汽车塑料物性检测标准

文/胡 xiao mei（华测团队） 汽车方便了人们的出行，其安全性能是人们关注的焦点。汽车保险杠是汽车吸收、缓和外界冲击力，防护车身前后部的安全装置。20年前，轿车前后保险杠以金属材料为主，用厚度为3毫米以上的钢板冲压成U形槽钢，表面镀铬处理，与车架纵梁铆接或焊接在一起，和车身有一段较大的间隙，像是一件附加上去的部件。随着汽车工业的发展，汽车保险杠作为一种重要的安全装置也走上了革新的道路。今天的轿车前后保险杠除了原有的保护功能外，还追求与车体造型的和谐统一，以及本身的轻量化。为了达到这种目的，轿车的前后保险杠开始采用塑料材质，称为塑料保险杠。而这种塑料材料的抗冲击性能要求非常良好。那么，如何检测塑料材料的抗冲击性能呢?本文介绍一种常用的测试方法——多轴冲击。 多轴冲击主要用来测试塑料等高分子材料的抗冲击性能。以汽车保险杠为例，多轴冲击可测量保险杠的韧性，加载负荷时的变形，以及保险杠受冲击时的总体能量吸收。该方法能确认汽车发生交通事故时保险杠是否具有一定的安全保护作用。 多轴冲击试验设备主要由一套多轴台架（落重块、落锤和固定装置），一个冷热箱（本设备范围在-50℃ ~ 150℃、采用液氮制冷），以及一套数据采集软件组成。其工作原理是让锤头以一个标准速度在样品表面中心垂直冲击，得到冲击力距离曲线或者时间曲线。根据曲线记录和样品在冲击后的表面状态情况，可以判断材料的状态性能。样品在试验过程中需保持固定状态。 多轴冲击设备（图1和图2）的冲击头是半球形的锤头，表面光滑，有2种锤头类型：直径为(20.0 ± 0.2)，满足ISO 6603、ISO 7765-2、ASTM D5628、GMW14867等方法；直径为(12.7± 0.2)mm，满足ASTM D3763、 ASTM D5628 method FD、 ASTM D7192、GMN10083等试验标准。本仪器冲击落锤重量12.7kg，共配有4个落重块，每个约6.73Kg，总冲击质量可达约40kg。在进行冲击试验时, 撞击速度为约2.5m/s-4、4 m/s ±0、1 m/s,对应的下落的高度为300mm-1000mm。标准样件是一个60 mm或140mm直径的圆片或者是60mm或140mm边长的正方形，对应加紧装置内径为40mm或100mm。样件一般为注塑成型材料, 厚度一般为2mm至3 mm 。如果某些样件与该批样件平均厚度相差 5%, 则这种样件要废弃。 在进行冲击试验之前,样件应放置于试验箱中，在规定温度下至少调节3个小时。在非环境温度条件下进行，冷却或者加热的温度都可能对结果产生影响。每一个样件应在中心半径为10mm圆圈内等距离的3个点上进行测量,其厚度差大概为0.02mm。 http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2016/08/201608291402_607269_3051334_3.png 图1 多轴冲击设备 http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2016/08/201608291403_607270_3051334_3.png 图2 设备部分剖面图示 对于结果的表达，以在厚度为3mm的样件上进行温度为23°C的试验、冲击后断裂的结果为例,如表1所示。http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2016/08/201608291403_607271_3051334_3.png表1 最大载荷（Fm）是在测试过程中产生的最大冲击力（单位：N）； 最大形变（lm）是在最大载荷时的形变量(单位：mm)； 最大载荷时的能量（Em）是在最大冲击力下发生最大形变时吸收的能量值(单位J) ； 冲破形变（lp）是在最大载荷一半的冲击力时的形变量（单位：mm）； 冲破能量（Ep）是在冲破形变下吸收的能量值（单位:J）； 失效类型是材料在测试过程中的机械特性，有如下4种：YD 屈服（在最大载荷时零斜率）然后深降 （图a），YS 屈服（在最大载荷时零斜率）然后（至少部分）稳定裂化（图b），YU屈服（在最大载荷时零斜率）然后不稳定裂化（图c），NY无屈服（图d）。 http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2016/08/201608291403_607273_3051334_3.png 图a http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2016/08/201608291404_607276_3051334_3.png 图b http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2016/08/201608291404_607277_3051334_3.png 图c http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2016/08/201608291405_607278_3051334_3.png 图d 根据产品表面现象判断断裂表面类型，按照图3进行：韧性情况：http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2016/08/201608291405_60728

目前，国内及欧、美、日均没有汽车车内空气质量的国家标准、法规。但有资料表明，国外主要汽车公司对于车内空气质量的控制，主要通过对配套零部件的管控来实现的。今天，我们就侧重来讲讲汽车VOC的相关标准及主要测试方法。一、汽车VOC相关标准http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2017/01/201701191701_668978_2452211_3.png1、我国汽车 VOC检测相关标准历程目前，我国出台的有关汽车VOC 的直接标准只有两个，即 HJ/T 400《车内挥发性有机物和醛酮类物质采样测定方法》和 GB/T 27630《乘用车内空气质量评价指南》。http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2017/10/2016081911230663_01_2452211_3.pngHJ/T400 规定了 M 类(载客)车辆和 N 类(载货)车辆车内挥发性有机物和醛酮类物质的采样和测定方法，但是该标准只适用于车辆静止状态、恒温及恒湿条件下的车内空气采样，并未涉及车辆运行状态下的车内污染物采样，而且未对车内空气污染物的指标与限值进行规定。GB/T27630 规定了车内空气中苯、甲苯、二甲苯、乙苯、苯乙烯、甲醛、乙醛、丙烯醛的浓度要求，给出了汽车车内各 VOC 污染物的限值标准。该指南引导汽车企业开展车内 VOC 控制工作，但引起的争议也暴露出我国在汽车挥发性有害物质管理方面仍面临一系列问题，且指南只针对我国整车的 VOC 标准，汽车的原材料和零部件并无相关国家标准，没有从源头控制 VOC 的排放问题。图 1 展示了我国汽车VOC 检测相关标准发展历程，表明我国的汽车 VOC检测相关标准还有很多需要完善的地方。2、我国汽车 VOC 检测相关标准发展建议通过借鉴国外汽车行业VOC 检测相关标准先进经验，深入了解我国汽车行业 VOC 现状，研究和完善我国汽车 VOC 检测相关标准，提出建议及改进措施如下：1）虽 然 我 国 先 后 出 台 了 HJ/T 400-2007 和GB/T 27630-2011，但对于汽车车内 VOC 污染物，国家并未按这两个标准对新出厂和销售车辆的车内空气污染实施控制，这给消费者的健康和人类环境带来隐患。因此，我国应明确汽车产业链各方责任和监督管理措施，对汽车行业进行监管，健全汽车信息披露机制，让消费者了解每台新车的挥发水平，时机成熟时，有必要强制实施这两个标准。2）借鉴国外 VOC 检测管理经验，结合我国汽车挥发性有害物质现状，规范我国汽车行业零部件和材料VOC 检测方法，降低零部件、材料供应商的技术和成本压力，基于全产业链引导零部件及材料企业开展统一的挥发性有害物质管理工作。3）《指南》仅明确了车内VOC 要求，为有效控制汽车外饰产生的大量 VOC，保护大气环境，有必要建立汽车挥发性有害物质防治管理体系，推进监督管理措施和提升 VOC 控制技术。4）随着国家关于车内空气污染物浓度限值及测量方法相关标准和检测方法的逐渐颁布和执行，希望有关部门制订对内饰件的原材料质量进行控制的环保标，从汽车产业链的源头零部件和材料限制 VOC 排放值。5）目前的汽车 VOC 检测标准方法中取样程序复杂，所用设备昂贵，测试成本高，因此迫切需要加强对VOC 测试方法的研究和简化(简便快捷实时监测设备)，降低产业链成本，使检测手段更加快捷和准确，共同为我国的汽车产业的健康快速发展贡献力量。二、汽车VOC主要测试方法针对汽车VOC含量测试，主要从整车VOC、总成（车内零部件）VOC以及材料VOC。下面将分别讲一下对应的测试方法。http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2017/10/2016081911233129_01_2452211_3.png1、整车VOC含量测试方法：不同车系相应不同的测试标准，包括德国PV3938标准、日本《车内VOC试验方法》、俄罗斯GOST R51206-2004标准以及国内《车内挥发性有机物和醛酮类物质采样测试方法》即HJ/T 400-2007测试标准，具体测试条件如下：PV3938测试标准：测试条件:23oC、50% RH；测试方法：静态测试；采样方法：使用红外灯同时照射车内不同部位使其表面温度达到65oC,封闭一定时间后采集车内空气样品。《车内VOC试验方法》:测试条件:23oC、50% RH；测试方法：半动态测试；温度调整到40oC，保持4.5h后使用DNPH采样管采集车内空气30min后测定甲醛；采样结束后启动汽车发动机，使其空调正常工作，测定VOC。GOST R51206-2004标准：测试条件:23oC、50% RH；测试方法：动态测试；模式一：以速度50公里/小时匀速行驶行，行驶速度稳定20分钟后测试；模式二：以制造厂家规定的最小稳定转速空转20分钟后测试。HJ/T 400-2007测试标准：国家环境保护总局于2007年12月7日发布，2008年3月1日实施。标准规定了测量机动车乘员舱内挥发性有机物和醛酮类物质的采样点设置、采样环境条件技术要求、采样方法和设备、相应的测量方法和设备、数据处理、质量保证等内容。环境温度：25.0±1.0 oC相对湿度：50 ±10%。测试方法：1、受检车辆放入符合规定的车辆测试环境中；2、新车应为合格下线28d±5d并要求内部表面无覆盖物；3、车窗、门打开，静止放置时间不小于6h；4、准备期间车辆测试条件应符合规定，安装好采样装置；5、关闭所有门窗，受检车辆保持封闭状态16h，开始进行采集。对于不同有机挥发物质，设定的限定值如下表所示：http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2017/10/2016081911235735_01_2452211_3.png2、零部件（总成）VOC 含量测试方法：测试标准：VDA 276测试方法：平衡浓度排放气体3、材料VOC含量测试方法：http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2017/10/2016081911241387_01_2452211_3.png美系、欧系以及日系主机厂对VOC测试的要求目前对于汽车整车VOC含量的测试标准主要有美系、欧系以及日系三种，分别对应的是顶空方法（HS-GC/MS）、热脱附法（TD-GC/MS）以及袋子法（Bag-TD-GC/MS）。下面将分别介绍并对比三种VOC含量测试的差异：http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2016/08/201608191124_605488_2452211_3.png1、美系—顶空标准（HS-GC/MS）http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2016/08/201608191124_605489_2452211_3.png顶空法是欧系、美系汽车企业测量苯烃类挥发性有机物的常用方法。顶空法测试标准的主要装置图以及原理图如上图所示。顶空加热样品到120°C；转移样品挥发出来的物质到GCMS；以样品峰面积与空气峰面积之间的比较作为样品挥发量的评估；通过质谱库检索样品挥发出来的是什么物质；评估这些挥发物质对人的影响风险。顶空法是一种比较通用的测量汽车内饰材料苯烃类挥发性有机物含量的方法。欧系大部分汽车企业均采用该方法对汽车内饰材料进行采样和检测，国内部分自主品牌汽车企业(如吉利汽车公司等)也采用项空法。2、欧系—热吸附标准（TD-GC/MS）http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2016/08/201608191125_605490_2452211_3.png热解析法是欧系汽车企业测量苯烃类挥发性有机化合物的另一种检测方法,下面以PSA公司的D105495为例进行说明。热解析法的分析过程为：从待测样品上裁取一定质量(10-30 mg)的材料放入热解析管中；将热解析管放入热解析仪中进行30min的90℃热解析，试验样品挥发出来的有机物气体经过传输线进入气质联用仪；通过气质联用仪分析得到各种苯烃类挥发性物的含量和总的VOC含量。3、日系—袋子法 (Bag-TD-GC/MS)日系采样袋法测试示意图如下所示:http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2016/08/201608191125_605491_2452211_3.png采样袋法多为日系车企使用。本方法进行VOC采样使用的采样袋由厚度为0.05 mm的聚氟乙烯(PVF)制成，根据采样袋容积分为大袋子和小袋子两种方法，分别用于测量总成零部件和材料的VOC含量。采样袋法主要被日系主机厂(包括丰田、日产和铃木等)及其合资企业采用。袋子法主要操作流程：http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2016/08/201608191125_605492_2452211_3.p