淺析汽車儀表板搪塑PVC應(yīng)用現(xiàn)狀

閔 良 尹建偉

（上海汽車集團(tuán)股份有限公司乘用車分公司，上海 201800）

0 引言

隨著社會(huì)的發(fā)展和汽車智能化，汽車內(nèi)飾的品質(zhì)越來(lái)越受到消費(fèi)者的重點(diǎn)關(guān)注。其中，儀表板作為汽車座艙系統(tǒng)內(nèi)直接可視的最大總成件，其表面的材質(zhì)一直是客戶的高關(guān)注點(diǎn)。通過(guò)一些自媒體和汽車消費(fèi)網(wǎng)站的評(píng)車視頻可知，儀表板人體可觸區(qū)域的軟材質(zhì)化越來(lái)越受到消費(fèi)者的青睞。

傳統(tǒng)的儀表板上體從材質(zhì)軟硬這個(gè)角度可以分為兩種類型，一種為硬質(zhì)儀表板，第二種為軟質(zhì)儀表板。但是從應(yīng)用趨勢(shì)來(lái)說(shuō)，一些10 萬(wàn)元以上的乘用車為了滿足客戶的需要，越來(lái)越多地采用軟質(zhì)的儀表板。而塑料直接注塑而成的硬塑儀表板，由于光澤度高、塑料感強(qiáng)、感知差等原因，使用得越來(lái)越少了。

該文從汽車軟質(zhì)儀表板的實(shí)現(xiàn)方式來(lái)入手，詳細(xì)介紹軟質(zhì)儀表板最常用的工藝搪塑，同時(shí)重點(diǎn)詳述了新開(kāi)發(fā)的國(guó)產(chǎn)化搪塑PVC 粉末。依次從配方和DV/PV（性能/產(chǎn)品驗(yàn)證）等方面進(jìn)行了討論，并把搪塑PVC 粉末制成了儀表板，對(duì)搪塑儀表板的表皮性能進(jìn)行討論和比對(duì)。

1 常見(jiàn)軟質(zhì)儀表板實(shí)現(xiàn)方式

目前軟質(zhì)儀表板的實(shí)現(xiàn)方式基本有如下幾種[1]：PVC 搪塑、TPU 搪塑、PU 噴涂、TPO 陰模吸塑和皮革包覆，如圖1。這幾種材料和工藝路徑各有優(yōu)缺點(diǎn)。PVC 搪塑的手感不如皮革包覆，與TPO 吸塑、TPU 搪塑、PU 噴涂處于一個(gè)水平；但氣味不如TPU 搪塑，與TPO 吸塑和PU 噴涂處于同一水平，優(yōu)于使用膠水的皮革包覆；造型自由度上PVC 搪塑雖然不如皮革包覆自由度高但也可實(shí)現(xiàn)倒扣，TPO 吸塑涉及有限的拉伸比且無(wú)法實(shí)現(xiàn)倒扣故造型自由度最低。成本上PVC搪塑與TPO 吸塑處于同一水平，TPU 搪塑和PU 噴涂較貴，皮革包覆決定于包覆皮革的成本和人工成本，綜合下來(lái)皮革包覆成本最高。生產(chǎn)節(jié)拍上PVC 搪塑價(jià)格與TPO 吸塑、TPU搪塑、PU 噴涂處于同一水平，但手工包覆節(jié)拍較滿，很難滿足暢銷車型的產(chǎn)能要求。綜上可以看出，搪塑PVC 是一種綜合性能都處在行業(yè)水平線或上的材料工藝路徑，所以該工藝也得到了廣泛應(yīng)用。最近出現(xiàn)了一種可以與PVC搪塑在各個(gè)維度上相提并論的工藝，注塑表皮[2]，利用材料極高的流動(dòng)性，采用注塑的方式制造熱塑性彈性體表皮，并在量綱大于30 萬(wàn)的車型上通過(guò)一次性的模具費(fèi)用分?jǐn)倖渭杀尽?/p>

圖1 常見(jiàn)儀表板上體材料和工藝路徑

在各種塑料成型工藝中，搪塑是一種非常獨(dú)特的方法[3]，它的加熱、成型和冷卻過(guò)程全部在同一個(gè)沒(méi)有壓力作用的模具中進(jìn)行。利用搪塑法可以制得外形較為復(fù)雜的制品，而且能夠塑造出復(fù)雜細(xì)致的物理線條，并保持設(shè)計(jì)原意，沒(méi)有注塑和吹塑制品的模具拼合線痕，為其他各種塑料成型工藝所不及。且PVC 搪塑與通過(guò)真空成型法制得的同類產(chǎn)品相比，具有工藝簡(jiǎn)單、成本低、花紋逼真、厚度均勻、手感好、使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。

模具先用氣槍除塵，然后模具通過(guò)熱空氣加熱至230℃～250℃，方式有氣加熱，油加熱，沙加熱，主流是前兩者。搪塑模與粉盒對(duì)合并夾緊，模具在上，粉盒在下，模具和粉盒一起旋轉(zhuǎn)至粉箱在上，模具在下，粉盒里的粉末這時(shí)落在模具里，在高溫的作用下，緊貼在模具的那一層就融化并相互黏在一起；繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，使模具的每個(gè)角落都有粉末且融化并黏在一起，直至形成的表皮厚度增加至符合要求為止，這時(shí)粉盒在下方，沒(méi)有融化的粉末通過(guò)模具敲擊或震動(dòng)又回到粉盒里；搪塑成型后，再次對(duì)模具進(jìn)行短暫加熱，使沒(méi)有完全融化黏合的粉末繼續(xù)融化黏合；表皮脫模前需要對(duì)模具進(jìn)行冷卻，否則表皮易變形或者黏模；冷卻方式有水冷卻，風(fēng)（空氣）冷卻，油冷卻。氣加熱和沙加熱的模具一般用水冷或者風(fēng)冷，油加熱的模具用油冷。水冷速度快，但對(duì)模具使用壽命有損；風(fēng)冷速度慢，但有利于模具的使用壽命。目前很多是先風(fēng)冷后水冷，可以兼顧生產(chǎn)節(jié)拍和模具耐用性。之后將表皮從模具上脫模；最終將表皮放在骨架上進(jìn)行質(zhì)量和外觀檢驗(yàn)。

2 國(guó)產(chǎn)化搪塑PVC 粉的開(kāi)發(fā)必要性

目前主流整車廠使用的PVC 搪塑粉主要集中在少數(shù)一兩家材料供應(yīng)商手中，而搪塑PVC 蒙皮是軟質(zhì)儀表板主流的解決方案，所以開(kāi)發(fā)國(guó)產(chǎn)化的PVC 搪塑粉成了整車廠和一級(jí)供應(yīng)商亟待完成的工作。

上汽乘用車的絕大部分軟質(zhì)儀表板也是使用了搪塑PVC的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)且材料供應(yīng)商集中在國(guó)外獨(dú)資的極少數(shù)供應(yīng)商中，開(kāi)發(fā)完成國(guó)產(chǎn)化材料供應(yīng)商后可實(shí)現(xiàn)材料降本工作，同時(shí)為后期的采購(gòu)提供議價(jià)空間，也可以為汽車材料國(guó)產(chǎn)化做一份綿薄的貢獻(xiàn)。

3 PVC 搪塑粉的配方體系

聚氯乙烯具有耐化學(xué)腐蝕性、耐磨、耐煙自熄、消聲消震、電絕緣性較好、強(qiáng)度較高及成本低廉等特點(diǎn)，但其主要缺點(diǎn)是熱穩(wěn)定性差、對(duì)應(yīng)變敏感、易發(fā)生塑性變形及軟制品的增塑劑外遷移等。PVC 搪塑粉的配方主要由PVC 樹(shù)脂、增塑劑、熱穩(wěn)定劑、UV 穩(wěn)定劑、顏料和無(wú)機(jī)添加劑組成復(fù)配體系[4]。

PVC 樹(shù)脂一般是兩種組分，一種組分負(fù)責(zé)充分吸收添加量較大的增塑劑，一種組分則負(fù)責(zé)增加粉末的流動(dòng)性。

增塑劑是PVC 搪塑表皮中配方中必不可少的配方組分且占比很高。對(duì)產(chǎn)品的機(jī)械性能和耐候性能、耐溶劑性能、低溫性能等有至關(guān)重要的影響，為了保證增塑劑在PVC 樹(shù)脂中發(fā)揮其應(yīng)有的作用，其自身的遷移性能是一個(gè)關(guān)鍵的考量因素。

在成型過(guò)程中，PVC 搪塑粉須經(jīng)過(guò)250℃左右的高溫，其耐熱穩(wěn)定性是個(gè)重要指標(biāo)。目前常用的耐溫穩(wěn)定體系是鋇-鋅基鹽類和鈣-鋅基鹽類等。同時(shí)還會(huì)考慮成型過(guò)程中粉末的易加工型添加一些分散劑、抗結(jié)劑和保證耐光照性能的抗UV 劑等。為實(shí)現(xiàn)各種外觀的顏色效果同樣會(huì)添加各種類型的顏料。

4 開(kāi)發(fā)要求（DV /PV）

上汽乘用車在開(kāi)發(fā)PVC 搪塑粉進(jìn)行了零件材料級(jí)別的靜態(tài)驗(yàn)證和動(dòng)態(tài)驗(yàn)證。對(duì)動(dòng)態(tài)驗(yàn)證考核了儀表板乘客側(cè)安全氣囊展開(kāi)性能。通過(guò)多次不同當(dāng)量的點(diǎn)爆試驗(yàn)，量化了特定區(qū)域內(nèi)的飛濺物質(zhì)量，查驗(yàn)了氣囊弱化線位置的撕裂狀態(tài)和規(guī)整程度。零件級(jí)別的靜態(tài)驗(yàn)證，評(píng)判了高溫存放后的儀表板外觀顏色和弱化線的顯現(xiàn)程度；對(duì)材料的機(jī)械性能，驗(yàn)證了搪塑表皮的供貨態(tài)和熱老化后的機(jī)械性能衰減程度，同時(shí)驗(yàn)證此零件耐光照性能、散發(fā)性能、阻燃性能和與發(fā)泡料的結(jié)合力，也考核了PVC 搪塑表皮的耐磨損性能，并且定義了零部件的陽(yáng)光模擬測(cè)試要求和海南戶外大氣暴曬要求。

5 與進(jìn)口料的對(duì)比

通過(guò)零件的材料級(jí)別機(jī)械性能驗(yàn)證，可以從一個(gè)側(cè)面間接地判斷PVC 搪塑粉制成的蒙皮是否能夠滿足零件級(jí)別的點(diǎn)爆要求。上汽乘用車有完善的儀表板零部件材料級(jí)別標(biāo)準(zhǔn)和試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，以供貨態(tài)和高溫存放后的拉伸強(qiáng)度和斷裂延伸率以及兩者前后變化率作為考評(píng)內(nèi)容。PVC搪塑表皮在日常使用或者高溫存放過(guò)程中，自然而然會(huì)存在增塑劑析出的問(wèn)題，那么將高溫存放后對(duì)表皮的機(jī)械性能進(jìn)行評(píng)價(jià)是十分必要的。隨著溫度的升高，增塑劑分子運(yùn)動(dòng)加劇，遷移性逐步升高，導(dǎo)致PVC 表皮高溫下增塑劑析出，尤其是軟質(zhì)儀表板的“三明治”結(jié)構(gòu)，其背面的聚氨酯發(fā)泡層有吸附作用，會(huì)將析出的增塑劑吸附至發(fā)泡層中。激光弱化線位置因弱化結(jié)構(gòu)，此處發(fā)泡層已被汽化，因此無(wú)法吸附析出的增塑劑，進(jìn)而導(dǎo)致析出的增塑劑在表皮表面顯現(xiàn)，出現(xiàn)明顯的弱化印。這是增塑劑析出的表觀現(xiàn)象，也是其析出的佐證。

增塑劑析出最直觀的表象就是PVC 搪塑表皮的塑性性能下降，通過(guò)機(jī)械性能測(cè)試可以看出，增塑劑析出后，其斷裂強(qiáng)度顯著增加。以上汽乘用車目前量產(chǎn)的PVC 搪塑表皮為例，如表1 所示，高溫存放后，斷裂強(qiáng)度從供貨態(tài)的10.8MPa 提高到了15.6 MPa，斷裂延伸率明顯下降，延伸率從供貨態(tài)的304%下降至254%，這些都是其塑性性能變差的證明。同樣，國(guó)產(chǎn)化的PVC 搪塑表皮性能也有類似的趨勢(shì)，斷裂強(qiáng)度從供貨態(tài)的11.0 MPa 提高到了16.7 MPa，斷裂延伸率也出現(xiàn)了下降，延伸率從供貨態(tài)的314%下降至290%。這表明增塑劑也出現(xiàn)了一定程度地析出，但開(kāi)發(fā)的新的國(guó)產(chǎn)材料性能更好。

表1 PVC 搪塑表皮機(jī)械性能對(duì)比

一般來(lái)說(shuō)，分子量小的增塑劑，與PVC 的相容性較好，其增塑效果也更佳，但因其分子量小，更易遷移而析出。反之，分子量大的增塑劑，耐遷移性更佳，甚至需要其分子上有支鏈結(jié)構(gòu)。所以需要選擇合適的增塑劑來(lái)保證PVC 表皮的各項(xiàng)性能，尤其是通過(guò)干法熱混冷混途徑制備的PVC 搪塑粉，增塑劑扮演著溶脹PVC 樹(shù)脂粉和增塑的雙重作用。

6 已量產(chǎn)項(xiàng)目的PVC 搪塑顏色

汽車內(nèi)飾的色彩開(kāi)發(fā)趨勢(shì)已經(jīng)不再是以前黑棕灰的純色系，已經(jīng)慢慢轉(zhuǎn)變至多顏色拼搭和多工藝混搭后形成一種自然統(tǒng)一的內(nèi)飾風(fēng)格，目前，上汽乘用車根據(jù)內(nèi)飾的色彩主色調(diào)已經(jīng)成功開(kāi)發(fā)出了5 款儀表板搪塑PVC 表皮的顏色，包括了經(jīng)典款的黑色，高貴風(fēng)格的棕色和近期流行的神秘風(fēng)格的深藍(lán)色和藍(lán)色，如圖2 所示。這其中顏色的變化是通過(guò)之前提到的配方體系中的顏料實(shí)現(xiàn)的，而顏料分為無(wú)機(jī)顏料和有機(jī)顏料，無(wú)機(jī)顏料一般是礦物質(zhì)，其耐溫性能較好，而有機(jī)顏料是含有偶氮基等共軛體系的有機(jī)物，其著色力強(qiáng)，可實(shí)現(xiàn)艷麗的色彩，但其共軛體系在高溫容易被破壞，導(dǎo)致其發(fā)色體系發(fā)生變化，因此耐熱、耐光性能不如無(wú)機(jī)顏料。一般黑色可以通過(guò)碳黑來(lái)實(shí)現(xiàn)，但如果是偏藍(lán)色的黑色，可能需要一個(gè)有機(jī)顏料來(lái)復(fù)配實(shí)現(xiàn)，棕色一般也可以通過(guò)無(wú)機(jī)顏料來(lái)達(dá)到對(duì)應(yīng)的顏色要求，但藍(lán)色則必須需要添加有機(jī)顏料，而PVC高溫或者長(zhǎng)時(shí)間光照后容易出現(xiàn)黃變，黃色色相是與藍(lán)色色相完全相反的顏色方向，所以藍(lán)色色相的PVC 搪塑表皮需要在抗熱氧和抗紫外上通過(guò)其他助劑來(lái)加以保證。

圖2 上汽乘用車主要搪塑PVC 表皮顏色

7 新的模具路徑實(shí)現(xiàn)其他皮紋類型

內(nèi)飾CMF（Color Material Finishing）的開(kāi)發(fā)除了色彩外，還擴(kuò)大到了紋理，目前儀表板搪塑PVC 的紋理主要還是傳統(tǒng)的動(dòng)物紋，實(shí)現(xiàn)方式還是通過(guò)母皮包覆在代木上，通過(guò)翻模，制作出搪塑模具；而如今開(kāi)始逐漸流行科技紋或者漸變紋，這對(duì)傳統(tǒng)手工包覆制作鎳殼母模的方式提出了新的挑戰(zhàn)。在一些翻邊、轉(zhuǎn)角和曲面位置，規(guī)則紋理會(huì)被拉伸導(dǎo)致變形，或者紋理無(wú)法承接達(dá)到連續(xù)，這就應(yīng)用而生出其他制作搪塑模具的方式，例如用激光直接雕刻的鋼模替代手工母皮包覆的木模。這樣可以直接進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)，在轉(zhuǎn)角和曲面等位置，直接設(shè)計(jì)紋理，甚至可以設(shè)計(jì)漸變紋理來(lái)自然過(guò)渡曲率的變化。廣汽AION V 的儀表板就是采用這種工藝路徑實(shí)現(xiàn)的科技紋理，如圖3。但這也對(duì)激光雕刻加工工藝的精準(zhǔn)度提出了更高的要求，因?yàn)樘滤芄に嚳梢詫?shí)現(xiàn)倒扣，所以激光雕刻的設(shè)備需要能翻轉(zhuǎn)和精準(zhǔn)定位。目前還有一種可以參數(shù)化設(shè)計(jì)的方案就是3D 打印母皮。通過(guò)設(shè)計(jì)軟件的輔助，定制符合制品型面和風(fēng)格的紋理，之后通過(guò)3D 打印的方式定制出母皮，之后進(jìn)行手工包覆，來(lái)制備鎳殼模具。

圖3 AION V 儀表板搪塑PVC 紋理

8 結(jié)語(yǔ)

該文介紹了常見(jiàn)的儀表板材料工藝路徑，并從感知質(zhì)量、制造成本、生產(chǎn)節(jié)拍和設(shè)計(jì)自由度等方面對(duì)比了其各自的優(yōu)缺點(diǎn)，闡述了軟質(zhì)儀表板最常應(yīng)用的PVC 搪塑工藝步驟和國(guó)產(chǎn)化開(kāi)發(fā)的意義，列舉了PVC 搪塑粉的配方體系和儀表板PVC 搪塑表皮的應(yīng)用要求，對(duì)比了目前量產(chǎn)和國(guó)產(chǎn)化開(kāi)發(fā)的PVC 表皮性能。同時(shí)也分析了儀表板PVC 搪塑表皮在色彩、紋理上的開(kāi)發(fā)趨勢(shì)并舉例說(shuō)明了其目前的實(shí)現(xiàn)方案。汽車內(nèi)飾今后的發(fā)展方向必然是向著智能化、家居化、個(gè)性化等方向發(fā)展，而其中的核心就是客戶的感知質(zhì)量。觀感、觸感、嗅感、使用感等都是內(nèi)飾新材料新色彩新紋理的開(kāi)發(fā)方向。