汽车用高分子材料老化试验中光氧老化对力学性能的影响研究

汽车用高分子材料广泛应用于保险杠、内饰件、外饰板等部件，其力学性能（如拉伸、冲击、弯曲强度）直接关系到车辆安全性与耐久性。光氧老化（紫外线与氧气共同作用）是户外汽车材料的主要老化形式，研究其对力学性能的影响，是优化材料配方、提升使用寿命的关键。本文结合试验数据与机制分析，探讨光氧老化如何改变高分子材料的力学性能，为材料研发提供参考。

汽车用高分子材料的常见类型及力学性能需求

汽车行业中，聚丙烯（PP）常用于保险杠、挡泥板，需具备高抗冲击性与耐候性；聚氯乙烯（PVC）用于内饰条、门板，依赖柔韧性与抗撕裂性；丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物（ABS）适用于外饰件，要求高强度与表面硬度；三元乙丙橡胶（EPDM）则用于密封条，需长期保持弹性与抗疲劳性。这些材料的力学性能是保障部件功能的核心——如保险杠的PP需在碰撞时吸收能量，内饰PVC需避免弯折开裂，外饰ABS需抵御外界冲击。

以PP保险杠为例，其典型拉伸强度约20-30MPa，断裂伸长率≥200%，抗冲击强度≥15kJ/m²；PVC内饰条的弯曲强度约10-15MPa，断裂伸长率≥150%。这些性能指标在材料选型时已明确，但光氧老化会逐渐侵蚀这些性能，导致部件失效。

光氧老化的作用机制

光氧老化是紫外线（UV）与氧气协同作用的结果。紫外线的能量（尤其是UV-A波段320-400nm、UV-B波段280-320nm）可破坏高分子材料的分子链：当UV能量超过分子链的键能（如C-C键键能约347kJ/mol，对应波长约345nm）时，会激发分子链中的电子，导致键断裂，形成自由基。

氧气的参与则加剧了这一过程：自由基与氧结合生成过氧自由基（ROO·），过氧自由基攻击相邻分子链上的氢原子，形成氢过氧化物（ROOH）。氢过氧化物不稳定，会分解为烷氧自由基（RO·）与羟基自由基（·OH），这些自由基继续攻击分子链，引发链式反应——最终导致分子链断裂（分子量下降）或交联（分子量升高）。

不同材料的机制略有差异：聚烯烃（如PP）以分子链断裂为主，因缺乏双键保护；含双键的橡胶（如EPDM）则更易被自由基攻击，双键断裂后形成更多自由基，加速老化；ABS等共聚物则因苯环的位阻效应，初期老化较慢，但长期仍会因丁二烯段的双键断裂而失效。

光氧老化对拉伸性能的影响

拉伸强度与断裂伸长率是评估材料抵抗拉伸破坏的关键指标。光氧老化对两者的影响显著且规律：分子链断裂会降低材料的分子量，导致拉伸强度下降；而断裂伸长率的下降更明显，因柔韧性依赖于分子链的滑动能力，一旦链断裂，滑动受阻。

以PP保险杠材料为例，经氙灯老化试验（模拟自然光，辐照强度1000W/m²，温度60℃）1500小时后，拉伸强度从28MPa降至19MPa（下降32%），断裂伸长率从300%降至80%（下降73%）。这是因为PP的分子链在紫外线与氧的作用下持续断裂，原本的长链结构被破坏，无法再承受拉伸时的应力传递。

ABS外饰件的表现略有不同：初期老化（0-500小时）时，分子链交联占主导，拉伸强度从40MPa升至45MPa；但长期老化（>1000小时）后，链断裂加剧，拉伸强度降至30MPa（总下降25%），断裂伸长率从20%降至5%（下降75%）。这种“先升后降”的趋势源于交联与断裂的竞争，但最终断裂占优，性能不可逆下降。

PVC内饰条的拉伸性能变化更侧重柔韧性丧失：老化后，PVC的分子链交联，拉伸强度从15MPa降至11MPa（下降27%），断裂伸长率从180%降至40%（下降78%）。这会导致内饰条在安装或使用中易撕裂，失去原有的柔韧性。

光氧老化对抗冲击性能的影响

抗冲击性能是汽车外饰件（如保险杠）与内饰件的核心要求，直接关系到碰撞时的安全性与部件的耐候性。光氧老化通过破坏材料的增韧相或分子链结构，显著降低抗冲击强度。

PP/EPDM合金是保险杠的常用材料，EPDM作为弹性体相，可通过分散相吸收冲击能量。经光氧老化（氙灯1000小时）后，EPDM的双键被自由基攻击，弹性体相降解，导致抗冲击强度从20kJ/m²降至8kJ/m²（下降60%）。试验中，老化后的保险杠试样在摆锤冲击下直接破碎，而未老化试样仅出现凹痕。

ABS外饰件的抗冲击性能下降同样明显：老化1500小时后，其Izod冲击强度从15kJ/m²降至5kJ/m²（下降67%）。这是因为ABS中的丁二烯段（弹性体相）在光氧作用下断裂，失去了吸收冲击能量的能力，材料从“韧性断裂”变为“脆性断裂”。

EPDM密封条的抗冲击性能变化更关注低温环境：未老化的EPDM在-20℃时冲击强度为10kJ/m²，老化1000小时后降至3kJ/m²（下降70%）。这会导致冬季密封条易开裂，失去密封性能。

光氧老化对弯曲性能的影响

弯曲强度与弯曲模量反映材料抵抗弯曲变形的能力，常用于评估内饰件（如门板）与外饰条的耐用性。光氧老化会改变材料的刚性与脆性，导致弯曲性能劣化。

PVC型材（用于车窗饰条）的弯曲性能变化典型：老化前，弯曲强度为12MPa，弯曲模量为800MPa；老化1000小时后，弯曲强度降至9MPa（下降25%），弯曲模量升至1100MPa（上升37%）。这是因为分子链交联使材料变硬（模量升高），但链断裂使材料变脆（强度下降）——弯曲时，硬而脆的材料易在应力集中处断裂，无法承受正常的弯折力。

PP内饰板的弯曲性能变化类似：老化后，弯曲强度从18MPa降至13MPa（下降28%），弯曲模量从1500MPa升至1900MPa（上升27%）。这会导致内饰板在安装时易折断，或使用中因轻微碰撞出现裂纹。

ABS外饰条的弯曲性能下降更直接：老化1500小时后，弯曲强度从30MPa降至20MPa（下降33%），弯曲模量从2000MPa升至2400MPa（上升20%）。这种“强度降、模量升”的组合，使外饰条失去原有的韧性，易在风吹或洗车时开裂。

光氧老化对疲劳性能的影响

汽车材料长期承受交变应力（如车门开关时密封条的拉伸-压缩、保险杠的振动），疲劳性能决定了部件的使用寿命。光氧老化通过在分子链中形成薄弱点，加速疲劳断裂。

EPDM密封条的疲劳试验最具代表性：未老化的EPDM在交变应力（±5MPa）下的疲劳寿命为1.2×10^6次；老化1000小时后，疲劳寿命降至1.5×10^5次（下降87.5%）。这是因为光氧老化在EPDM分子链中形成了大量自由基攻击位点，这些薄弱点在交变应力下不断扩展，最终导致断裂。

PP保险杠的疲劳性能变化同样显著：未老化的PP疲劳寿命为8×10^5次，老化1500小时后降至1×10^5次（下降87.5%）。试验中，老化后的PP试样在循环应力下，表面先出现微裂纹，随后裂纹快速扩展至断裂，而未老化试样仅出现塑性变形。

不同高分子材料光氧老化影响的差异性

不同汽车用高分子材料因分子结构不同，光氧老化对力学性能的影响程度与规律存在差异，这是材料选型与配方优化的关键依据。

聚烯烃类（PP、PE）：分子链无双键，以分子链断裂为主，拉伸强度与断裂伸长率下降显著（>30%），抗冲击性能下降明显（>50%），是光氧老化最敏感的材料类型。

橡胶类（EPDM、NBR）：含大量双键，易被自由基攻击，弹性体相降解快，抗冲击性能与疲劳性能下降最剧烈（>70%），但拉伸强度下降相对平缓（<30%）。

共聚物类（ABS、PC/ABS）：因含苯环等稳定结构，初期老化较慢，但长期（>1000小时）后，丁二烯或橡胶相降解，力学性能快速下降，拉伸强度下降25%-30%，抗冲击强度下降50%-60%。

PVC类：分子链含氯原子，初期光氧老化以交联为主，拉伸强度下降平缓，但断裂伸长率与抗冲击性能下降显著（>70%），柔韧性丧失是主要问题。