汽車內(nèi)飾用PVC消音革的開發(fā)與應(yīng)用研究

馬兆強，張彥慶，沈真軾，路振海，李建臣

（1.一汽-大眾汽車有限公司青島分公司，山東 青島 266000；2.森歐汽車內(nèi)飾材料（江蘇）有限公司，江蘇 揚州 225000）

0 引言

隨著汽車電動化、智能化、共享化的進一步深入，汽車除了作為一種高效的交通工具之外，也為用戶提供了一個相對私密、安靜、娛樂的空間。因此，客戶對汽車座艙在舒適、安靜、空間多變等方面的要求日益提高。近年來，手感細膩、可防止摩擦異響（Squeak）、耐老化性能優(yōu)異的消音聚氯乙烯(PVC)人造革被越來越多的設(shè)計師和終端用戶所青睞[1-4]。作者發(fā)現(xiàn)針對消音PVC 人造革的研究多集中在異響原理研究及整車設(shè)計改善方向，針對PVC 消音人造革里起主導(dǎo)作用的消音劑的添加方式及對消音PVC 人造革性能及應(yīng)用的影響未做過系統(tǒng)性研究。文章基于此背景開展研究。

汽車內(nèi)飾摩擦異響主要是由相鄰零件接觸摩擦產(chǎn)生粘滑效應(yīng)（Stick-Slip）引起[5]，實際體現(xiàn)為PVC 人造革面相對滑動時產(chǎn)生過高的粘滑效應(yīng)導(dǎo)致。

通常解決異響方式為在PVC 表面做消音處理，降低粘滑效應(yīng)。粘滑效應(yīng)風險值（RPN）可通過VDA230-206 標準及配套粘滑測試儀測試得出，數(shù)值越小表示風險越低。

市面上常見的消音劑包含石蠟、有機硅類等，有機硅類是研究價值最高的一種。其兼具有機高分子材料的成膜性、透明性、柔軟性及無機材料的不燃性、耐擦性、高硬度等特性[6]。目前有機硅消音劑改性研究已成熱點，取得了很多成果，有廣泛應(yīng)用[7]。

作者經(jīng)過大量的配方開發(fā)與應(yīng)用實踐，對不同供應(yīng)商的有機硅消音劑進行了篩選，優(yōu)化了最佳添加量，同時對生產(chǎn)與應(yīng)用工藝進行了優(yōu)化與驗證，成功建立了一套生產(chǎn)高耐磨、耐老化的消音PVC 人造革的最佳加工方式及后整理工藝，為有機硅消音劑在消音PVC 人造革的生產(chǎn)制造及深入研究奠定了基礎(chǔ)。

1 實驗材料與方法

1.1 實驗材料

文章重點研究表面涂層中消音助劑對PVC 人造革消音、耐磨及老化性能的影響。所用PVC 基材底布為35/65 棉滌混紡布，人造革基材配方如表1 所示。

表1 實驗用PVC 人造革基材配方

文中所用水性涂料及主要助劑均由斯塔爾提供，在研究不同消音助劑對材料性能的影響時，除消音助劑由不同供應(yīng)商提供外，水性涂料及其它助劑均由斯塔爾提供且其配比保持一致。

1.2 實驗設(shè)備

文中所用主要設(shè)備及供應(yīng)商如下:

粘滑測試儀SSP-04，ZIEGLER-Instruments GmbH；

恒溫恒濕試驗箱SETH-Z-022R，愛斯佩克環(huán)境儀器（上海）有限公司；

馬丁代爾耐磨儀YG401D-III，溫州方圓儀器有限公司；

精密烘箱PH-100，上海蘇盈試驗儀器有限公司；

數(shù)顯型頂置式機械攪拌器IKA RW 20，德國艾卡；

電熱蒸汽發(fā)生器DZFZ9，上海佳田制造有限公司。

1.3 實驗方法

（1）消音性能測試：材料消音性能測試在德國Ziegler InstrumentsGmbH的SSP-04 消音測試儀上，按照VDA230-206 標準進行測試。分別裁取20mm×25mm 及27mm×50mm 各兩塊。在室溫條件下存放8h 后測試在10N 及40N 壓力下，移動速度分別為1 mm/min 及4 mm/min 時的粘滑系數(shù)。系統(tǒng)會根據(jù)粘滑系數(shù)測試結(jié)果計算出產(chǎn)生異響的風險因子RPN 值。RPN 值越小，說明材料與其它表面接觸產(chǎn)生摩擦異響的風險越小。

（2）老化性能測試：PVC 人造革老化性能測試在愛斯佩克環(huán)境儀器（上海）有限公司SETH-Z-022R 恒溫恒濕試驗箱中按照環(huán)境老化標準進行，將PVC 人造革樣品按要求懸掛于SETH-Z-022R 恒溫恒濕箱中，在溫度為（90±5）℃，濕度為95%～100%R.H.的條件下老化336 h。測試后樣品外觀無白化、起霜、析出等異常則可進行后續(xù)其它實驗，否則判定為材料老化失效。

（3）馬丁代爾耐磨色牢度測試：馬丁代爾耐磨色牢度測試按照VDA230-211（方法A）的測試標準進行。取直徑160 mm 圓形樣品固定于設(shè)備圓形底座上，并將將磨布（規(guī)格為STFI MD100）固定于耐磨頭上，在壓力負載12 KPa 條件下磨耗樣品19 000 次后，用50 倍顯微鏡目測觀察外觀磨耗狀態(tài)。材料無可觀察到的破損為合格，否則為不合格并描述破損狀態(tài)。

（4）耐高溫蒸汽性能：材料耐高溫蒸汽性能用電熱蒸汽發(fā)生器DZFZ9 及蒸汽熨斗進行測試，將樣品平鋪于實驗臺或熨衣板上，調(diào)節(jié)好蒸汽發(fā)生器的蒸汽壓力（0.2～0.5 MPa)，用高溫蒸汽對樣品熨燙10～15 s 后，用干凈棉布快速速擦干樣品表面殘留水漬后，觀察樣品外觀狀態(tài)并與未熨燙部分對比。如熨燙部分與未熨燙部分無明顯色差或其它外觀差異，則樣品合格。如有明顯色差或發(fā)白現(xiàn)象，則記錄為不合格并描述失效狀態(tài)。

2 實驗結(jié)果與討論

2.1 不同消音助劑對性能的影響

為研究不同消音助劑對材料消音性能、耐磨及耐高溫性能的影響，用相同基礎(chǔ)配方，對市面上常見的有機硅消音助劑進行平行對比測試，實驗結(jié)果見表2。

表2 不同消音劑消音性能及耐高溫蒸汽性能對比

從表2 結(jié)果可以看出，四種消音助劑均能為PVC 人造革提供良好的消音性能，但不同材料老化或耐磨后的消音性能差別較大。其中，使用斯塔爾消音助劑和競品B 的PVC 人造革在老化和耐磨測試后后仍然具有較好的消音性能。說明這兩種消音材料與涂層樹脂的分散性及兼容性較好，成型加工過程使消音助劑與涂層樹脂間通過化學(xué)鍵或氫鍵形成了較為穩(wěn)定的膜結(jié)構(gòu)，這種膜結(jié)構(gòu)使PVC 人造革在老化及耐磨性能測試后仍然能夠保持較好的消音性能。使用競品C 和競品D 的PVC 人造革在老化和耐磨測試后的消音性能幾乎消失，說明這兩種助劑與涂層樹脂的分散性及兼容性較差相互作用力較弱，在老化或耐磨測試過程中，消音助劑發(fā)生了遷移或團聚，從而使膜結(jié)構(gòu)的消音性能消失。使用競品D 的PVC 人造革在耐高溫蒸汽性能測試后可觀察到白點和白色線條，這進一步證實了該消音助劑在高溫時溶性差。這種除了產(chǎn)生白色斑點或線條外，嚴重時甚至?xí)绊懲繉釉诶匣蛲饬δΣ料庐a(chǎn)生表面蛻皮現(xiàn)象。

2.2 消音助劑添加量對性能的影響

為考察涂層材料中消音助劑添加量對PVC 人造革消音、老化、耐磨及耐高溫蒸汽性能的影響，我們使用同批次PVC 基材，固定涂層配方其它原料配比，分別添加2，4，12 及16 份的斯塔爾消音助劑。

PVC 人造革的消音性能隨著助劑添加量的增加而提升，PVC 人造革和老化測試后的樣品在助劑添加量為8 份時即達到最佳值，耐磨測試后的樣品在助劑添加量為12 份時達到最佳值。當添加量＞12 份時，老化和耐磨測試后樣品的消音性能隨著助劑添加量的增加反而有所下降。當助劑添加量達到16 份時，馬丁代爾耐磨測試PVC 人造革樣品出現(xiàn)輕微破損，這說明過多的助劑添加量對涂層膜結(jié)構(gòu)的耐磨性能帶來了不利影響。助劑添加量為16 份的PVC 人造革樣品經(jīng)高溫蒸汽熨燙后出現(xiàn)輕微白點，這說明過高的添加量可能造成助劑在涂層樹脂中團聚或者從涂層樹脂中游離出來，從而影響了涂層膜結(jié)構(gòu)本身的性能并產(chǎn)生表面瑕疵。

2.3 分散工藝對PVC 人造革性能的影響

消音助劑的分散性除了受本身結(jié)構(gòu)及添加量的影響外，適當?shù)姆稚⒐に?，如攪拌速率與攪拌時間對消音助劑在涂層樹脂中的分散也起著至關(guān)重要的作用。作者使用德國艾卡（IKARW20）數(shù)顯型頂置式機械攪拌器研究了攪拌速率及攪拌時間對涂層樹脂及PVC 人造革性能的影響。

當攪拌速度＜800 r/min 時，很難通過涂料外觀判斷消音助劑是否分散均勻。此時攪拌時間對消音助劑的分散及PVC 人造革的耐高溫蒸汽性能有明顯的影響。當攪拌時間為5 min 時，經(jīng)高溫蒸汽熨燙的樣品表面出現(xiàn)白色斑點。這些白色斑點是由于消音助劑未能在涂層樹脂中很好地分散或在涂層膜中重新團聚產(chǎn)生的。當攪拌時間達到10 min 時，高溫蒸汽熨燙后的樣品表面未觀察到明顯異常。說明增加攪拌時間有助于消音助劑更好地分散，從而形成更加穩(wěn)定、均勻的涂層膜結(jié)構(gòu)。當攪拌速度達到1 200 r/min 時，涂料中有大量氣泡出現(xiàn)。涂層中的氣泡嚴重影響了涂料的加工性能，這些氣泡在施工過程中容易破裂導(dǎo)致PVC人造革樣品表面出現(xiàn)亮點或疵點。這些疵點嚴重地影響了PVC人造革表面的消音性能。

2.4 熨燙工藝對后整理及外觀影響

PVC 人造革制成汽車零部件過程中，由于裁剪、縫紉、包裝運輸及成型與包覆過程，容易產(chǎn)生褶皺、壓痕等外觀缺陷。為考察材料的耐高溫蒸汽性能并優(yōu)化高溫熨燙后整理工藝，作者研究了后整理蒸汽壓力對后整理時長及材料外觀的影響。

隨著高溫蒸汽熨燙時蒸汽壓力的升高，消除零部件表面褶皺及折痕所需的時間明顯減少，后整理效率明顯提高。當蒸汽壓力達到0.4 MPa 時，雖然材料表面褶皺和折痕能迅速消失，但部分材料表面開始出現(xiàn)少量白點，這些白點在后整理完成3～5 min 內(nèi)迅速消失繼續(xù)增加蒸汽壓力材料表面的白點更加明顯且難消失。在使用高溫蒸汽熨斗時，熨斗出口處的蒸汽溫度隨蒸汽發(fā)生器中蒸汽壓力的升高而升高。材料表面的白點可歸因于過高的蒸汽溫度增強了材料表面膜結(jié)構(gòu)中消音助劑的遷移，或破壞了表面膜結(jié)構(gòu)中的層間交聯(lián)而引起的。為提高零部件成型后的后整理效率并保證材料的外觀不受影響，研究結(jié)果建議后整理時蒸汽發(fā)生器中的蒸汽壓力不超過0.4 MPa 為宜。

3 結(jié)語

文章對不同消音助劑，消音助劑添加量及助劑分散工藝對PVC 人造革的消音、老化、耐磨等性能做了系統(tǒng)研究，對使用材料過程中的后整理工藝進行了研究與優(yōu)化，結(jié)果表明，斯塔爾消音助劑和競品B 與涂層材料有較好的分散性和相容性，添加斯塔爾消音助劑和競品B 的PVC 人造革具有較好的消音、老化與耐磨性能。涂層配方中消音助劑的最佳添加量為8～12 份。在消音助劑的分散過程中，攪拌速度不要超過800 r/min，攪拌時長不少于10 min 為最佳分散條件。在使用消音PVC 人造革包覆的零部件后整理過程中，高溫蒸汽發(fā)生器內(nèi)蒸汽的壓力不宜超過0.4 MPa。