經濟型發泡技術的開發及在汽車內飾件的應用

樊琪　孫建軍

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

關鍵詞：經濟型發泡 內飾件 輕量化

1 引言

隨著汽車工業的發展，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境污染產生巨大影響。為保持汽車產業可持續發展，節能減排勢在必行。研究表明汽車輕量化可以顯著降低油耗，汽車整體質量每減少100Kg，百公里油耗可降低0.3～0.6L[1]。

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

2 內飾件發泡技術概述

汽車內飾件大多采用聚氨酯發泡技術，主要過程是通過高壓發泡機將異氰酸酯、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進行一系列鏈增長、氣體發生、交聯化學反應，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即能大部分完成，最后形成高分子量和具有一定交聯度的聚氨酯泡沫體。

軟質內飾件一般包括三層，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），發泡工藝就是將這三層材質復合成型的過程。

3 經濟型發泡技術

傳統的內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。經濟型發泡又稱為薄壁發泡，是一種對產品設計、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，通過經濟型發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。下面我們以發泡儀表板為例，從產品、材料、工藝、設備、模具等方面進行初步探討，并在實際產品中開發應用。

3.1 產品設計

儀表板處于駕駛艙前端，既是駕駛員和乘客直接目視區域，又是承載裝飾面板、出風口、手套箱、空調控制開關、組合儀表和導航娛樂系統等功能部件的載體，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泡和分體式發泡。如果采用分體式發泡，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;如果采用一體式發泡，工序可以簡化，對設計的要求則更高。產品設計決定工藝難易和穩定性，首要的就是產品厚度一致性，前面提到聚氨酯發泡是放氣交聯反應，原材料進入模腔內，依靠反應產生的內壓逐步填滿整個產品，如果厚度突變，壓力也會隨之變化，產生的壓差容易引起產品缺陷。其次，產品各處R角不宜過小（建議不小于3mm），否則會造成填充不良缺陷，產品手觸偏軟，老化后表面甚至會產生鼓包。另外，需要校核產品是否存在尖角倒扣，一般來說產品銳角不能小于70度，倒扣則會影響產品脫模，應盡量避免，無法規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

聚氨酯發泡既是放氣反應，又是交聯反應，原材料從液態變成粘流態，最終變成固態，粘度逐漸上升，流動性逐漸下降，而原材料靠著放氣反應產生的內壓會從起始點向產品邊緣擴散，最終填滿整個產品。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，流道越窄原材料內壓力和摩擦力產生的剪切力越大，反之流道越寬剪切力越小。經濟型發泡壁厚較傳統發泡小許多，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泡劑含量，從而使內壓更高，但這樣做帶來另外一個問題就是易造成產品夾氣、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生率，巴斯夫的Elastoflex E 3595系列在這方面表現比較優異，可以作為經濟型發泡原材料之一。

3.3 工藝

聚氨酯發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），三是發泡原料溫度，四是環境溫度。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。發泡原料溫度一般采用22～28℃，經濟型發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泡原料溫度升高。發泡反應按照澆注時模具開合與否分為開模發泡和閉模發泡，如果是開模發泡對環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境中的，所以我們可以看到發泡一般是放在恒溫包房內的。

發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，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，全部轉化為聚氨酯的狀態。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。經濟型發泡對料比的穩定性要求較高，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，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

發泡設備主要包括發泡機和模架，發泡機主要作用是確保原料混合和澆注效果，發泡模架負責熟化過程及產品脫模。發泡機由料罐、計量泵、液壓系統、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，保證原料恒溫進入計量和混合部件。計量泵是發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速，實現輸出不同流量的功能。液壓系統提供動力，包括起高壓、驅動機械閥開合等。混合頭決定發泡原料的混合效果，儀表板發泡常用的混合頭有德國Hennecke公司及Krauss-Maffei公司生產的混合頭。

發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，不具備整體翻轉功能;電動模架開合速度較快，比較適合經濟型發泡的快發體系，而且可以實現整體翻轉，使產品工藝具備更多的選擇性。由于電動模架的上述優點，近年來在儀表板發泡領域得到了廣泛應用（見圖7、圖8）。

3.5 模具設計

儀表板發泡模具系統多為鋁模，大致包括真空系統、密封系統、模溫控制系統等。由于經濟型發泡壁厚較薄，產品精度要求高，對發泡模具精度要求也較高，包括控制產品尺寸的X向、Y向位置精度，以及控制產品厚度的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，可以看出經濟型發泡除了對產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。由于該技術對輕量化及車輛節能減排的貢獻，得到了不少大型企業的青睞，并已經在大眾斯柯達某車型、豐田某車型、江淮汽車某車型實現量產。未來，隨著技術的不斷進步，經濟型發泡內飾的壁厚和密度有望進一步下降，并應用于更多的內飾件產品上，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.