关于汽车车灯用有机玻璃应力开裂的研究

刘海军

曼德电子电器有限公司河北保定071000

摘要：随着国民经济的增长，我国的汽车工业也有长足的进步，汽车灯具作为外观与功能实现的零部件，对汽车整体品质有着很重要的作用。有机玻璃具有质轻、价廉，易于成型等优点。它的成型方法有浇铸，射出成型，机械加工、热成型等。尤其是射出成型，可以大批量生产，制程简单，成本低。本文对汽车车灯用有机玻璃材料的环境应力开裂时间与溶剂的溶解度参数有关，并且还与聚合物的结晶性以及聚合物中填充物的加入有密切的关系。

关键词：车灯；有机玻璃；环境应力开裂；溶解度参数；结晶性；填料

前言

随着国民经济的增长，我国的汽车工业也有长足的进步，汽车灯具作为外观与功能实现的零部件，对汽车整体品质有着很重要的作用。车灯主要有照明灯具和信号灯具两类。照明灯具包括汽车必备的远光与近光前照灯。信号灯主要有前后示宽灯，制动信号灯及转向信号灯等。车灯主要包括灯罩、内灯罩、灯毂、灯框、反射镜、灯泡等部件，通过不同的方式连接后组成为完整的车灯。

灯罩的主要功能是承接车体外形平滑的过渡，密封灯体，对从灯体内射出的光线进行过滤变色和折射，最后达到符合国家标准的光形和照度值。一般情况下，后尾灯的灯罩一般都是有机玻璃的，除了廉价的因素外，后尾灯一般都是单机能信号灯组合体，需要红色和透明双色相间，所以流动性好地有机玻璃就是不二之选了。有机玻璃是一种通俗的名称，这种高分子透明材料的化学名称叫聚甲基丙烯酸甲酯，是由甲基丙烯酸甲酯聚合而成的。

环境应力开裂指塑料暴露于化学介质中，受到低于其屈服点的应力或者说低于其短期强度的应力（包括内、外应力及两种应力的组合）的较长期作用而发生开裂破坏的现象。环境应力开裂的化学介质一般指表面活性物质（如醇类、皂类和润滑剂等）和溶剂。引起塑料环境应力开裂主要有以下两方面的原因：一是湿润聚合物表面的液体造成聚合物表面张力的降低，因而降低裂纹形成的能量；二是溶剂使聚合物增塑和溶胀，降低其玻璃化转变温度Tg和粘度，使蠕变过程容易发生。

本文对汽车车灯用有机玻璃材料的环境应力开裂时间与溶剂的溶解度参数有关，并且还与聚合物的结晶性以及聚合物中填充物的加入有密切的关系。

1有机玻璃的性能

有机玻璃材料表面光滑、色彩艳丽，比重小，强度较大，耐腐蚀，耐湿，耐晒，绝缘性能好，隔声性好。可分管形材、棒形材、板形材三种。透光柔和，用它制成的灯箱、工艺品，使人感到舒适大方。有色的机玻璃分为透明有色、半透明有色，不透明有色三种。磁有机玻璃光泽不如珠光有机玻璃鲜艳，质脆、易断、适于制作表盘、盒、医疗器械和人物、动物的造型材料。透明有机玻璃：透明度高，宜制灯具。用它制成的吊灯、玲珑剔透、晶莹澄澈。半透明有机玻璃类似磨砂玻璃，反光柔和，用它制成的工艺品，使人感到舒适大方。无色透明有机吊灯，玲珑剔透，晶莹澄澈。珠光有机动性玻璃：是在一般有机玻璃加入珠光粉或荧光粉著成。这类有机玻璃色泽鲜艳，表面光洁度高，外形式经模具热压后，即使磨平抛光，仍保持模压花纹，形成独物的艺术效果。用它可制作人物、动物造型，商标、装饰品及宣传展览材料。压花有机玻璃：分透明、半透明无色，质脆，易断，适于制作。

2车灯塑料的环境应力开裂时间

聚合物环境应力开裂实验所取的应变量，在该应变下几种车灯塑料的开裂情况，可以看出不同聚合物开裂情况差异很大，即使同一种聚合物在不同的化学介质中，环境应力开裂时间也很不一致。由此可见，环境应力开裂时间和车灯塑料的种类及其所处的环境都有很大的关系。溶剂开裂的本质是聚合物溶解和开裂两种倾向相互竞争的结果。溶剂的作用是通过溶解降低聚合物的玻璃化转变温度和蠕变粘度，导致聚合物容易开裂；但同时由于溶解作用，聚合物链又有无序化的倾向，这是一种与开裂竞争的过程。

填料成为聚合物中的不均一区域，容易产生应力集中，从而在填料部位产生微裂纹，但由于填料粒子半径较大，增加了微裂纹尖端的曲率半径，阻止微裂纹的发展，避免裂纹的出现。

3溶解度参数与环境应力开裂的关系

当溶剂的溶解度参数在聚合物的溶解度参数范围内时，聚合物强烈溶解；当溶剂的溶解度参数和聚合物的溶解度参数接近时，聚合物容易发生环境应力开裂；当溶剂的溶解度参数和聚合物的溶解度参数相差较大时，聚合物不易溶解和开裂；存在几率很小的情况，即聚合物和溶剂的溶解度参数相近时聚合物不易开裂。因此溶解度参数基本上可以用来预测聚合物在一些化学介质中的安全性，即是否容易溶解或发生环境应力开裂，但是也存在一些特殊情况，PMMA在四氯化碳中开裂时间都相对较长，但是它们的溶解度参数都很接近。这可以从三维溶解度参数进行很好的说明，因为它们的三维溶解度参数相差很大，聚合物链和溶剂分子之间缺乏较强的特殊相互作用。

4紫外光和水对有机玻璃应力开裂的影响

在常温下，水对有机玻璃的活性远远低于其它有机溶剂。在有限的应力作用下以水作为应力一溶剂银纹试验中的溶剂，有机玻璃不出现银纹。有机玻璃在不同溶剂作用下，产生的应力一溶剂银纹的形态也明显不同。应力水平相同时，在乙酸乙醋作用下产生的银纹比在其它溶剂作用下的要粗大得多。由于应力一乙酸乙酷银纹的终止线最容易判断，所以在研究水和紫外光照等因素的作用时，均以乙酸乙醋为溶荆进行应力一溶剂银纹试验。

将试样按照吸水→紫外光照射→应力→容积银纹→吸水的方式进行周期循环，试样在这个周期循环中出现断裂，说明多重因素对有机玻璃的破坏远远大于单一因素的作用。有机玻璃吸水后，其表面被塑化，抗应力—溶剂银纹的能力下降。在接下来的紫外光照射下，其本身的高分子连段出现断裂，分子量出现降低，抗应力—溶剂银纹能力下降。同时，在水分挥发的过程中，表层水分挥发速度高于内部水分挥发速度，水分挥发后，引起有机玻璃本身的体积收缩，这样产生内外部的收缩膨胀体积限制，进而使得表面处于张应力状态，导致在随后的循环过程中银纹尺寸增大，尤其是增加银纹深度。

有机玻璃在水或紫外光照单一环境因素作用下，失效过程主要表现为薄弱点的增多。而在多因素循环作用下，则主要是已有薄弱点的恶性循环。

在实际使用中，有机玻璃舱盖既受应力作用（特别在那些后弧槽和螺栓孔边），又不可避免地受到日晒（光照）雨淋（水），有时还接触醇类溶剂。因而上述多因素循环作用更接近于实际使用条件。在这种条件下，如果舱盖玻璃上一旦出现一个或多个尺寸可观，雨水容易渗入的银纹，则它们很可能较迅速地发展成裂纹。不难设想，如果板材还受外力或溶剂作用，或同时受外力和溶剂作用，则情况会更严重。

结语

1.溶剂的作用是通过溶解降低聚合物的玻璃化转变温度和蠕变粘度，导致聚合物容易开裂；但同时由于溶解作用，聚合物链又有无序化的倾向，这是一种与开裂竞争的过程。填料成为聚合物中的不均一区域，容易产生应力集中，从而在填料部位产生微裂纹，但由于填料粒子半径较大，增加了微裂纹尖端的曲率半径，阻止微裂纹的发展，避免裂纹的出现。

2.因此溶解度参数基本上可以用来预测聚合物在一些化学介质中的安全性，即是否容易溶解或发生环境应力开裂。

3.有机玻璃在水或紫外光照单一环境因素作用下，失效过程主要表现为薄弱点的增多。而在多因素循环作用下，则主要是已有薄弱点的恶性循环。

参考文献：

[1]周维祥.塑料测试技术[M].化学工业出版社，1996：486.

[2]叶斌.塑料的环境应力纹裂[J].工程塑料应用，1986，（1）：56～63.

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