聚氨酯发泡在汽车上的应用

2018-06-20

聚氨酯材料的应用概况

    聚氨酯材料在汽车工业中的应用越来越广泛,已经成为汽车上用量最大的塑料品种之一,全球汽车制造业每年聚氨酯的使用量超过100t2006年,我国汽车工业年产量超过720万辆,聚氨酯的总用量将达到10t以上。聚氨酯一般占车用塑胶的15%,平均每辆车的使用量为15kg,多数采用MDI系列产品。

    根据汽车构件的不同,聚氨酯以泡沫塑料、弹性体、胶粘剂等不同的形态和性能来适应不同的要求。比如聚氨酯泡沫塑料随着配方的改变,具有质量轻、隔热、回弹性好、舒适性好、低温性能好、耐用、安全性和吸振性较高等特点,其优越性是其他材料不能比拟的。

    汽车和家电产品的废泡沫塑料回收已越来越受到人们的重视。最近,国外汽车生产商已经能够回收使用30%的废泡沫塑料,其生产过程是将废泡沫塑料进行清洗、粉碎、干燥,最后用粘合剂将这些废泡沫塑料粘在一起,即可用于生产地毯衬背及其他垫材。

    2 汽车内饰件

    2.1 仪表板

    (1)表皮材料

    目前,汽车制造商在汽车内饰方面追求进一步提高车内部空间的舒适、安全和美观,可以说,汽车内饰越来越向高级化的方向发展。这种高级化首先体现在采用了多种性能各异的材料(纤维织物、真皮革、植毛),使车内所有表面软饰化并力求美化(花纹深粗、木纹、颜色匹配)。软饰表面材料与内部吸音、吸振材料和骨架材料复合成车内顶棚、豪华仪表板、转向盘、座椅等。这种发展实际上与材料再生利用、降低成本自相矛盾。因此,开发既能满足内饰高级化、软饰化、个性化,又能满足轻量化、低成本、材料再生利用要求的内饰用新材料是当务之急。

    BASF公司开发了一种用于汽车内部装饰的聚氨酯弹性体蒙皮材料(TPU)Elastoskin,用于仪表板和门板内饰件面层,其性能优于目前采用的聚氯乙烯(PVC)及其他蒙皮材料,成本比PVC等蒙皮材料还低,是PVC理想的替代品。该材料具有优异的机械性能、非常好的皮革粒面感、柔韧性和豪华感,可用于双色制品;优异的耐久性(耐气候、耐高低温、耐擦伤)使其成为高品质C级以上轿车内饰件表皮材料的首选。该材料已用于Buick Park AvenueOldsmobile Aurora及凯迪拉克CTS等轿车的仪表板和门内板,还将用于Cadillac SevilleCadillac Deville等新车型,总之,该材料在汽车内饰件方面的应用才刚刚开始。使用芳香族聚氨酯喷涂成型表皮的更大意义在于为生产聚氨酯一体化(聚氨酯喷涂表皮+低密度聚氨酯缓冲泡沫+聚氨酯短切纤维骨架)的可回收仪表板提供了一条有效途径。

    另外,Bayer的热塑性聚氨酯采用吹塑成型工艺,用于汽车仪表板和门板。据称,该工艺比浇注成型可节省70%的时间。

    (2)仪表板缓冲层

    仪表板外表皮采用真空成形后,中间填充半硬质聚氨酯泡沫塑料,并与金属或塑料骨架固定。半硬质聚氨酯泡沫塑料的特点是具有较高的压缩负荷、突出的减振性能,非常适于制造汽车仪表板以及扶手、门柱等部件的防护垫层材料。

    (3)骨架材料

    一种聚氨酯结构反应模塑 (SRIM)技术在欧美已有广泛使用,可以有效减轻零部件的质量。其工艺过程是:先预成型表皮,将玻纤毡放入模具,然后再注入聚氨酯树脂,熟化成型(微发泡)。用这种工艺可生产多种汽车饰件,如门内饰板、衣帽架、仪表板骨架和顶棚骨架等。SRIM的优点是可以根据零部件力学性能的不同,灵活设计壁厚、弧度或加强筋。与注塑等产品相比,SRIM具有较低的车内噪声,还能提高产品的物理性能,如密度更低、延伸率更高、不容易产生臭味及发霉问题等,可以创造出舒适的车内环境。

    国内现有的车门板的生产技术是,事先在模具中铺入玻璃纤维,然后注入组合科,合模后熟化模塑出所需的汽车仪表板、门板、空调罩等内饰件。另一种技术是短切玻璃纤维喷射成型。

    RIMRRIM技术成型的聚氨酯制品在汽车上主要用于转向盘。保险杠、车身壁板,发动机罩、行李箱盖。散热器格栅、挡泥板、扰流板等。RRIM制品的质量只有钢材的55%,但零件表面质量和尺寸稳定性需进一步改进,用量不是很大。

    2.2 汽车的座垫、靠背和头枕

    座垫、靠背和头枕是聚氨酯泡沫塑料在汽车上用量很大的部位,也是人们乘坐舒适性最敏感的地方,因而对产品的性能要求也很严格。目前,国内汽车用的聚氨酯泡沫座垫大多为均一密度的冷熟化产品。近几年发展起来的新型汽车座垫采用的是双硬度或多硬度泡沫,这种双硬度座垫的生产既可以采用聚醚多元醇和异氰酸酯经由双头或多头混合头注入模具来实现,也可以采用全MDI冷模塑工艺,通过改变异氰酸酯指数来准确控制座垫不同部位的硬度——座垫中部柔软、两侧较硬。软泡沫给人以舒适感,两侧坚硬部分提供支撑性能,当汽车高速行驶或转弯时.有助于保持驾驶员和乘客的身体稳定、提高乘坐的安全性。一汽集团富奥公司已采用3组分混合技术生产出双硬度和多硬度泡沫,技术在国内居于领先地位。

    2.3 车门扶手

    扶手的结构是中间有钢骨架与门板固定、外层覆盖自结皮半硬质聚氨酯泡沫塑料,表面具有装饰性花纹,使人们在乘坐时有舒适感和安全感。在轿车的左、右门内护板上也有搁手,其材质有自结皮半硬质聚氨酯泡沫塑料,也有搪塑表皮中填泡沫塑料结构。使用在该部位的材质应耐汗、无气味.硬度指标和高、低温性能等都好。

    2.4 转向盘总成

    我国乘用车的方向盘基本上都是以半硬质自结皮聚氨酯泡沫塑料做为外覆盖层,内部由钢骨架经焊接而成,现已逐渐转向铝镁合金整体压铸。覆盖层的硬度一般在ShoreA6080

    2.5 隔音、隔热用途的泡沫塑料

    (1)汽车顶棚、门内板

    车内顶棚是采用各种材料复合加工成型的制品,要求具有隔热、吸音、隔音、吸振等多种功能。软质顶棚采用聚氨酯泡沫塑料复合纤维织物、无纺布及人造革等材料制成,硬质顶棚是采用织物纤维、玻璃纤维、纸板和聚氨酯泡沫经过层合压制得到的。

    汽车上使用聚氨酯泡沫塑料片材的地方也较多,如座椅的面料目前采用较多的是纺织物+PU+针织合成纤维。顶内饰采用PVC薄膜+PU复合后,在其表面冲有小孔,再用粘接剂贴于驾驶室顶内。

    门立柱装饰板材料常常采用PPPPO。考虑到材料成本,将来高流动性、高刚性、抗冲击性良好的PP材料具有一定的优势。门立柱装饰板的表面色泽必须与车内整体颜色匹配,要求防静电、耐擦伤、美观,因此发展丙烯板材与表面装饰材料一体真空成型或热压成型的生产技术能够满足批量不是很大的轿车生产的需求。

    (2)密封用聚氨酯泡沫塑料

    在汽车的暖风空调系统、仪表板总成,电器部分或其它部位都有一些矩形软质聚氨酯泡沫塑料的密封块。车身AB柱空腔泡沫浇注,有的用减振膨胀胶片,以减少车身的振动和噪声。

    3 微孔聚氨酯用作车底板减振垫

    微孔聚氨酯泡沫塑料有望在大多数车体中替代橡胶材料用作车身底板减振垫,北美汽车制造厂正在努力使汽车更加安静和舒适。减振垫安装在车的底盘上,用于隔离车体与框架,以改善乘车及驾驶质量。微孔聚氨酯是独特的隔音、消振(NVH)的革新材料。

    微孔聚氨酯作为橡胶车体装配的替代品,具有竞争性的价格,能有效地改善减振性能、延长材料性能保持时间、减轻质量,并且改善了组装工艺。使用微孔聚氨酯的另一个优点是,通过改变材料密度,可方便地使车身底盘防振胶垫最佳化,而不是像传统工艺那样必须通过改变材料生产配方或产品几何形状来调整。后者需制作原型,成本高且费时。

    低发泡PVC材料+PU发泡材料+多孔材料这种复合结构多用于轻型客车上,将低发泡PVC材料采用真空吸塑后定形,在局部填充发泡PU材料,并在背面局部粘贴多孔材料。该结构既富有弹性又比较挺实,而且脚感性、隔音、隔热性能较好。

    4 冷藏车保温层

    为了有效保证车身内饰隔音、隔热的效果,除了冷藏车中间的保温层使用硬质聚氨酯泡沫塑料外,厢式面包车还采用现场喷泡的方式来扩大硬质聚氨酯泡沫塑料的应用——在车身顶部及两侧内部采用现场喷涂硬质聚氨酯泡沫塑料,并与车身内、外蒙皮粘接成一个有机整体,从而有效地提高车体的隔热、保温和密封性能,防止车身腐蚀、减小车体振动、降低车内噪声。每台车估计用量在20kg左右。

    硬质聚氨酯泡沫塑料制成的发动机隔热罩由聚氨酯泡沫,玻璃纤维毡、尼龙织物层或铝薄膜复合压制而成,具有质轻、隔热性好的特点。

    玻纤增强聚氨酯泡沫塑料在汽车制件上的应用也在逐步扩大,如汽车整体顶内饰用制件采用纺织物加玻纤增强PU制成。再如轮罩挡泥板、油底壳挡泥板等制件轻薄、形状复杂,对工艺要求较高,而且要求防石溅、耐冲击并能承受高、低温性能。

    5 应用技术展望

    近来,许多汽车内饰件呈现出以聚烯烃(PO)泡沫塑料取代聚氨酯(PUR)材料的发展趋势,几种聚烯烃泡沫塑料正在不断挑战聚氨酯泡沫塑料在许多方面的应用,包括汽车内装饰件表层、泡沫、涂复纤维、织物和隔声系统。发泡聚烯烃替代聚氨酯泡沫塑料的推动力在于产品成本,还有制品的回收性和是否能够减少毒气的排放,因为在PUR泡沫加热层压织物过程中会产生有毒气体。

    汽车仪表板的功能多、零件多、结构复杂,汽车内饰件材料的回收利用首先应该考虑仪表板。目前的仪表板大多由PVC表皮+半硬发泡PU+骨架构成,材料的回收利用非常困难。仪表板的发展趋势是,设计上容易拆卸且容易装配、选材上符合设计要求并考虑回收的可能性,尽量做到美观和低成本。这就有可能促进热塑性塑料仪表板和单一品种塑料仪表板的发展,但应满足安全、美观的要求。

    轿车的车内顶棚一般由玻璃纤维+发泡聚氨酯+表面装饰织物等成型,货车一般采用表面附有人造革或纤维织物的泡沫片材粘贴型顶棚。考虑到功能和回收利用的要求,将来的发展趋势是骨架、吸音、隔热和表皮材料尽量为同种材料,或者使用不需分离、可直接一次性回收使用的增强复合材料。

    PU革逐渐替代PVC人造革。PVC人造革作为第一代人工皮革产品,以其近似天然皮革、外观鲜艳、质地柔软、耐磨。耐折、耐酸碱等特点,从20世纪70年代发展至今,已经有了相当大的规模,但由于透气性和吸湿性较差,近几年的发展已经受到一定限制。目前,凡是使用PVC的场合,PU均能成为其替代品。PU不仅有卓越的高强度和韧性,而且耐老化。透气、透湿、不透水、耐油,是种成熟的环保材料。

    一汽集团富奥江森公司是汽车内饰制品行业的骨干厂,每年座椅、仪表板等软化制品耗用的聚氨酯原材料达1万多t,仅长春就需要用4000t。为捷达、奥迪、马自达、解放汽车配套供应的座椅、仪表板等软化制品的品种多达100多个,每年耗用聚氨酯原材料3000t

    聚氨酯泡沫和制品存在的技术问题主要有:MDITDI和添加剂混合科的存放稳定性、产品的耐湿热老化性、由于发泡工艺不稳定而形成的产品空泡、开裂等缺陷。

    聚氨酯泡沫和制品的发展需求主要有:轻量化、多硬度、低气味、低雾度、耐老化、存放稳定性、环保方面,如发泡剂的替代问题


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