乘用車頂棚分層形成機理及對策

樊友嗣 王帆 楊偉民 萬世明

摘 ?要：針對某主機廠頂棚售后出現(xiàn)的頂棚復合面料分層的質(zhì)量問題，通過對比研究不同類型頂棚復合面料背面泡沫材料性能差異（聚酯型和聚醚型以及半酯半醚型），尋找解決頂棚耐水解的最佳應用方案，通過建立材料和功能對應試驗方法，為后續(xù)車型成功避免售后質(zhì)量問題提供重要基礎。

關鍵詞：頂棚;頂棚耐水解;聚氨酯泡沫;聚醚型泡沫;測試條件

中圖分類號：U465.9 ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ?文章編號：1005-2550（2022）01-0087-05

The Formation Mechanism And Countermeasures Study Of The Automobile Headlier Layering Problem

FAN You-si， ?Wang Fan， YANG Wei-min， Wan Shi-ming

（ Dongfeng Peugeot Citroen Automobile Company LTD，. Wuhan 430056， China ）

Abstract： ased on the quality problem of Ceiling layering on after-sales， the best application of roof hydrolysis resistance was found by comparing the performance difference of foam materials on different types of ceiling composite fabrics （polyester and polyether type and half ester half ether type）. It provides an important basis for subsequent models to successfully avoid after-sales quality problems.

Key Words： Headlier; Hydrolysis Resistance Of Ceiling; Polyurethane Foam; Polyether Foam; Test Conditions

前 ? ?言

隨著人們生活水平的提高，人們對座艙系統(tǒng)的感知質(zhì)量提出了越來越高的要求。頂棚是座艙系統(tǒng)的重要裝飾部件之一，能夠很好地滿足美觀、吸聲、隔熱、環(huán)保、輕質(zhì)等要求。因此，汽車頂棚材料、結(jié)構(gòu)、工藝選擇，以及面料選擇和耐用性已成為客戶購買車輛的重要因素。

馬來西亞市場發(fā)現(xiàn)頂棚長期使用后存在售后分層的質(zhì)量缺陷，經(jīng)過對中國市場進一步的售后調(diào)查，發(fā)現(xiàn)中國市場存在相同的質(zhì)量問題。目前聚氨酯泡沫在市場上劃分為聚酯型、聚醚型、半酯半醚型三種類型。通過競品車型對比發(fā)現(xiàn)，大部分競品車型考慮到聚酯型泡沫的高回彈性和柔韌性，均優(yōu)先選擇聚酯型泡沫作為零件開發(fā)的基準。但是，聚酯型聚氨酯泡沫由于自身分子結(jié)構(gòu)的限制，長期在潮濕環(huán)境下使用，分子結(jié)構(gòu)容易斷裂，進而導致產(chǎn)品耐水解能力差。本文通過對比研究頂棚不同材料的物理性能和工藝差異，最終找尋到最佳應用方案，為后續(xù)車型成功避免該問題發(fā)生提供了重要的設計基準。

1 ? ?頂棚的結(jié)構(gòu)和工藝

1.1 ? 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)

汽車頂棚主要由蒙皮層和骨架層組成。頂棚主體的表皮材料可以是織物、無紡布、TPO、PVC等。頂棚的常見骨架層包括PU復合包裝材料、PP復合包裝材料、纖維和瓦楞紙。表皮主要由針織物、軟泡和底面無紡布組成。骨架層主要由以下結(jié)構(gòu)組成：2.粘結(jié)層、3.玻璃纖維層、4.粘結(jié)層、5.PU板、6.粘結(jié)層、7.玻璃纖維層、8.粘結(jié)層、9.底襯層（如圖1）：

1.2 ? 工藝要求

1.2.1干法工藝流程

頂棚干法工藝是將硬質(zhì)聚氨酯泡沫復合板材加熱到180度，使得材料能達到塑性狀態(tài)，然后放在模具中進行模壓成型。包括四個關鍵步驟：PU復合板輔助鋪設、基材加熱、模具成型和織物輔助鋪設。采用熱料冷模法，頂棚材料通過板材制成薄板，表面貼有橡膠膜，橡膠膜直接與織物粘合。板材在烘箱中加熱后，以與織物相反的方向送至模具組件，保壓后取出送水刀切割（如圖2）：

1.2.2濕法工藝流程

頂棚濕法工藝是在半硬質(zhì)聚氨酯聚醚型泡沫板材上部和下部進行滾膠，然后分別在泡沫層中間鋪貼兩層玻璃纖維墊后，在進行產(chǎn)品的加熱成型。主要包括六個關鍵步驟：PU材料上膠、PU噴涂軟化水、材料組合、成型、冷卻定型、水刀切割。采用冷料熱模法，頂棚材料為Pu雙面滾動液體粘合劑和噴灑軟化水，材料和織物同時放在一起，放入模具保壓成型，然后取出冷卻進行水刀切割（如圖3）：

由于濕法工藝所生產(chǎn)出來的頂棚，在產(chǎn)品輕量化、耐高溫、以及尺寸穩(wěn)定性、隔音、吸聲、產(chǎn)品成型性等方面具有明顯優(yōu)勢。目前，已經(jīng)成為某主機廠頂棚生產(chǎn)最重要的生產(chǎn)工藝。

濕法工藝一般又分為一步濕法工藝和兩步濕法工藝。一步濕法工藝生產(chǎn)工藝相對簡單，頂棚成型和水切完成后，直接利用包邊機對天窗區(qū)域和前后風擋區(qū)域?qū)嵤┌吿幚怼５怯捎谝徊綕穹üに囅拗疲Ｅ可a(chǎn)中，在產(chǎn)品剛性和韌性之間尋找物理性能平衡點較為困難，往往會應為頂棚褶皺和變形造成大量產(chǎn)品報廢。二步濕法由于生產(chǎn)工藝為先模壓成型好頂棚的骨架部分，讓后在通過噴膠覆合頂棚面料，使用該工藝能夠很好的體現(xiàn)出復合板材所需要達到的剛性、吸音、氣簾點爆等物理性能，同時也能減少頂棚面料模壓成型深度所帶來的面料紋理損失，保護好聚氨酯泡沫合理的設計厚度及其物理性能。

1.3 ? 功能要求

頂棚通常需要滿足規(guī)定的顏色和紋理要求，表面整潔，無瑕疵，無毛刺飛邊等。同時，頂棚還需要滿足環(huán)境方面要求。包含耐光性、耐濕性、耐高低溫性等的要求，氣味排放性要求，強度要求包括彎曲力、耐沖擊性等，吸音性等。面料的性能要求主要是拉伸性以及耐光、耐熱等。

1.3.1頂棚關鍵性能對比

干法頂棚和一步濕法頂棚、二步濕法頂棚在生產(chǎn)工藝和相關物理和功能性能方面存在比較明顯的差異。

1.3.2頂棚不同工藝重量對比

為應對目前整車輕量化的需求，頂棚濕法工藝在產(chǎn)品輕量化方面具有明顯的優(yōu)勢。同時，濕法頂棚的吸音性能也要由于干法頂棚。

2 ? ?質(zhì)量問題描述

根據(jù)某品牌售后市場反饋，某款車型在正常使用6年后出現(xiàn)頂棚分層脫落的質(zhì)量問題，嚴重影響了感知質(zhì)量水平和座艙系統(tǒng)的正常使用，造成客戶嚴重不滿，對公司品牌形象產(chǎn)生負面影響。（如圖3）：

3 ? ?原因分析

對中國和歐洲抱怨客戶進一步分析發(fā)現(xiàn)，產(chǎn)品該缺陷的主要原因為頂棚復合針織面料背面泡沫不耐水解導致的。A88車型復合針織面料背面泡沫采用的是聚醚型泡沫則沒有該類型抱怨。因此，在產(chǎn)品開發(fā)過程中，泡沫材料的選擇和功能驗證是解決這些問題的關鍵。

3.1 ? 頂棚面料泡沫選擇

頂棚面料泡沫通常選用合成聚合物PU或PUR聚氨酯泡沫，材料應用范圍廣泛。它是一種彈性泡沫結(jié)構(gòu)，具有一定的觸感舒適性。其產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特點一般為穿孔結(jié)構(gòu)，其產(chǎn)品特點是密度低、回彈性好，同時還考慮了吸聲、通風、保溫等性能。主要用于汽車車頂、遮陽板、座椅、主副儀表板等部件的中間覆層中。聚氨酯泡沫通常以異氰酸酯和聚醚多元醇或聚酯多元醇為主要原料制成。同時，還有許多化學添加劑，如抗紫外線輻射劑、催化劑、阻燃劑等，通過原料混合設備進行混合，然后通過高壓噴涂現(xiàn)場發(fā)泡制備聚合物。在日常使用中，TPU聚醚多元醇和TPU聚酯多元醇通常分為兩類。

3.1.1聚酯型海綿

聚酯海綿通常是由二羧酸和多個二元醇化合物的壓力聚合反應而成。它與織物具有良好的復合粘接性能，具有良好的力學性能和耐高溫性能。該材料的外觀與TPU聚醚相同，但不耐水解。使用一段時間后，其內(nèi)部物質(zhì)會溶于水，易變黃，比聚醚稍硬，不適合在潮濕環(huán)境中使用。

3.1.2聚醚型海綿

聚醚材料是分子結(jié)構(gòu)中具有醚鍵的醇聚合物。它們是無味環(huán)保材料，耐磨性高，韌性好，不受氣候影響。它們在零下35度時仍能保持良好的彈性。聚醚泡沫的主要缺點是剝離的強度和斷裂強度差。聚酯海綿和聚醚海綿的微觀結(jié)構(gòu)，如圖5所示：

3.2 ? 頂棚面料泡沫的材料性能對比

根據(jù)材料性能對比分析，聚酯泡沫具有良好的拉伸性能、翹曲性能、耐磨性、耐溶劑性和耐高溫性。聚醚泡沫具有強度高、回彈性好、耐水解性好、低溫性能好等特點，見表3：

3.3 ? 聚酯型和聚醚型耐水機差異分析

對于聚酯類聚氨酯的彈性體耐水性能并不理想。隨著水解的進行，由于水分子在潮濕環(huán)境中不斷侵入，酯鍵斷裂，形成組成聚酯的酸和醇的單體，進而酸又反向繼續(xù)催化水解，進一步導致產(chǎn)品性能降低。在聚酯泡沫塑料中加入碳化二亞胺，可改善其耐水性能，但長時間 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 使用過程中依然會產(chǎn)生分解。但是，通過分析研究聚醚和半酯半醚不存在此類問題。

4 ? ?改進對策

鑒于聚酯型頂棚泡沫在潮濕環(huán)境下容易分解的技術特性，考慮到未來全球化供貨需要滿足各區(qū)域的特殊需求。各車型頂棚面料泡沫材料統(tǒng)一由聚酯型泡沫更改為聚醚型或者半酯半醚型泡沫，已提高產(chǎn)品售后質(zhì)量穩(wěn)定性。 同時，進一步優(yōu)化頂棚生產(chǎn)工藝，選擇兩步濕法作為后續(xù)新車型的工藝實施方案，兩步濕法有助于更好了保持復合針織面料背面泡沫厚度不會因工藝生產(chǎn)而被壓縮，不僅能提升相關區(qū)域的耐水解性能，同時還能夠保持頂棚優(yōu)良的吸音性能。

4.1 ? 耐水解試驗方法

基于PSA提供的高壓蒸煮濕熱老化試驗方法（D41 1015/D17 5001）進行試驗，在經(jīng)歷持續(xù)120+/-3度條件下進行試驗，試驗時間持續(xù)48小時。完成試驗后，用手指按壓面料1s，使軟泡沫壓縮到頂棚骨架上，然后松開手指。然后在濕熱的環(huán)境下，考察頂棚和泡沫之間的剝離力性能。

4.2 ? 各供應商耐水解試驗對比

通過各種類比泡沫實驗對比，發(fā)現(xiàn)聚酯型海綿和半酯半醚性泡沫在耐水解方面的性能明顯優(yōu)于聚酯型泡沫，這是因為聚酯易受水分子的侵襲而發(fā)生斷裂，且水解生成的酸又能進一步催化聚酯的水解，見表5：

4.3 ? 成本對比

聚醚型聚氨酯彈性體的價格遠高于聚酯型聚氨酯彈性體，主要原因如下。首先，聚醚型聚氨酯彈性體具有良好的耐水解性、耐低溫性和抗彎曲性。其次，聚醚多元醇的生產(chǎn)過程比聚酯多元醇復雜得多。在次，聚醚型反應過程中聚醚多元醇的工藝條件難以控制。最后，在聚醚多元醇的生產(chǎn)中，對生產(chǎn)設備有很高的要求。同時，在生產(chǎn)過程中應采取一定的防護措施，見表6：

5.1 ? 經(jīng)濟效益

5.1.1 計算公式

成本收益=單車維修成本×產(chǎn)品缺陷率×車輛銷售數(shù)量。

5.1.2 參數(shù)評估

以往項目，如R83/T93頂棚發(fā)生售后分層脫落問題時，只能通過臨時增加固定卡釘?shù)姆绞竭M行返修，但非常影響客戶車輛感知，售后抱怨非常大。為解決售后客戶的抱怨，DPCA實施的全新的返修工藝卡，針對使用三年以上，進店反饋頂棚售后分層脫落的車輛，實施更改頂棚的措施，用于減少售后客戶對品牌車輛的抱怨。單車維修成本包含更換零件和維修工時兩部分。更換零件： 單車按照350RMB/車（包括零件成本200RMB/件，維修工費150RMB/件）。

5.2 ? 實際效益

通過對售后終端頂棚售后維護費用的調(diào)查，發(fā)現(xiàn)每年花費在客戶更換頂棚的費用金額非常巨大，每年因此給企業(yè)帶來了200萬RMB的經(jīng)濟支出。目前，P24/P84開始采用全新的頂棚聚氨酯泡沫后，該缺陷在售后維修清單中已經(jīng)完全終結(jié)。

5.3 ? 潛在收益

后續(xù)量產(chǎn)車型E43、P54等按照神龍公司2022年銷量15萬來評估，每年出現(xiàn)的維修更換率按照1%進行計劃。預計每年潛在降低成本收益：15×0.1×200=300WRMB/年。

6 ? ?結(jié)束語

頂棚總成作為座艙系統(tǒng)的關鍵部件，隨著中國市場對感知質(zhì)量要求的不斷提高，同時也為了更好去實現(xiàn)整車銷售后5年如新的質(zhì)量目標，需要考慮客戶在各種不同區(qū)域使用環(huán)境方面的要求，防止因為產(chǎn)品物理性能發(fā)生變化后，而產(chǎn)生的質(zhì)量風險。

本文通過對頂棚生產(chǎn)工藝和頂棚每層物理性能方面的研究，最終對三種常見的聚氨酯泡沫進行技術分型，明確出聚酯型、聚醚型和半酯半醚型海綿的物理性能，最后發(fā)現(xiàn)聚醚型和半酯半醚型海綿更加穩(wěn)定，更加適用于頂棚區(qū)域的耐氣候和耐水解方面的性能要求。

在解決該質(zhì)量問題的同時，將相關物理性能和工藝要求提煉升華到頂棚總成設計指南中，進一步補充和完善了相關產(chǎn)品的性能認可規(guī)范，為后續(xù)神龍公司在頂棚系統(tǒng)的開發(fā)認可方面，提供了重要的經(jīng)驗反饋和設計指導，具有非常強的實用意義。

參考文獻：

[1]張拓. 汽車頂棚不同生產(chǎn)工藝的對比分析[J]. 汽車工藝與材料，2016.

[2]姜志發(fā). 耐化學介質(zhì)聚氨酯彈性體的合成劑結(jié)構(gòu)表征[D] .2015.

[3]謝靜，杜中杰，涂志剛. 側(cè)基體積對聚氨酯耐水解性的影響[J] .高分子材料科學與工程，2012，28（7）：35-38.

[4]劉文作夫，肖望東，張全平，戴文利.熱塑性聚氨酯彈性體水解穩(wěn)定性的研究[J] .塑料工業(yè)，2010，（6）：56-6.

[5]劉靜波.汽車頂棚內(nèi)飾設計[J].汽車工藝與材料，2014（4）：15—17.

專家推薦語

聶 ? 昕

湖南大學 ?機械與運載工程學院

副研究員

作者根據(jù)頂棚復合面料分層的質(zhì)量問題對面料材料進行了詳盡的分析，通過對比聚酯型、聚醚型以及半酯半醚型三種不同材料的海綿結(jié)構(gòu)、力學特性、耐水解性測試等試驗，找到其性能差別，尤其是耐水解性能及水解程度。從而挖掘出頂棚復合面料分層的原因及提出解決辦法。本文可為科研及技術工作者提供一種復合面料分層的系統(tǒng)解決辦法，具有一定的指導意義。