商用車方向盤材料與工藝的發(fā)展趨勢

孫銳 袁學(xué)虎 周天平 楊丹 陶俊

（1.湖北雙鷗汽車飾件有限公司；2.東風(fēng)商用車技術(shù)中心工藝研究所）

方向盤作為汽車內(nèi)飾件中重要的功能件和裝飾件，其質(zhì)量和造型風(fēng)格，影響著駕乘人員的被動安全、情緒與感受。因此各零部件制造商正不斷采用新材料、工藝及工裝來提高方向盤的功能性和裝飾性。國內(nèi)最初的方向盤骨架采用鋼結(jié)構(gòu)普通焊接成型，骨架外包覆塑料層采用酚醛樹脂模壓而成；現(xiàn)在市場上隨處可見鎂合金骨架外包覆具有生物相容性軟質(zhì)自結(jié)皮的方向盤。文章對方向盤包覆層和骨架的材料與工藝的發(fā)展進(jìn)行了介紹，指出其今后的發(fā)展趨勢。

1 方向盤塑料包覆層的發(fā)展歷程

1.1 注射成型硬質(zhì)方向盤

注射成型硬質(zhì)方向盤可分為酚醛樹脂模壓成型和聚丙烯（PP）注射成型。

1）酚醛樹脂模壓成型。第1 代硬質(zhì)方向盤骨架材料采用冷拔鋼焊接，骨架包覆塑料采用酚醛樹脂，成型工藝采用模壓成型。該工藝的熱固性塑料包覆層方向盤缺陷為：產(chǎn)品外觀無紋理裝飾，在冷熱交變或低溫環(huán)境下受力會開裂，產(chǎn)品成型效率低下，邊角料不可回收。

2）未增韌PP 材料注射成型。骨架材料沒有變化，包覆材料采用PP 或混摻部分聚乙烯（PE），成型工藝采用注射成型，成型工裝使用普通塑料注射機(jī)。PP 成型方向盤的缺陷為：由于PP/PE 未加增韌改性，在冷熱交變或低溫環(huán)境下受力仍會開裂。

3）橡膠增韌改性PP 注射成型。包覆層材料采用橡膠類彈性體（SBS，EPDM）等增韌PP，此材料和工藝目前仍應(yīng)用于生產(chǎn)硬質(zhì)方向盤，方向盤外網(wǎng)局部采用ABS 材料注射后進(jìn)行水轉(zhuǎn)印表面處理，以增加產(chǎn)品外觀美感。橡膠增韌改性PP 的質(zhì)量指標(biāo)，如表1 所示。改性PP 成型的硬質(zhì)方向盤的優(yōu)點為：塑料對骨架包覆緊密；產(chǎn)品耐磨，花紋不易磨損；材料可回收使用，成型效率高。

表1 橡膠增韌改性PP 理化性能

硬質(zhì)方向盤針對包覆層塑料理化性能要求，如表2所示。硬質(zhì)方向盤的不足之處為：手感僵硬；外觀缺陷不能通過產(chǎn)品表面的裝飾花紋掩蓋，易造成產(chǎn)品報廢。

表2 硬質(zhì)方向盤塑料包覆層性能指標(biāo)

1.2 發(fā)泡軟質(zhì)自結(jié)皮方向盤

1.2.1 使用氟利昂（F11）作為發(fā)泡劑

20 世紀(jì)90年代初，國內(nèi)聚氨酯工業(yè)得到較快發(fā)展，國外先進(jìn)的聚氨酯成型機(jī)械大量進(jìn)入，使自結(jié)皮方向盤能夠迅速取代硬質(zhì)方向盤成為主流。

氟利昂（F11）成為首選的物理發(fā)泡劑的優(yōu)勢為：沸點在23.8 ℃，常溫下為液體，粘度比水低，在與聚醚多元醇混溶時易操作；殘留在泡沫孔內(nèi)的F11 對聚氨酯材料溶解甚微，不影響泡沫體結(jié)構(gòu)及性能；不耗費異氰酸酯；不燃、無毒；成本低廉；聚氨酯結(jié)皮層厚度大，外觀無氣泡及針孔。

聚氨酯材料組成的基本配方為：高活性聚醚多元醇、泡沫穩(wěn)定劑、氨類催化劑、交聯(lián)劑及F11 等配制成組合料作為一組分，改性多異氰酸酯（改性MDI）作為另一組分，二者通過高壓碰撞反應(yīng)形成聚氨酯泡沫。

軟質(zhì)方向盤的成型工裝，如圖1 和圖2 所示。采用2組分高壓發(fā)泡機(jī)（最好設(shè)備自帶色漿機(jī)，可以制作不同色彩的產(chǎn)品），發(fā)泡模具采用鋼制或樹脂發(fā)泡模具，模具必須在料流末端開有數(shù)個1～2 mm 的排氣孔。采用聚氨酯自結(jié)皮泡沫成型工藝，原材料溫度：23～25 ℃；聚醚多元醇與改性MDI 的混合比例：100∶40～45；高壓澆注壓力：12～16 MPa；發(fā)泡模具溫度：45～55 ℃。

自結(jié)皮泡沫采用物理發(fā)泡劑的化學(xué)反應(yīng)體系較為簡單，一般發(fā)生2 種交聯(lián)反應(yīng)[1]：

自結(jié)皮聚氨酯泡沫的外皮與芯層在一次成型過程中同時制得，也就是表皮與芯層都由相同的材料制成。由多元醇組分與改性MDI 組分組成的反應(yīng)混合物，因為反應(yīng)放熱使加入的F11 發(fā)泡劑汽化形成泡孔。泡孔中充滿F11 蒸氣，若碰上低溫的模具壁，因熱量被排出，而使F11 蒸氣溶于聚氨酯中，泡孔發(fā)生破裂，高溫的芯層物料便被壓成致密層表皮，從而形成結(jié)實的自結(jié)皮。

通過采用氟利昂發(fā)泡形成的自結(jié)皮聚氨酯泡沫的基本物理性能，如表3 所示。

表3 軟質(zhì)自結(jié)皮泡沫物理力學(xué)性能

1.2.2 使用氟利昂（F141b）作為發(fā)泡劑

為了避免氟氯碳化物對地球臭氧層繼續(xù)造成惡化及損害，國內(nèi)各聚氨酯材料供應(yīng)商采用過渡性發(fā)泡劑F141b 來替代F11。F141b 與F11 沸點相近，對泡沫的物理性能無影響。各方向盤制造商對高壓發(fā)泡機(jī)進(jìn)行適當(dāng)改造，通過增加一套F141b 自動計量并與多元醇混合的輔助裝置，便可滿足正常工藝條件。2 種物理發(fā)泡劑的物理性能對比，如表4 所示[2]。

表4 F11 與F141b 的物理性能對比

采用F141b 的組合料質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，如表5 所示。

表5 采用F141b 發(fā)泡的組合料質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)

采用F141b 發(fā)泡制造方向盤的缺點為：對臭氧層仍有破壞（分子中仍含有氯元素），有可燃的危險；添加量大，每100 kg 聚醚多元醇約添加13～15 kg 的F141b；泡沫體積質(zhì)量較大，聚氨酯材料耗用多。

1.2.3 全水無氟利昂發(fā)泡

F141b 在聚氨酯軟泡中是理想的過渡物理發(fā)泡劑，但ODP 和GWP 不為0，對此，國內(nèi)汽車零部件行業(yè)于2004年前從使用F141b 直接改為使用全水發(fā)泡，杜絕使用ODP 不為0 的發(fā)泡劑。

無氟全水聚醚多元醇組合料基本配方為：聚醚多元醇所含單官能團(tuán)一元醇在0.06 mg/g 以下，水、胺類催化劑、泡沫穩(wěn)定劑及交聯(lián)劑等混合配制成一組分；改性MDI 作為另一組分，二者在高壓碰撞下反應(yīng)形成聚氨酯泡沫。

發(fā)泡劑的改變不影響過去使用的工裝和骨架。骨架材料除了鋼制焊接成型外，逐漸出現(xiàn)鋁合金壓鑄骨架及鎂合金骨架。方向盤成型時采用水性脫模劑及水性模內(nèi)漆，用于減少聚氨酯泡沫氣味和VOC。

全水自結(jié)皮組合料材料技術(shù)指標(biāo)，如表6 所示。

表6 無氟全水發(fā)泡自結(jié)皮聚氨酯原料技術(shù)指標(biāo)

使用樣塊模具，按方向盤加工的工藝條件及泡沫體積質(zhì)量進(jìn)行模塑樣塊，對樣塊進(jìn)行理化性能測試。全水發(fā)泡形成的泡沫力學(xué)性能，如表7 和表8 所示。

表7 全水發(fā)泡形成的泡沫芯層力學(xué)性能

表8 全水發(fā)泡形成的泡沫結(jié)皮層力學(xué)性能

在使用水作為發(fā)泡劑時，方向盤聚氨酯包覆層為保證符合外觀和顏色的標(biāo)準(zhǔn)，在模腔內(nèi)預(yù)先噴涂了1 層水基模內(nèi)漆，漆膜厚度在25 μm 以上，漆膜必須與泡沫層粘接牢固、耐光、耐磨、耐溶劑、無氣味及霧翳，預(yù)先噴涂的模內(nèi)漆理化性能，如表9 所示。

表9 全水發(fā)泡方向盤模內(nèi)漆理化性能要求

2 方向盤塑料包覆層的發(fā)展趨勢

1）發(fā)泡工藝。現(xiàn)在國內(nèi)各方向盤制造商普遍采用全水發(fā)泡工藝，但個別制造商還在使用F141b 作為發(fā)泡劑。雖然物理發(fā)泡劑組合料比全水發(fā)泡材料工藝寬容度大，產(chǎn)品報廢率小，泡沫結(jié)皮層厚，但不符合環(huán)保要求，而且物理發(fā)泡劑組合料生產(chǎn)的泡沫層體積質(zhì)量偏高20%以上，與降低成本及汽車輕量化的趨勢相違背。

2）聚氨酯材料。為更好地降低體積質(zhì)量，只有提高基層聚醚多元醇的活性。目前市場采用的高活性聚醚多元醇的伯羥基體積分?jǐn)?shù)在65%左右，將其改進(jìn)到一元醇含量在0.05 mg/g 以下，伯羥基體積分?jǐn)?shù)在70%以上，可以增加發(fā)泡劑用量，從而降低泡沫體積質(zhì)量，提高發(fā)泡體的脫模時間。

3）脫模劑。由采用水性無味脫模劑到采用在模腔內(nèi)部噴涂永久性PTFE 涂層，替代每次人工噴涂脫模劑，永久性涂層的壽命約在2×104模，可提高作業(yè)效率和減少材料消耗。

4）模內(nèi)漆。在使用高活性聚醚多元醇材料后，如果方向盤泡沫體表面沒有影響外觀的氣孔等缺陷，就可以取消模內(nèi)漆。

5）催化劑。采用反應(yīng)性大分子胺類和反應(yīng)性泡沫穩(wěn)定劑，使助劑與聚氨酯發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，將助劑固化在泡沫體內(nèi)，降低泡沫體散發(fā)的氣味、霧翳及VOC。

3 方向盤骨架的發(fā)展

方向盤骨架最開始采用鋼質(zhì)材料沖壓焊接而成，隨著輕合金壓鑄技術(shù)的普遍推廣，鋁合金壓鑄骨架在方向盤骨架中得到廣泛應(yīng)用。我國是鎂資源大國，鎂合金壓鑄骨架被大量應(yīng)用，常用骨架壓鑄的鎂合金如AM50A，AM60B 等，其體積質(zhì)量為1.8×103kg/m3，而壓鑄鋁合金的體積質(zhì)量為2.8×103kg/m3，鎂合金骨架以其力學(xué)性能卓越、壓鑄工藝簡單易控、效率高、原料價格較低及產(chǎn)品尺寸穩(wěn)定，目前占據(jù)了一半的國內(nèi)市場。

盡管鎂合金材質(zhì)的骨架在現(xiàn)在和將來一直會占據(jù)重要市場，但是金屬加工的高溫（鎂合金壓鑄溫度650～700 ℃，相對塑料加工）造成高能耗，鎂合金壓鑄的邊角余料不能簡單在線回收使用，為保證產(chǎn)品的質(zhì)量，必須對回收料進(jìn)行除脫模劑及除氧化皮的潔凈處理后才可回收使用。為此出現(xiàn)了增強(qiáng)工程塑料注射成型的骨架，它采用玻纖和碳纖維增強(qiáng)的工程塑料進(jìn)行注射成型，從而使整個方向盤成為全塑零部件。然而塑料骨架需要解決骨架的剛度、強(qiáng)度、輪轂與轉(zhuǎn)向機(jī)軸耐磨的匹配性及受力蠕變性等才能真正走向市場。

4 結(jié)論

從國產(chǎn)商用車方向盤塑料包覆層材料工藝的發(fā)展可以看出，未來的塑料包覆層正在向著無氣味、無霧翳及低VOC 的方向發(fā)展，以滿足駕乘人員對自身安全、環(huán)保與舒適性的要求。

1）塑料包覆層向著體積質(zhì)量更低、結(jié)皮層更厚、配方更優(yōu)化、不使用脫模劑和模內(nèi)漆、泡沫體中無殘留無遷移的低分子物、生產(chǎn)效率更高及成本更低的方向發(fā)展；

2）包覆層長期與駕乘人員手部皮膚接觸，必須滿足生物相容性，避免引起皮膚遭受刺激而過敏，泡沫體一定要滿足GB/T 16886.10 及GB/T 16886.11 要求；

3）方向盤骨架向著輕量化、高性能及易回收的方向發(fā)展，并在高應(yīng)力下能緩沖變形，為駕駛?cè)藛T提供有效的瞬時保護(hù)。