經(jīng)濟型發(fā)泡技術的開發(fā)及在汽車內(nèi)飾件的應用

樊琪　孫建軍

摘 要：經(jīng)濟型發(fā)泡又被稱為薄壁發(fā)泡，是一種對材料性能、設備精度、模具設計、產(chǎn)品設計、工藝控制等具有較高要求的復雜技術。該技術使內(nèi)飾件具備舒適軟觸感及碰撞吸能特性的同時，還可以明顯降低內(nèi)飾件的重量，滿足節(jié)能要求，這一技術符合汽車輕量化趨勢。

關鍵詞：經(jīng)濟型發(fā)泡 內(nèi)飾件 輕量化

1 引言

隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，汽車逐年普及給人們生活帶來了便利，同時也對能源消耗及環(huán)境污染產(chǎn)生巨大影響。為保持汽車產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展，節(jié)能減排勢在必行。研究表明汽車輕量化可以顯著降低油耗，汽車整體質(zhì)量每減少100Kg，百公里油耗可降低0.3～0.6L[1]。

與注塑材質(zhì)內(nèi)飾相比，發(fā)泡內(nèi)飾具有彈性舒適的手感，同時可以在車輛發(fā)生碰撞時發(fā)揮緩沖吸能效果，保護車內(nèi)乘員。發(fā)泡技術被廣泛地應用于內(nèi)飾件，常見的有儀表板、方向盤、副儀表板、頂棚、遮陽板、門內(nèi)飾板、門扶手等。近年來，為了滿足輕量化要求，內(nèi)飾產(chǎn)品也從材料和工藝上不斷研究并取得一定進展，其中經(jīng)濟型發(fā)泡技術通過產(chǎn)品設計和工藝提升，保留彈性舒適功能的同時，降低發(fā)泡層厚度，從而實現(xiàn)輕量化目的。

2 內(nèi)飾件發(fā)泡技術概述

汽車內(nèi)飾件大多采用聚氨酯發(fā)泡技術，主要過程是通過高壓發(fā)泡機將異氰酸酯、聚醚多元醇雙組分進行充分混合后澆注進模具，之后在帶有溫度控制的模具內(nèi)進行一系列鏈增長、氣體發(fā)生、交聯(lián)化學反應，最終形成多孔性高分子結構的泡沫塑料。聚氨酯泡沫塑料形成過程中，主要發(fā)生下列4種反應[2]：

（1）異氰酸酯和羥基反應——多異氰酸酯和多元醇（聚醚、聚酯或其它多元醇）反應生成聚氨酯：

（2）異氰酸酯和水反應——帶有異氰酸酯基團的化合物和水反應，先形成不穩(wěn)定的氨基甲酸，然后分解成胺和二氧化碳：

胺基進一步和異氰酸酯基團反應生成含有脲基的聚合物：

（3）脲基甲酸酯反應——氨基甲酸酯基團中氮原子上的氫與異氰酸酯反應，形成脲基甲酸酯：

（4）縮二脲反應——脲基中氮原子上的氫與異氰酸酯反應形成縮二脲：

上述四個反應中：（1）、（2）屬于鏈增長反應，后者還生成二氧化碳，因而既可看成鏈增長反應，又可視作氣體發(fā)生反應，我們通常稱之為放氣反應。通常在無催化劑存在下，這兩個反應是很快的。（3）、（4）二個反應為交聯(lián)反應，隨著此反應的不斷進行，原料的粘度會逐漸增加，因此我們通常稱之為凝膠反應。在聚氨酯泡沫制造過程中，這些反應都是以較快的速度同時進行著，在催化劑存在下，有的反應在很短的時間內(nèi)即能大部分完成，最后形成高分子量和具有一定交聯(lián)度的聚氨酯泡沫體。

軟質(zhì)內(nèi)飾件一般包括三層，最上層為表皮（PVC、TPO、真皮等），中間層為聚氨酯泡沫，最下層為骨架基板（PP/玻璃纖維、SMA、PC/ABS等），發(fā)泡工藝就是將這三層材質(zhì)復合成型的過程。

3 經(jīng)濟型發(fā)泡技術

傳統(tǒng)的內(nèi)飾件泡沫厚度一般為8～15mm，局部甚至會超過20mm，泡沫密度為180～220Kg/m3。經(jīng)濟型發(fā)泡又稱為薄壁發(fā)泡，是一種對產(chǎn)品設計、材料流動性、設備/模具精度、工藝控制等有較高要求的復雜技術，通過經(jīng)濟型發(fā)泡技術可以把泡沫厚度做到4～6mm（如圖1），泡沫密度160～180Kg/m3左右，整體重量下降30%以上。下面我們以發(fā)泡儀表板為例，從產(chǎn)品、材料、工藝、設備、模具等方面進行初步探討，并在實際產(chǎn)品中開發(fā)應用。

3.1 產(chǎn)品設計

儀表板處于駕駛艙前端，既是駕駛員和乘客直接目視區(qū)域，又是承載裝飾面板、出風口、手套箱、空調(diào)控制開關、組合儀表和導航娛樂系統(tǒng)等功能部件的載體，屬于兼顧設計和功能的外觀零部件[3]。儀表板造型復雜，三維方向長度將近1.6米，寬度和高度約0.8米，按照結構可分為一體式發(fā)泡和分體式發(fā)泡。如果采用分體式發(fā)泡，單個零件結構相對簡單，但需要增加一道焊接或者螺釘裝配工序;如果采用一體式發(fā)泡，工序可以簡化，對設計的要求則更高。產(chǎn)品設計決定工藝難易和穩(wěn)定性，首要的就是產(chǎn)品厚度一致性，前面提到聚氨酯發(fā)泡是放氣交聯(lián)反應，原材料進入模腔內(nèi)，依靠反應產(chǎn)生的內(nèi)壓逐步填滿整個產(chǎn)品，如果厚度突變，壓力也會隨之變化，產(chǎn)生的壓差容易引起產(chǎn)品缺陷。其次，產(chǎn)品各處R角不宜過?。ńㄗh不小于3mm），否則會造成填充不良缺陷，產(chǎn)品手觸偏軟，老化后表面甚至會產(chǎn)生鼓包。另外，需要校核產(chǎn)品是否存在尖角倒扣，一般來說產(chǎn)品銳角不能小于70度，倒扣則會影響產(chǎn)品脫模，應盡量避免，無法規(guī)避的倒扣需要在模具設計上進行分塊處理（成本會上升），見圖2、圖3。

3.2 材料流動性

聚氨酯發(fā)泡既是放氣反應，又是交聯(lián)反應，原材料從液態(tài)變成粘流態(tài)，最終變成固態(tài)，粘度逐漸上升，流動性逐漸下降，而原材料靠著放氣反應產(chǎn)生的內(nèi)壓會從起始點向產(chǎn)品邊緣擴散，最終填滿整個產(chǎn)品。流動過程中，原材料需要克服與上層表皮以及下層骨架基板之間的摩擦力（和內(nèi)壓力是反向），泡沫的厚度可以視為材料的流道，流道越窄原材料內(nèi)壓力和摩擦力產(chǎn)生的剪切力越大，反之流道越寬剪切力越小。經(jīng)濟型發(fā)泡壁厚較傳統(tǒng)發(fā)泡小許多，這對材料的流動性能提出的更高要求，為了提升流動性會增加原材料發(fā)泡劑含量，從而使內(nèi)壓更高，但這樣做帶來另外一個問題就是易造成產(chǎn)品夾氣、氣泡、泡孔粗大等缺陷。因此，原材料需要找到一個平衡配方比例，兼顧流動性和缺陷發(fā)生率，巴斯夫的Elastoflex E 3595系列在這方面表現(xiàn)比較優(yōu)異，可以作為經(jīng)濟型發(fā)泡原材料之一。

3.3 工藝

聚氨酯發(fā)泡反應是一個化學反應，溫度、壓力、料比均會對過程和結果產(chǎn)生影響，如果要得到一個比較理想的結果，對過程進行控制是至關重要的。

反應溫度是反應最重要的影響因子，主要有幾個方面需要控制，一是模具溫度，二是物料溫度（包括表皮和骨架基板），三是發(fā)泡原料溫度，四是環(huán)境溫度。模具溫度控制在38～42℃，表皮溫度要求不是特別嚴格，發(fā)泡前進行預熱可以使表皮變得更加柔軟，從而與模具更加貼合。發(fā)泡原料溫度一般采用22～28℃，經(jīng)濟型發(fā)泡多采用高料溫反應。需要注意的是不僅要關注原料儲料罐溫度，也要注意混合頭的澆注溫度，因為高壓混合過程會讓發(fā)泡原料溫度升高。發(fā)泡反應按照澆注時模具開合與否分為開模發(fā)泡和閉模發(fā)泡，如果是開模發(fā)泡對環(huán)境溫度有較高的要求，因為澆注過程中原料是完全開放在環(huán)境中的，所以我們可以看到發(fā)泡一般是放在恒溫包房內(nèi)的。

發(fā)泡澆注過程實際上是通過混合頭把高壓霧化的聚醚多元醇、異氰酸酯通過口徑非常小的噴嘴噴出，澆注壓力是這一過程的關鍵因子。壓力太小，原料無法形成霧化狀態(tài)，影響混合效果;壓力太大，會造成設備高壓報警，通常原料澆注壓力設置在140～170bar為宜，不要超過180bar。同時，需要關注兩個原料的壓力差，因為聚醚多元醇和異氰酸酯粘度不一致，聚醚多元醇的澆注壓力略高，但是壓力差不能超過20bar，否則會造成竄料，引起設備故障。

料比，即反應過程聚醚多元醇原料與異氰酸酯原料的比例，最理想的料比是兩者完全反應，全部轉(zhuǎn)化為聚氨酯的狀態(tài)。料比過高，聚氨酯泡沫會偏硬;料比過低，聚氨酯泡沫則會偏軟。經(jīng)濟型發(fā)泡對料比的穩(wěn)定性要求較高，作為關鍵過程特性進行控制，CPK不得低于1.33。另外，每周會對屏顯值進行校驗，以確保屏顯值與實際值保持一致。

除了上述溫度、壓力、料比等工藝參數(shù)，澆注重量、澆注軌跡等也是需要控制的因子，由于篇幅原因，不再詳細討論。

3.4 設備

發(fā)泡設備主要包括發(fā)泡機和模架，發(fā)泡機主要作用是確保原料混合和澆注效果，發(fā)泡模架負責熟化過程及產(chǎn)品脫模。發(fā)泡機由料罐、計量泵、液壓系統(tǒng)、混合頭等部件組成（見圖6）。料罐體積通常在200～500L 左右，采用能夠承受0.4～0.6MPa的壓力容器，罐內(nèi)使用干燥的空氣或氮氣加壓。每一個料罐都有一套獨立的溫度控制系統(tǒng)，保證原料恒溫進入計量和混合部件。計量泵是發(fā)泡機控制精度要求高的核心部件，其主要原理是通過變頻電機精確控制轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)輸出不同流量的功能。液壓系統(tǒng)提供動力，包括起高壓、驅(qū)動機械閥開合等?；旌项^決定發(fā)泡原料的混合效果，儀表板發(fā)泡常用的混合頭有德國Hennecke公司及Krauss-Maffei公司生產(chǎn)的混合頭。

發(fā)泡模架主要有液壓模架和電動模架兩種，液壓模架開合速度較慢，不具備整體翻轉(zhuǎn)功能;電動模架開合速度較快，比較適合經(jīng)濟型發(fā)泡的快發(fā)體系，而且可以實現(xiàn)整體翻轉(zhuǎn)，使產(chǎn)品工藝具備更多的選擇性。由于電動模架的上述優(yōu)點，近年來在儀表板發(fā)泡領域得到了廣泛應用（見圖7、圖8）。

3.5 模具設計

儀表板發(fā)泡模具系統(tǒng)多為鋁模，大致包括真空系統(tǒng)、密封系統(tǒng)、模溫控制系統(tǒng)等。由于經(jīng)濟型發(fā)泡壁厚較薄，產(chǎn)品精度要求高，對發(fā)泡模具精度要求也較高，包括控制產(chǎn)品尺寸的X向、Y向位置精度，以及控制產(chǎn)品厚度的Z向位置精度。X向、Y向精度主要靠模具四周的插板進行控制，誤差不超過0.5mm，Z向精度依靠上下模具的等高塊進行控制，誤差不超過0.3mm。

4 結語

通過以上幾個方面的介紹，可以看出經(jīng)濟型發(fā)泡除了對產(chǎn)品設計和模具設計有較高要求外，還需要材料、工藝、設備組成相輔相成的系統(tǒng)。由于該技術對輕量化及車輛節(jié)能減排的貢獻，得到了不少大型企業(yè)的青睞，并已經(jīng)在大眾斯柯達某車型、豐田某車型、江淮汽車某車型實現(xiàn)量產(chǎn)。未來，隨著技術的不斷進步，經(jīng)濟型發(fā)泡內(nèi)飾的壁厚和密度有望進一步下降，并應用于更多的內(nèi)飾件產(chǎn)品上，為汽車輕量化做出新的貢獻。

參考文獻：

[1]范軍鋒，陳銘，中國汽車輕量化之路初探[J]，鑄造，2006，55（10）：995-998.

[2]朱呂民，劉益軍，聚氨酯泡沫塑料[M]，北京：化學工業(yè)出版社，2004.

[3]杜振東，汽車儀表板的制造技術與設計分析[J]，工程設計，2018（5）：193-194.