低密度全水發泡自結皮軟質方向盤材料及工藝

陳瑩 孫銳 袁學虎 周天平

（1.東風汽車公司燃氣公司；2.湖北雙鷗汽車飾件公司）

現在市場上汽車方向盤包覆層材料大多數是采用全水發泡的聚氨酯材料，存在結皮層薄及產品表面有小氣孔等問題。目前解決氣孔的方法是在模腔內部預先噴涂一層模內漆來遮蓋，噴涂模內漆增加了工序和材料成本。增加結皮層厚度，采用減少發泡劑水的使用量，加大聚氨酯泡沫的密度。方向盤自結皮泡沫，早期使用氟利昂，即一氟三氯甲烷（F11）作為物理發泡劑制造的泡沫層密度為400～440 kg/m3；目前采用水作為發泡劑的環保配方制造的泡沫層密度為320～380 kg/m3，降低了20%以上。文章介紹了一種新的自結皮方向盤材料配置方式。

1 試驗準備

1）材料助劑主要有：高活性聚醚多元醇：羥值35 mg/g；聚合物多元醇（簡稱 POP）：羥值 28 mg/g；改性MDI（聚氨酯材料）；低氣味胺類催化劑、低霧翳泡沫穩定劑（Air Products公司）；1，4-丁二醇；高分子交聯劑；水性模內漆；水性脫模劑。

2）加工設備及測試儀器主要有：高壓發泡機（Cannon公司）、試驗樣塊模具（自制）、方向盤發泡模具（自制）、電子萬能試驗機、方向盤染色牢度儀、邵氏硬度計、氙燈耐候試驗機、高低溫快速變化箱、往復式摩擦試驗儀、定扭力扳手及粘度計。

3）測試樣塊及方向盤樣件制備：將低雜醇高活性聚醚多元醇、POP、低霧翳泡沫穩定劑、低氣味催化劑、交聯劑及水等按比例稱量投入預混罐中攪拌均勻，配置成聚醚組合料（A組分），再泵入高壓發泡機儲罐中，將改性MDI泵入高壓發泡機另一儲罐中，調溫循環，在設備控制面板上設定流量及混合比例，待料溫及樣塊模具溫度滿足后，進行澆注發泡，制成樣塊及樣件。

2 試驗結果及分析

2.1 POP用量及對A組分粘度及發泡性能的影響

表1，2分別示出POP用量對配置組合料的粘度、骨架外網（轉圈）包覆力及發泡性能的影響。

表1 POP用量對組合料粘度及骨架外網（輪圈）包覆力的影響[1]

表2 POP用量對組合料發泡性能影響s

POP 的粘度在 3～4 Pa·s（＜25℃），高活性聚醚多元醇的粘度在 0.7～0.8 Pa·s（＜25 ℃）[2]，從表 1 中看出，加入的POP越多，配置的組合料粘度越高，材料充模流動性就越差。隨著現在方向盤的造型越來越復雜，過多的POP的加入，使材料的粘度太大，距離模具澆口的遠端就難以充滿，不僅需增加投料量，還造成方向盤軟硬不均勻。配置的原材料中加入適量的POP，不僅有增加泡沫硬度、初始脫模強度的作用，還有助于泡沫的開孔[3]。從表1，2中看出，過量的POP的加入，縮短了發泡過程中的凝膠時間，更早的形成脲相分離，減少對骨架表面的浸潤，從而減少對方向盤骨架的粘接，影響最終聚氨酯泡沫對骨架的包覆力，因此在配方中添加10%～15%以內的POP為宜。

2.2 發泡劑水加入量對聚氨酯發泡性能的影響

常見的全水發泡的配方體系中發泡劑水用量在100/（0.25～0.35），為了降低泡沫密度而不減小結皮層厚度，考察水用量對結皮層厚度影響及對發泡工藝穩定影響。表3示出全水發泡的配方體系中水用量對泡沫性能及工藝影響。

表3 水用量對發泡的影響

從表3看，在原材料中水的加入量接近100/1時，發泡反應劇烈，不能形成泡沫體，雖然經過調整澆注壓力和澆注流量，泡沫體形成正常，但發泡反應過于強烈，從模具溢料孔溢料速度大，溢料多且易堵塞孔，所以在配方中水用量在0.8～0.85之間為宜。

2.3 樣件制備及性能測試

按照2.1節和2.2節的結論，將原材料中POP的用量調整為10%，水用量調整為0.85%（以POP用量100計算），配置原材料，表4示出自配組合料發泡過程工藝參數。

表4 組合料技術參數

泡沫樣塊及樣件制備采用高壓發泡機加工。原料溫度：30～35 ℃；模具溫度：60～65 ℃；原料澆注壓力混合料組分：13～15 MPa；改性 MDI組分：13～15 MPa；泡沫脫模時間：90～120 s。

將制備的泡沫樣塊標記后在25℃的烘箱中處理48 h后，去除樣塊表面的致密結皮層，得到四周全是泡沫的樣塊和表面結皮層，分別測試泡沫芯層和結皮層的性能，測試結果，如表5所示。

表5 泡沫芯層力學性能及泡沫結皮層性能

從表5可以看出：1）增加發泡劑水用量，自結皮泡沫力學性能略有降低，而軟質方向盤主要考慮的是結皮層耐磨耗性能，結皮層無磨損，方向盤使用耐久性能更優；2）在泡沫質量無影響的情況下，自制聚氨酯組合料密度降低約25%，不僅節約了材料的使用量，還滿足了輕量化的要求。

2.4 聚氨酯泡沫對方向盤骨架的包覆力測試

泡沫體對方向盤骨架的包覆力，決定了方向盤的使用壽命和使用安全性，是重要的測試指標之一。將試制的方向盤樣件用自制夾具和定扭矩扳手進行泡沫與骨架包覆力測試，某企業內部標準要求聚氨酯泡沫對金屬骨架的包覆力≥30 N·m，在30 N·m的定扭矩設定下，泡沫體撕裂破壞，而泡沫與骨架之間粘接良好無松動，滿足對方向盤包覆力的要求。說明在高水量添加的自制組合料配方滿足要求。

2.5 耐老化和環保性能

將制備的樣塊及樣件委托第三方進行高溫、低溫和高低溫交變老化及氣味、霧翳、TVOC和多苯芳烴的環保性能檢測，結果見表6。從表6測試結果看，自制全水自結皮組合料制備的聚氨酯泡沫無論在耐老化性能方面，還是VOC、氣味、霧翳及多環芳烴等環保性能方面均滿足相應的行業和國家標準要求。

表6 泡沫耐老化和環保性能

2.6 自結皮聚氨酯材料在不使用模內漆情況下對方向盤外觀的影響

分別采用自配自結皮材料和市售普通自結皮材料制造樣塊和方向盤樣件，自配材料配方按POP添加量10%，發泡劑水添加量0.85%，采用低氣味催化劑進行配制。對樣塊及樣件模具內部采用噴涂模內漆、減少模內漆噴涂及不噴涂模內漆3種方式分別制備樣塊并進行標記，2種不同材料制備樣件外觀對比，如表7所示。

表7 不同材料在使用和不使用模內漆情況下外觀對比

從表7可以看出，自制的自結皮材料在制造時可以不噴涂（少噴涂）模內漆，提高生產效率和降低成本。

3 結論

1）采用高活性低雜質的聚醚多元醇+部分POP+高水量體系+特殊的助劑體系，配置的組合料有較好的工藝性能，泡沫體有較好的機械性能；

2）通過采用專門的高活性聚醚且添加高的發泡劑水用量，方向盤包覆層泡沫整體密度下降，比市售普通方向盤組合料節約25%以上材料，同時方向盤泡沫體理化性能不降低，且環保性能滿足相關標準要求，符合今后汽車輕量化技術發展方向；

3）通過采用高活性低雜質的聚醚多元醇添加到原材料中，能部分或全部取代目前市場上的普通全水發泡組合料制造方向盤需要噴涂的模內漆，提高作業效率，降低成本2～3元（以一個方向盤耗用0.035 kg模內漆計算），增加產品市場競爭力。