耐刮擦测试原理
 

　　耐刮擦试验基本原理是刮擦头以一定压力作用于试样表面，刮擦头和试验样品以一定的速度做相对运动，运动轨迹一般是直线或圆形，当材料不足以抵抗外界刮擦时发生塑性形变，材料表面因此被破坏。
 

       耐刮擦测试影响因素
 

　　由刮擦测试基本原理可知，刮擦头、负载(压力)和样品与刮擦头相对运动状态等因素从根本上决定了耐刮擦测试的方法。首先刮擦头的材质、形状和尺寸是决定刮擦测试方法最为关键的因素，不同的测试一般对应不同的刮擦头。
 

　　常见的刮擦头为半球形或球形的钢质材料，经过热处后满足一定的硬度要求;其次，负载即刮擦头施加到材料表面的压力也是一个非常关键的参数，它表征试验的严酷等级，不同的耐刮擦测试方法有不同的加载方式，如砝码加载、杠杆加载和压缩弹簧加载等;相较于刮擦头和负载两个条件，刮擦头和材料相对运动的状态，如速度和行程等是较为次要影响的参数。
 

       塑料制品耐刮擦的三种主要破坏形式
 

　　塑料制品破坏形式主要分为三种情况：划痕，表面变形或开裂;发白(变色)，从不同角度都可以看到刮擦出变白或变色;擦痕，表面有光泽度改变或磨光现象，但基本无变形和变白现象。
 

       车用塑料常用的耐刮擦测试方法
 

　　五指刮擦试验
 

　　五指刮擦测试方法
 

　　五指刮擦试验即以五个金属手指状的刮擦头在不同载荷下划过材料表面形成刮痕，目视比较划痕的可见度。试验装备主要包括试验台、刮擦杆、刮擦头、砝码、驱动五部分。
 

　　实验前先将样品固定在试验台上，刮擦杆的一顶端固定碳化钨制材质的高度抛光刮擦头，直径为1mm或7mm，刮擦杆另一端固定砝码，根据样品尺寸及测试需求确定刮擦杆的安装位置、数量和负载，刮擦距离一般设定为100mm~200mm，刮擦速度为100mm/min。
 

　　测试完成后，要求在光线充足的环境下，通常为明亮的北方天空日光或D65标准光源，目测划痕，可通过改变样品与观察者的角度使划伤线以最清晰可见的角度呈现。评价时排除划痕起点和终点两端各10%的范围，即仅取中部80%的范围为有效评价区域。
 

　　尽管五指刮擦测试方法简单，仍有一些需要引起注意的事项如：
 

　　1)样品表面平整，有效保证各处受力均匀;
 

　　2)试验开始前将悬空的刮擦头轻轻放下，否则刮擦头可能会在砝码的作用下在起点处形成凹痕;
 

　　3)若样品尺寸小于测试行程，需要在刮擦头超出样品边缘后及时将其抬起至悬空状态，避免刮擦头与金属台面接触而受到损伤。
 

　　五指刮擦试验：
 

　　即以五个金属手指状的刮擦头在不同载荷下划过材料表面形成刮痕，目视比较划痕的可见度。
 

　　试验装备：
 

　　主要包括试验台、刮擦杆、刮擦头、砝码、驱动五部分。
 

　　测试步骤：
 

　　实验前先将样品固定在试验台上，刮擦杆的一顶端固定碳化钨制材质的高度抛光刮擦头，直径为1mm或7mm，刮擦杆另一端固定砝码，根据样品尺寸及测试需求确定刮擦杆的安装位置、数量和负载，刮擦距离一般设定为100mm~200mm，刮擦速度为100mm/s。
 

　　硬度试验笔刮擦测试方法
 

　　测试仪器：
 

　　硬度试验笔主要包括：笔杆、弹簧、刮擦头、压力调节滑块等，测试过程中可更换不同规格的弹簧达到所需的压力范围，刮擦头一般为半球形尖端，直径有1mm，0.75mm，0.5mm等。
 

　　测试步骤：
 

　　测试前安装符合要求的刮擦头、弹簧，将压力调节块定位到要求的压力刻度，例如10N或其它规定值，然后手握试验笔垂直于试验样品表面，将刮擦头压入到与笔杆前端口平齐或规定的深度，在样品表面划行一定距离，如100mm。
 

　　注：铅笔硬度法是传统用于评估高光无皮纹表面耐刮擦性的方法，如：PC/ABS、PMMA/ABS、PET等;以不产生擦痕的铅笔硬度值来评定耐刮擦性等级，且硬度不是决定表面耐刮擦性的唯一标准。
 

　　测试评价：
 

　　一般采用目视法评价样品表面划痕，可根据相应标准对划痕进行评级。硬度试验笔刮擦测试基本原理同五指刮擦类似，优点是设备更为简单，便于携带，可以在任何时间、地点进行快速直接的测试，同时可根据需要设定任意力值，因此硬度试验笔刮擦法更适合应用于生产现场的质量控制，但是该方法也存在不可规避的缺陷，即手动操作过程中存在人为因素的影响，刮擦速度不可控。硬度试验笔刮擦试验评价方法同五指刮擦测试评价方法一致。
 

　　网格刮擦测试方法
 

　　网格刮擦试验：
 

　　网格刮擦试验是以固定载荷及间距在材料表面划网格，测定刮痕处的颜色变化，用发白程度来表征材料的耐刮擦性能。
 

　　目前各材料厂商及汽车厂商广泛采用仪力信十字形切口试验机完成材料耐刮擦性能测试。刮擦头为球形尖端，直径1mm，通过杠杆在刮擦头上面施加规定的载荷，如5N、10N、15N、20N等。
 

　　以北美某汽车公司内饰塑料零件耐划伤测试标准GMW14688为例说明网格刮擦测试方法：仪器的自动引导刮擦头运动，速度1000mm/min，划痕间距2mm，长度为40mm，一个方向至少刮擦20道划痕，之后将样品旋转90度，在垂直的方向重复上述过程，最终形成纵横交错状网格痕刮擦。
 

　　通过测色仪测试划伤前和划伤后的L值(L反应颜色的深浅)，计算△L*，△L*值越大说明刮擦后颜色发白越明显，材料的耐刮擦效果越差。测试结果采用仪器测量法进行评价更客观，目前网格刮擦实验法己得到广泛的应用。
 

　　刮擦头状态及负载是影响刮擦测试的关键因素：
 

　　笔者分别使用新刮擦头和己使用20000次的刮擦头对同一车用聚丙烯塑料进行网格刮擦实验，说明刮擦头状态对网格刮擦测试结果的影响。
 

　　如上表所示所示：按照标准GMW14688在10N负载进行网格刮擦测试的结果，发现使用新的刮擦头时AL*无明显变化，即材料没有发白的现象，但使用20000次的刮擦头得到的结果是AL*值明显偏大，分析原因为刮擦头在使用一定次数后球形尖端摩损严重，尺寸和形状可能已经发生了变化，不能满足测试要求。所以，在测试过程中需记录刮擦头的使用次数并及时检查刮擦头的尺寸和形状，在不能满足要求时进行更换。
 

　　注：网格刮擦测试通过杠杆方式加载载荷，需要定期调整杠杆的平衡，更换刮擦头之后也需要重新调整杠杆的平衡，保证加载至材料表面的力值符合要求。测试过程中需要根据材料性能选择合适的载荷，因为负载决定刮擦测试的严酷等级，过大或过小都不能有效表征材料耐刮擦性能的优劣。
 

　　如上表所示：数据是同一牌号车用聚丙烯材料在10N、15N、20N三种负载下的测试结果，由上表可以看出，10N载荷下材料的L基本没有变化，材料没有发白的现象，20N负载时L由28.47升高至32.39，AL*高达3.92，材料表面出现明显发白现象。由此可知，在进行网格刮擦测试时选择合适的载荷非常重要。
 

　　摩擦色牢度刮擦测试方法
 

　　摩擦色牢度刮擦测试：
 

　　是纺织品最基本的色牢度考核指标，试验方法是将干摩擦布和湿摩擦布在一定的载荷下与着色纺织品进行摩擦，然后参照沾色灰度卡对摩擦布的沾色程度进行评级，其中五级最好，一级最差。
 

　　注：摩擦色牢度测试方法简便，但应用范围日益广泛，很多汽车厂商将该方法并将其应用到塑料制品耐刮擦性能的测试中，并建立了相应的测试标准。以法国某汽车厂商的测试标准D451010为例对车用内外饰塑料零件的耐刮擦测试方法进行说明。
 

　　标准中明确规定了摩擦头、载荷、速度等各关键参数，除干态摩擦外还规定了在水、酒精、肥皂水和汽油等液体存在的情况下进行的湿态摩擦色牢度测试方法，即首先在标准摩擦布上浸渍不同种类的液体再进行摩擦色牢度测试。
 

　　湿态摩擦：
 

　　可以更好的模拟塑料零件在受到液体影响时的摩擦磨损情况，例如蒸馏水湿态摩擦可模拟雨雪天气情况下塑料外饰件的耐刮擦性能，肥皂水摩擦可模拟在清洗车辆过程中塑料零件受到的摩擦磨损情况。湿态摩擦色牢度测试法弥补了其他类型耐刮擦测方法的不足，强化了液体对材料耐刮擦性能的影响。
 

　　测试评价：
 

　　塑料制品测试后的评价包括两个部分，分别是摩擦布的沾色评级和材料表面状态评价，而后者是评价的重点内容，使用色差计及光泽度计测量材料受试前后颜色变化和光泽度变化，同时可以采用变色灰卡对测试后样品给予评级，五级最优，一级最差。
 

　　在进行湿态摩擦色牢度刮擦测试时应严格按照要求取出规定体积的液体作用于标准摩擦布，对于酒精、汽油等易挥发液体，建议将标准摩擦布固定在摩擦头上之后再进行浸渍，避免液体的过度挥发影响试验结果。
 

　　其它的测试方法
 

　　回形针刮擦法：
 

　　刮擦头为回形针，样品尺寸一般为152mmx152mm，负载为0.75kg，测试时将试样放置在测试装置的底板上，4个边缘分别与底板平行，释放装有载荷的回形针，以稳定的速度慢慢拉动样品进行刮擦，刮擦痕迹平行于样品边缘，滑动距离至少为100mm，可用直尺引导样品以保证刮擦痕与样品边缘相平行，同时可以记录划痕距离。完成一个方向的刮擦后将样品旋转90度，沿着另一边缘拉动样品直至4个方向全部划完。采用目视法评价样品划伤程度。
 

　　TABER摩擦试验仪刮擦法：
 

　　为直线型往复刮擦测试法和圆周型摩擦试验法，可根据需要配置不同的刮擦头，并且载荷和速度可调，整个测试过程设备自动运行，测试的重复性和再现性较理想。
 

　　总结
 

　　在我国，塑料产品想要检测划痕性能，是没有相关权威的国家标准或行业标准可供依据的。其实有关划痕试验的检测方法标准也较少，大多都是针对陶瓷、涂料这些产品制定的方法标准。我们为什么要重视塑料的划痕性能呢?大家都知道塑料是高分子材料，被广泛用于建材、包装、汽车等领域。对于应用在这些领域的产品，如果表面划痕性能较差，一旦与尖锐物体相互作用就容易造成产品外观缺陷，或影响产品的耐久性、安全性能。所以，塑料划痕试验在此就显得尤为必要。
 

　　当前塑料划痕性能检测相关的试验方法分析
 

　　由于划痕试验是汽车内外饰件表面质量控制的常规检测项目，所以当前广泛使用的各种塑料制品划痕性能的测试方法基本由汽车行业发展而来。这些划痕试验主要是检查各种汽车内外饰件表面受到硬物(钥匙、硬币等)划痕等环境应力时发生的变化情况，例如在塑料表面留下刮痕，引起变色、光泽改变。工业界常用的塑料划痕测试方法主要有五指划痕试验、十字划痕试验、硬度试验笔划痕、摩擦色牢度划痕、Taber 摩擦仪划痕等。
 

　　1.五指划痕试验法：即以 5 个金属手指状的划痕头在不同载荷下划过材料表面形成刮痕，测试完成后在光线充足的环境下目视比较刮痕的可见度;
 

　　2.十字划痕试验：以固定载荷及间距在材料表面划网格，测定刮痕处的颜色变化，用 ΔL*值代表的发白程度来表征材料的耐划痕性能，ΔL*值越大说明材料的耐划痕性能越差;
 

　　3.硬度试验笔划痕法：通过采用硬度笔不同规格的弹簧达到所需的载荷，其评价方法同五指划痕测试评价方法一致;
 

　　4.摩擦色牢度划痕法：将干摩擦布和湿摩擦布(水、酒精、肥皂水和汽油等)在一定的载荷下与着色塑料制件进行摩擦，然后参照沾色灰度卡对摩擦布的沾色程度进行评级;
 

　　5.Taber 摩擦仪划痕法：采用 Taber 摩擦试验仪安装专用划痕头，测试时将开孔圆形样品固定在样品台上划痕规定的圈数，然后采用目视评价法检查样品表面的损伤程度。
 

　　以上划痕实验方法虽被工业界广泛采用，但其评价结果因多采用定性参数，只能加载恒定载荷，载荷不能连续变化，不能定量地得到导致破坏的载荷和速率，难以对塑料材料的表面划痕行为进行深入探测和分析。
 

　　除了以上各大汽车制造商制定的划痕试验外，国内外相关的参考标准如下：
 

　　ASTM D 7027 - 20 Standard Test Method for Evaluation of Scratch Resistance ofPolymeric Coatings and Plastics Using an Instrumented ScratchMachine
 

　　EN 438-2：2016 High-pressure decorative laminates (HPL) - Sheets basedon thermosetting resins (usually called laminates) - Part 2:Determination of properties
 

　　SN/T 4449-2016 汽车内饰材料耐刮擦试验方法
 

　　类似的标准还有：
 

　　EN 16094:2021Laminate floor coverings - Test method for the determinationof micro-scratch resistance
 

　　ISO 20502:2005 Fine ceramics(advanced ceramics, advanced technical ceramics) —Determination of adhesion of ceramic coatings by scratchtesting
 

　　ISO 1518-1:2019 Paints and varnishes — Determination of scratch resistance — Part 1:Constant-loading method
 

　　ISO 1518-2:2019 Paints and varnishes — Determination of scratch resistance — Part 2:Variable-loading method
 

　　GB/T 9279.1-2015 色漆和清漆 耐划痕性的测定 第 1 部分 负荷恒定法
 

　　GB/T 9279.2-2015 色漆和清漆 耐划痕性的测定 第 2 部分 负荷改变法
 

　　GB/T 6739-2006 色漆和清漆 铅笔法测定漆膜硬度。
 

　　在这些国内外的划痕性能测试方法中，除了 ASTM D 7027 - 20外，也只有ISO 19252：2008 是通过线性递增地施加法向力载荷，从而在材料表面的划痕路径上形成持续变化的损伤形貌。该标准中采用仪器化的划痕机试验，通过加载连续载荷或调节划痕速度测试试样表面开始破坏或产生划痕的临界负荷条件。ISO 19252：2008 将划痕可见性、划痕破坏类型与试验载荷、切向划痕力、划痕距离、临界法向载荷等参数建立了对应关系，从而建立了一种新的划痕测试方法。该方法采用恒定载荷和线性增长载荷 2 种模式，可以获得划痕破坏类型、划痕视图和临界法向载荷，并借助其他辅助设备进一步评估划痕，试验结果客观、准确、可重现。
 

　　具体试验方法如下：
 

　　1.将硬质刮头垂直于试样表面施加载荷，并以恒定的速度在试样长度方向沿着试样轴线移动。
 

　　2.划痕过程中，刮头和试样水平方向的相互作用力(切向划痕力)、刮头垂直方向的位移(刮头位移)、划痕距离等参数可以连续测量并记录。
 

　　3.划痕过程中绘制的切向划痕力-划痕距离、刮头位移-划痕距离曲线图可以描述试样的划痕破坏类型。
 

　　4.采用恒定载荷试验的基本方法时，在一系列试验条件下(载荷和速度)，可以测定划痕破坏类型，并以划痕相图表示。
 

　　5.采用线性增长载荷试验的取代方法时，在设定的试验速度下可以测定划痕的临界法向载荷。
 

　　6.切向划痕力-划痕距离曲线中斜率和/或曲线波动的变化可以表示划痕破坏类型的转变(例如：从光滑划槽到重复性破坏或材料剥离)。
 

　　综上所述，在国内标准尚未出台塑料划痕试验的情况下，我们完全可以参考国际标准组织出台的ISO 19252：2008 《塑料 划痕性能的测定》来评价塑料材料的耐划痕性能，为改善产品划痕性能提供必要的检测数据，当然塑料材料在划痕性能的定量表征、设计、评估和生产，都可以借鉴ISO 19252：2008 给出的参数、模量。