材料產品耐刮擦測試試驗方法

可靠性測試：
刮擦試驗基本原理
刮擦試驗是汽車塑料內外飾表面質量控制的常規項目，因汽車內外飾塑料零件所處的環境不同，部位不同，種類不同，形成了各種刮擦測試方法。而其基本原理是刮擦頭以一定壓力作用于試樣表面，刮擦頭和試驗樣品以一定的速度做相對運動，運動軌跡一般是直線或圓形，當材料不足以抵抗外界刮擦時發生塑性形變，材料表面被破壞。
由刮擦測試基本原理可知，刮擦頭、負載(壓力)和樣品與刮擦頭相對運動狀態等因素從根本上決定了耐刮擦測試的方法。
首先刮擦頭的材質、形狀和尺寸是決定刮擦測試方法最為關鍵的因素，不同的測試一般對應不同的刮擦頭。常見的刮擦頭為半球形或球形的鋼質材料，經過熱處后理滿足一定的硬度要求，直徑為1mm、0.75mm或0.5mm;
其次，負載即刮擦頭加諸到材料表面的壓力也是一個非常關鍵的參數，它表征試驗的嚴酷等級，不同的耐刮擦測試方法有不同的加載方式，如砝碼加載、杠桿加載和壓縮彈簧加載等;相較于刮擦頭和負載兩個條件，刮擦頭和和材料相對運動的狀態，如速度和行程等是較為次要的參數。
在早期的耐刮擦測試中多采用手動操作，不能保證測試速度的一致，但隨著儀器化的耐刮擦測試設備的不斷發展，測試速度基本可以保持恒定，測試的重復性和再現性得到提高。
本文主要闡述了五指刮擦實驗法、硬度試驗筆刮擦法、網格刮擦實驗法、摩擦色牢度刮擦法等塑料生產廠商及汽車廠商常用的耐刮擦性測試方法，并闡述了影響測試結果的關鍵技術因素及評價方法。
1、五指刮擦測試方法
五指刮擦試驗即以五個金屬手指狀的刮擦頭在不同載荷下劃過材料表面形成刮痕，目視比較劃痕的可見度。試驗裝備主要包括試驗臺、刮擦桿、刮擦頭、砝碼、驅動五部分。實驗前先將樣品固定在試驗臺上，刮擦桿的一頂端固定碳化鎢制材質的高度拋光刮擦頭，直徑為1mm或7mm，刮擦桿另一端固定砝碼，根據樣品尺寸及測試需求確定刮擦桿的安裝位置、數量和負載，刮擦距離一般設定為100mm~200mm，刮擦速度為100mm/s。
測試完成后，要求在光線充足的環境下，通常為明亮的北方天空日光或d65標準光源，目測劃痕，可通過改變樣品與觀察者的角度使劃傷線以最清晰可見的角度呈現。評價時排除劃痕起點和終點兩端各10%的范圍，即僅取中部80%的范圍為有效評價區域。盡管五指刮擦測試方法簡單，仍有一些需要引起注意的事項如：1)樣品表面平整，有效保證各處受力均勻;2)試驗開始前將懸空的刮擦頭輕輕放下，否則刮擦頭可能會在砝碼的作用下在起點處形成凹痕;3)若樣品尺寸小于測試行程，需要在刮擦頭超出樣品邊緣后及時將其抬起至懸空狀態，避免刮擦頭與金屬臺面接觸而受到損傷。
2、硬度試驗筆刮擦測試方法
硬度試驗筆主要包括筆桿、彈簧、刮擦頭、壓力調節滑塊等，測試過程中可更換不同規格的彈簧達到所需的壓力范圍，刮擦頭一般為半球形尖端，直徑有1mm，0.75mm，0.5mm等。測試前安裝符合要求的刮擦頭、彈簧，將壓力調節塊定位到要求的壓力刻度，例如10n或其它規定值，然后手握試驗筆垂直于試驗樣品表面，將刮擦頭壓入到與筆桿前端口平齊或規定的深度，在樣品表面劃行一定距離，如100mm。一般采用目視法評價樣品表面劃痕，可根據相應標準對劃痕進行評級。硬度試驗筆刮擦測試基本原理同五指刮擦類似，優點是設備更為簡單，便于攜帶，可以在任何時間、地點進行快速直接的測試，同時可根據需要設定任意力值，因此硬度試驗筆刮擦法更適合應用于生產現場的質量控制，但是該方法也存在不可規避的缺陷，即手動操作過程中存在人為因素的影響，刮擦速度不可控。
硬度試驗筆刮擦試驗評價方法同五指刮擦測試評價方法一致。
3、網格刮擦測試方法
網格刮擦試驗是以固定載荷及間距在材料表面劃網格，測定刮痕處的顏色變化，用發白程度來表征材料的耐刮擦性能。目前各材料廠商及汽車廠商廣泛采用儀力信十字形切口試驗機完成材料耐刮擦性能測試。刮擦頭為球形尖端，直徑1mm，通過杠桿在刮擦頭上面施加規定的載荷，如5n、10n、15n、20n等。以北美某汽車公司內飾塑料零件耐劃傷測試標準gmw14688為例說明網格刮擦測試方法：儀器的自動引導刮擦頭運動，速度1000mm/min，劃痕間距2mm，長度為40mm，一個方向至少刮擦20道劃痕，之后將樣品旋轉90度，在垂直的方向重復上述過程，最終形成縱橫交錯狀網格痕刮擦。通過測色儀測試劃傷前和劃傷后的l值(l反應顏色的深淺)，計算al*，al*值越大說明刮擦后顏色發白越明顯，材料的耐刮擦效果越差。測試結果采用儀器測量法進行評價更客觀，目前網格刮擦實驗法己得到廣泛的應用。
刮擦頭狀態及負載是影響刮擦測試的關鍵因素。筆者分別使用新刮擦頭和己使用20000次的刮擦頭對同一車用聚丙烯塑料進行網格刮擦實驗，說明刮擦頭狀態對網格刮擦測試結果的影響。表1所示是按照標準gmw14688在10n負載進行網格刮擦測試的結果，發現使用新的刮擦頭時al*無明顯變化，即材料沒有發白的現象，但使用20000次的刮擦頭得到的結果是al*值明顯偏大，分析原因為刮擦頭在使用一定次數后球形尖端摩損嚴重，尺寸和形狀可能已經發生了變化，不能滿足測試要求。所以，在測試過程中需記錄刮擦頭的使用次數并及時檢查刮擦頭的尺寸和形狀，在不能滿足要求時進行更換。
4、其他刮擦測試方法
回形針刮擦法，刮擦頭為回形針，樣品尺寸一般為152mmx152mm，負載為o.75kg，測試時將試樣放置在測試裝置的底板上，4個邊緣分別與底板平行，釋放裝有載荷的回形針，以穩定的速度慢慢拉動樣品進行刮擦，刮擦痕跡平行于樣品邊緣，滑動距離至少為100mm，可用直尺引導樣品以保證刮擦痕與樣品邊緣相平行，同時可以記錄劃痕距離。完成一個方向的刮擦后將樣品旋轉90度，沿著另一邊緣拉動樣品直至4個方向全部劃完。采用目視法評價樣品劃傷程度。
taber摩擦試驗儀刮擦法，分為直線型往復刮擦測試法和圓周型摩擦試驗法，可根據需要配置不同的刮擦頭，并且載荷和速度可調，整個測試過程設備自動運行，測試的重復性和再現性較理想。
耐刮擦性能評價方法
塑料制品破壞形式主要分為三種情況：劃痕，表面變形或開裂;發白(變色)，從不同角度都可以看到刮擦出變白或變色;擦痕，表面有光澤度改變或磨光現象，但基本無變形和變白現。而根據材料的破壞形式可以將耐刮擦性能評價方法分為目視評價和儀器測量兩大類。
目視評價是指將刮擦后的樣品放置在北部天空日光或d65標準人造光源下，使試樣保持水平，必要時轉動試驗樣品以獲得的觀察角度，觀察材料表面受損情況并給予描述，或依照測參考標準對測試前后樣品顏色變化給予評級，如灰卡評級。
目視評價主觀性較高，在條件允許情況下盡量進行多人次評價，至少保證兩個人在互不影響的情況下給出評價結果。儀器評價主要包含顏色變化和光澤變化兩個方面，用色差計和光澤度計測量受試區域在刮擦測試前后的顏色變和光澤度變化值，得到可量化的結果，相較于目視評價儀器評價結果更為客觀，重復性和復現性較好。
塑料制造工業和汽車工業都在積極尋找更好的測試和表征高分子材料的耐刮擦性能的方法，如：五指刮擦實驗法、硬度試驗筆刮擦法、網格刮擦實驗法、摩擦色牢度刮擦法等塑料生產廠商及汽車廠商常用的耐刮擦性測試方法等。