低成本輕量化高環保材料在汽車頂棚設計中的應用研究

趙會芳　田磊　徐亞君

摘 要：隨著傳統汽油車的不斷發展和電動汽車的不斷崛起，前沿科技材料在零部件的應用上越來越突出，而且越來越成為車企車型的亮點和賣點。傳統的汽車內飾頂棚零件，采用常規材料設計，汽車頂棚一般由面料層、基材層和背面無紡布復合而成，其中基材層有不可回收的PP玻纖、PU玻纖板；以及復合時使用的膠層，對頂棚產品及整車非金屬零部件氣味性等級、VOC揮發量都有著不利的影響，同時產品價格及重量也是有待優化。在某些車型中，也有采用麻纖維板，但極易吸水受潮、發霉，已逐步淘汰。本文以頂棚產品的輕量化、更加環保的材料應用進行研究，以聚丙烯物理發泡淋涂材料板材作為頂棚基材替代傳統頂棚基材為研究的載體，以達到降本、減重、以及提升整車環保性能的增效目的。屬于汽車零部件產品前沿科技應用領域。

關鍵詞：聚丙烯物理發泡淋涂材料 低氣味、低VOC 低成本方案 輕量化設計 環保材料 汽車軟內飾零部件產品應用

1 前言

汽車頂棚是位于汽車乘客艙內部上方的汽車內飾部分，用于保護車輛內部乘客免于受日曬、吹風、雨林和其他外部因素的影響，提供舒適的乘坐環境，汽車頂棚作為整車內飾的重要組成部分，對提高汽車競爭力有著不可或缺的作用。汽車頂棚一般是由面料層、基材層和背面無紡布復合而成。其中面料層是面向乘客的，且對內飾質感有提升作用，一般采用針織面料、無紡布、TPO、PVC、麂皮及仿麂皮類的面料。基材層則是頂棚除外觀性能以外的其他性能的主要決定因素，傳統頂棚基材PU玻纖板、PP玻纖板也有著自己特有的生產制程工藝。如果能在基材上做改善，采用聚丙烯物理發泡淋涂材料作為頂棚基材，可改善頂棚的生產工藝，且可達到減重、降本的效果，并在提升環保性能及可回收性能上有著可觀的貢獻。本文以聚丙烯物理發泡淋涂材料板材代替傳統頂棚基材，通過對成本、重量、工藝、可回收性、環保性能方面進行對標分析，確定了方案的可行性，為內飾頂棚零部件產品的設計提供了設計思路。

2 聚丙烯物理發泡淋涂材料在汽車頂棚上的應用可行性分析

2.1 聚丙烯物理發泡淋涂材料市場應用的可行性

聚丙烯物理發泡淋涂材料是目前市場上密度比較輕的材料。密度在60-450kg/m?之間，原材料成分為聚丙烯，CO2物理發泡，目前較廣泛應用于緩沖包裝行業、食品包裝行業以及家裝行業、體育行業等民用產品，具有輕量化、低成本、低氣味、低VOC、可回收、低熱傳導率、以及耐熱性等有著較為出色的優勢。目前市場上的頂棚基材，主要存在氣味性、VOC性能差，部分材料不可回收、難以回收、生產過程不環保的問題，因生產工藝及使用材料的不同，我們設計研發的聚丙烯淋涂材料板材在板材生產及頂棚成型過程中不添加不可回收的玻纖及不使用復合膠水，在環保性及工藝上有很大的提升，后續可以替代傳統頂棚基材，應用前景非常大。

2.2 聚丙烯物理發泡淋涂材料板材作為頂棚基材的成型工藝的可行性

傳統PP玻纖板頂棚（干法成型）、PU玻纖板（干法成型、一次濕法成型、兩次濕法成型），為保證一定的剛性，通常添加玻纖以增強整體強度，添加玻纖的生產過程對人體有害，且不可回收，由于加工過程中膠水的使用，使頂棚氣味、VOC環保性能較差。如下圖是傳統頂棚和聚丙烯物理發泡淋涂材料板材頂棚的工藝生產流程圖，從圖中可以直觀看出聚丙烯物理發泡淋涂材料頂棚生產工藝的優勢，生產過程中即無膠水的添加，可也實現基材在生產時直接與面料進行復合，省去了在成品生產時面料的后復合。目前已初步試模頂棚產品，驗證了成型是可行的。

2.3 面料復合以及結構強度的可行性

傳統頂棚復合面料，是通過在基材上增加膠水或額外增加膠水增加粘貼力，在頂棚成品成型時通過加熱基材和面料，使基材上的膠層融化，再通過模具高壓保壓使其實現基材與面料的復合，而聚丙烯物理發泡淋涂材料的板材，是通過在生產出片材基材的時候，增加一道環保的淋膜或附膜材料和工藝，通過輥子輥壓復合淋膜或附膜使其與聚丙烯物理發泡板復合成為一體，頂棚成品成型時與傳統成型工藝基本相同，通過加熱使淋膜或附膜在模具的高壓保壓下實現基材與面料的復合，下圖是聚丙烯物理發泡頂棚產品模壓后的示意圖以及復合面料后產品示意圖，驗證了實際成型面料復合的可行性。

由于聚丙烯物理發泡淋涂板是采用特殊聚丙烯原料，其線性分子鏈結構、以及難以撐出氣泡結構所需要的構面、易結晶，結晶行為難以控制以至于連續生產高倍率的擠出發泡聚丙烯是世界難題，但通過獨有的下吹式工藝并使用特制的模頭和螺桿，打破多年的技術難題，成功實現擠出發泡聚丙烯的商業化，可生產單層0.5～6mm（厚度） 、密度60～450kg/m?密度的PP物理發泡板材，泡孔直徑可達到0.2mm，可最大限度實現高倍率、高強度、輕量化。其中在板材成型時添加的單層或雙層的雙向拉伸的淋膜，使發泡板剛度、強度增大，性能優于傳統頂棚基材，在試模實物產品上已經能明顯感知到強度較優。

2.4 經濟效益的可行性分析

提升產品品質、實現降本減重策略、以及性能優化方面是主機廠應用新技術、以及創新產品的主要內在動力，聚丙烯物理發泡淋涂材料板材可在滿足物理化學性能的前提下實現降低單個零部件重量。為了研究聚丙烯物理發泡淋涂板帶來的經濟效益，以及是否是具有投資效益，本文對四種材料物理化學性能以及成本、重量進行了對比。從對比結果可以看出，采用聚丙烯物理發泡淋涂板，總體成本略低，強度性能相同的情況下克重可達到900g/m?，隨著技術的不斷提升，克重會進一步降低，而且不含玻纖、可回收利用，對環境十分的友好。如配套的車型銷量大，將會有很客觀的經濟效益。

2.5 聚丙烯物理發泡板材在汽車行業內飾產品應用的未來趨勢

創新型輕量化低成本材料在汽車內飾應用中越來越多，為保證頂棚內飾剛度強度，一般在材料里都加有玻纖成分，但隨著創新科技的發展與進度，環保性的材料應用在內飾零部件甚至整車零部件上越來越受重視，若聚丙烯物理發泡淋涂材料板材應用后，根據所需克重調整，重量可降低10%～20%。減重效果十分的明顯，成本較傳統PU復合板頂棚也有一定的降低。目前我司已在進一步推進在已有車型上驗證，無論在減重還是降本上會有不錯的經濟效益。且由于頂棚面料的復合也省去了復合膠層的加入，從根本上解決了頂棚氣味、VOC、回收利用等環保性問題，此創新方案將成為未來汽車內外飾應用的新方向。

3 PP發泡板材料應用試驗規劃

原傳統頂棚進行試驗時，需考慮斷裂強度、斷裂伸長率、撕裂強度、尺寸穩定性以及耐高低溫性能合格性，新型聚丙烯物理發泡淋涂板頂棚因在耐高溫方面及脆性方面具有一定的風險，需進一步進行試驗驗證，以便消除因材料自身特性帶來的一些影響。故在調配材料配方時注意加強材料的熱變形溫度及剛性強度，使其滿足材料試驗以及零部件實驗規范限值，并且需要通過材料、零件、總成以及整車的多輪測試和整車耐久測試驗證，這樣投放到市場上的產品出現質量問題的概率也會極低。

4 結論

節能環保、減重降本是汽車行業的發展大趨勢所在，在保證整車安全和法規要求的前提下，可有效提高汽車的動力經濟性、節能減排、提高乘坐艙空氣質量，這也是所有車企都在關注的發展方向。聚丙烯物理發泡淋涂材料應用于頂棚基材不僅從原材料上杜絕了玻纖的使用，大大提高了后期材料回收利用性，而且從生產過程中不使用復合膠層以及整車的環保性能上降低VOC、氣味含量，為乘客提供更健康的乘坐環境，真正做到健康綠色駕車乘車。同時，低克重材料的應用，不僅降低零件成本，還會降低整車能耗以及污染物的排放，符合目前國家以及車企越來越重視節能環保大趨勢。本文所提到的聚丙烯物理發泡淋涂材料所使用的特殊原材料配方聚丙烯原料目前仍是以進口為主，國內配方仍在不斷調試突破中，因此推動原材料的國產化替代，降低進口依賴也是迫在眉睫的事情。若技術突破，成本將會進一步的降低，不管是在成本上還是在輕量化方向上都將有更加突出的優勢，屆時普及至車企應用上，將對汽車行業是一個突破性的革新。

參考文獻：

[1]田磊，趙會芳，徐亞君等.一種車頂蓋內飾板.使用新型專利，2019.

[2]曹渡，蘇忠.汽車內外飾設計與實戰手冊.機械工業出版社，2017.