕在夜間行車時會形成光的漫射,給對面來車造成眩目等安全隱患。因此,基于光源輻照試驗之上的耐化學(xué)試劑試驗也有著重要的價值,二者是相互關(guān)聯(lián)的試驗。試驗中采用的溶液按 GB 4599—2007附錄B中2.3.1的規(guī)定配制。試驗后,樣片應(yīng)無任何會引起光束漫射變化的污痕,其漫射光透過率的變化小于0.020。

1 實驗部分

1.1 主要原料

庚烷,分析純,市售;

甲苯,分析純,市售;

四氯乙烷,分析純,市售;

三氯乙烯,分析純,市售;

二甲苯,分析純,市售。

選取了來自國內(nèi)外9家車燈公司的16款樣品進(jìn)行了下述光源輻照試驗和透過率試驗,以及耐化學(xué)試劑試驗和漫射率試驗。每款樣品包括3件配光鏡材料試樣。樣品選型時考慮了廠家因素、材料和膜層因素等,對國內(nèi)燈具產(chǎn)品情況有代表性。

1.2 主要設(shè)備及儀器

水冷式氙燈光源耐候試驗箱,C4000,澳大利亞ATLAS公司;

漫射及透射光測量系統(tǒng),自制。

1.3 性能測試與結(jié)構(gòu)表征

采用水冷式氙燈光源的耐候試驗箱對樣品進(jìn)行光源輻照測試。使用濾光片來削減氙燈波長在295 nm和2500 nm之外的輻射,使主要輻射能量的峰值波段與日光相似。光源的光譜能量分布相當(dāng)于5500～6000 K的黑體。根據(jù)維恩位移定律,如式(1)所示。

式中 λm——最大黑體譜輻射亮度處波長,μm

Ts——黑體的絕對溫度,K

其中,Ts分別取 5500和 6000,則分別對應(yīng)0.5269μm和0.483μm,即光源光譜能量峰值應(yīng)集中在483～526.9 nm,而全光譜能量的分布則類似于相應(yīng)的黑體。此時的光譜與自然光接近,能夠最大程度地模擬自然環(huán)境。

圖1 自然光與氙燈光譜對比Fig.1 The comparison between natural daylight and xenon lamp

試驗時間以總輻射量和輻射照度的中心值計算,如式(2)所示。

按上述條件及國標(biāo)的其他要求,在同一光照箱里對各組樣品同時進(jìn)行了測試。

樣品經(jīng)過光照試驗之后,接著進(jìn)行了耐化學(xué)試劑的試驗。試驗所需的溶液按如下體積比進(jìn)行配制:61.5%正庚烷,12.5%甲苯,7.5%四氯乙烷,12.5%三氯乙烯和6%二甲苯。在試驗時,將浸有試劑的棉布置于試樣外表面,并施以50 N/cm2的壓力10 min。試驗后,試樣在戶外干燥,清洗干凈之后擦干,進(jìn)行漫射光透過率的測量。

每種樣品為3只樣片,經(jīng)過光源輻照試驗之后,在漫射及透射光測量系統(tǒng)中進(jìn)行材料透過率和漫射光透過率的測量,系統(tǒng)原理圖如圖2所示。

圖2 試驗光路圖Fig.2 Index path of the measurement

圖2光路中,光闌DT遮擋處所遮擋住的部分,為材料透射光。進(jìn)行材料透過率測量的時候,將光闌打開,在調(diào)節(jié)傳感器基準(zhǔn)值相同的基礎(chǔ)上,比較光源輻照試驗前后的讀數(shù),并分別記作T2、T3。計算材料透過率的變化公式如式(3)所示。

式中 Δt——材料透過率的變化

T2——輻照前的材料透過率

T3——輻照后的材料透過率

進(jìn)行試驗結(jié)果判定的時候,對3件試樣求平均值,記為Δtm,并判斷是否小于限值0.020。

在光闌遮蔽處之外進(jìn)入接收器的光,即為光路圖中陰影部分所示,為所需測量的漫射光透過部分。在試驗前后讀數(shù)分別記作T4、T5。計算漫射光的透過率變化公式如式(4)所示。

式中 Δd——漫射光透過率的變化

T4——輻照前的漫射光透過率

T5——輻照后的漫射光透過率

進(jìn)行試驗結(jié)果判定的時候,對3件試樣求平均值,記為Δdm,并判斷是否小于限值0.020。

2 結(jié)果與討論

2.1 光源輻照試驗及分析

光源輻照試驗后,16款樣品里有部分樣片顏色已很明顯老化變黃。某款樣品在光源輻照試驗前后的情況如圖3所示,左側(cè)的樣片是經(jīng)過了光源輻照試驗的,已經(jīng)明顯變黃;右側(cè)的樣片未經(jīng)過光源輻照試驗,無變黃的跡象。

圖3 樣品變色情況對比Fig.3 Comparison of color change of samples

光源輻照試驗后,測試了各樣品的透過率,16款樣品的數(shù)據(jù)結(jié)果如圖4所示,每款3個樣品的數(shù)據(jù)結(jié)果如圖5所示。每款樣品取該款3個樣品的平均值,16款樣品里低于限值0.020的樣品種類達(dá)62.5%。從總計48個樣品來看,材料透過率變化低于該限值的樣品占總樣品數(shù)的68.75%。處于限值0.020±0.05區(qū)間的有7款,占到總樣品數(shù)的44%,且有3款為超標(biāo),這說明光源輻照試驗對塑料配光鏡性能的測試考察強度較高,對目前產(chǎn)品有一定難度。

圖4 各款樣品經(jīng)光源輻照測試后透過率變化數(shù)據(jù)Fig.4 Test results for each type sample on lighting test

圖5 各個樣品經(jīng)光源輻照測試后透過率變化數(shù)據(jù)Fig.5 Test results for each sample on lighting test

塑料配光鏡的耐光源輻照性能主要取決于選用的工程塑料及膜層的種類以及所采用的工藝。樣品中有6組分別采用了PC-303-15(美國陶氏化學(xué)公司)、PCL-1225Z(日本帝人化成株式會社)、L-1225Z(日本帝人化成株式會社)工程塑料及 KUV1000 C、UV#60000-1、CG-7光學(xué)鍍膜配合使用,PC-303-15與CG-7二者相配合的樣品不僅在這6組中的材料透過率變化最小,而且變色程度最小,但是其余組合的變化量與變色程度關(guān)聯(lián)不大,見圖6。另外,Bayer 2647(德國拜耳集團(tuán))、1225C(日本帝人化成株式會社)、PC-GE-111C(美國通用電器公司)材料性能表現(xiàn)優(yōu)異,結(jié)果遠(yuǎn)低于0.020,顏色也沒有明顯變化。結(jié)果顯示,光源輻照測試要求燈具生產(chǎn)中的材料種類及純凈度、膜層種類及加工工藝等各個方面進(jìn)行優(yōu)化及嚴(yán)格控制,才能使產(chǎn)品質(zhì)量滿足及優(yōu)于標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖6 變色程度與Δtm的關(guān)系Fig.6 Color change vsΔtm

2.2 耐化學(xué)試劑試驗結(jié)果及分析

在耐化學(xué)試劑試驗中,測試了各樣品的材料漫射透過率,16款樣品的數(shù)據(jù)結(jié)果如圖7所示,每款3個樣品的數(shù)據(jù)結(jié)果如圖8所示,絕大多數(shù)樣品均表現(xiàn)出良好的性能。

圖7 各款樣品經(jīng)耐化學(xué)試劑測試的漫射透過率數(shù)據(jù)Fig.7 Test results for each sample on chemical agent test

圖8 各個樣品經(jīng)化學(xué)試劑測試的漫射透過率數(shù)據(jù)Fig.8 Test results for each sample on chemical agent test

3 結(jié)論

(1)光源輻照試驗中材料透過率與樣品變色程度有相關(guān)性。變色程度的比較中,材料透過率變化量最小的幾組樣品變色程度最低,而透過率變化最大的幾組樣品變色程度最大。但是在中間層級的樣品,變色程度與材料透過率變化量并未呈現(xiàn)過多的相互關(guān)聯(lián)性;

(2)光源輻照試驗的材料透過率與耐化學(xué)試劑試驗試驗結(jié)果之間有相關(guān)性。

Research on Atmospheric Test and Chemical Resistance Test of Headlamp′s Lens

WANG Tiecheng1,QIAN Guogang1,HUAN G Xin1,FAN G Xu1,ZHAO Bin1,ZHU Ying1,J IAN G Yu2
(1.China Automotive Technology&Research Center,Tianjin 300162,China;2.Visteon TYC Auto Lamps Co,Ltd,Changzhou 213022,China)

Samples of 16 sets of headlamps and front fog lamps with different materials were tested for atmospheric agent and chemical resistance.The test results showed that,in accordance with the provisions of GB 4599—2007 on atmospheric agent test,62.5%of 16 sets of test samples met the limit value of 0.020 in GB 4599—2007.Therefore,it illustrated that atmospheric agent test set a high standard on the performance of plastics lens,it was very difficult for present products to meet its requirements.For the chemical resistance test,the majority of samples met the provisions.At the same time,we analyzed the effects of different raw materials on the performances of the lens,which was very instructive to the material chosen of the plastics lens and their coating.

headlamp;len;atmospheric test;chemical agent;test

TQ322.3;TQ320.77+3

B

1001-9278(2010)06-0058-04

2010-02-26

聯(lián)系人,wangtiecheng@catar.ac.cn