生物基增塑劑對PVC人造革性能的影響

中圖分類號：U465.4 文獻標志碼：B DOI：10.19710/J.cnki.1003-8817.20240425

Abstract：In order to explore the influenceof bio-based plasticizersand leather structureon the properties of Polyvinyl Chloride （PVC）leather materials for automobiles，systemtestand performance testareconducted to find that using suitable eco-friendly bio-based plasticizers forautomotive interior PVC leathercanmeet requirements such as 1 and 30 Ooo times folding durability for automotive interior PVC leather materials．PVC leather using environmentallfriendly bio-based plasticizers insteadof petroleum-basedplasticizers hasgreenecological and skinfriendlycomfort properties，and emisionof volatileorganiccompoundandaldehyde-ketonesubstancesis significantly lowerthan thatofordinaryPVC leather forautomotive interior，whichhasremarkable low-volatileandenvironmental protection advantages.

Keywords：Artificialleather，Bio-based，Plasiticizer，LowVOC

1前言

汽車內飾用皮革分為天然皮革和人造皮革。其中，人造革在汽車內飾領域應用廣泛，主要類型有聚氯乙烯（PolyvinylChloride，PVC）革、聚氨酯（Polyurethane，PU）革和超細纖維合成革（超纖革）。PVC革發泡層常采用偶氮二甲酰胺（Azodicarbonamide，AC）發泡。AC發泡劑在高溫條件下會分解產生氮氣 （N₂） 、一氧化碳（CO）、二氧化碳（ CO₂ 和氨氣（ NH₃ ）等，是導致PVC革氣味性差的主要原因之一。此外，為改善PVC革的物理性能，如降低樹脂硬度、軟化溫度、彈性模量及脆化溫度，提高柔韌性及伸長率]，增強皮革耐磨性和抗老化性能等，通常會添加多種功能助劑。其中，增塑劑的添加量質量分數占比為 45%～ 55% 。目前，PVC革使用的主流增塑劑大多來源于石油，在其全生命周期中，會對人體健康和環境造成一定危害。

本文以壓延成型PVC革為研究對象，從結構優化、生物基增塑劑的選擇2個方面進行人造PVC革的研究，以期獲得性能穩定且滿足汽車內飾材料性能要求的PVC革，同時賦予人造革綠色環保屬性。

2生物基人造革結構優化

典型的PVC人造革結構由面層、發泡層和基布層構成。其中，面層主要承擔顏色賦予與耐磨性能等保障功能；發泡層通過構建泡孔結構賦予人造革優異的柔軟度、彈性，同時提升革的厚度和耐用性；基布層為整體結構提供力學支撐，確保人造革具備所需的整體強度。

在壓延成型工藝制備PVC革的過程中，發泡層主要采用發泡劑發泡工藝成型。AC發泡劑是人造革中最常用的發泡劑，其受熱分解產生的氣體可使材料形成泡孔結構，廣泛應用于人造PVC革的生產。AC發泡劑受熱分解時，首先發生分子內重排生成尿素（ CO（NH₂）₂ 和聯二脲（ C₂H₆N₄O₂） ，隨著溫度升高，尿素分解生成異氰酸（HNCO）和NH₃ ，聯二脲分解為尿唑（ C₂H₃N₃O 和異氰酸，最終釋放出 N₂、CO、CO₂ 和 NH₃ 。上述具有刺激性氣味的分解產物釋放緩慢，是造成PVC革氣味性劣化的關鍵因素。

針對上述問題，本文對生物基PVC革的結構進行優化設計，其結構自上至下依次為樹脂面層、樹脂底層、基布層。通過取消傳統結構中的發泡層，可消除發泡劑分解產生的刺激性氣味。生物基人造革結構示意如圖1所示。

圖1生物基PVC革構型

由于取消發泡層，樹脂層厚度減小，進而導致皮革彈性與柔軟度降低，為彌補這一缺陷，通過選擇柔軟性較好的基布作為人造革支撐層，并調節樹脂層柔軟度、優化基布與樹脂層厚度配比，達到改善皮革觸感、增加真皮質感的效果。

3生物基增塑劑的選擇

根據增塑理論，增塑劑和PVC樹脂之間存在相互作用，當各種原料混合物受熱后，增塑劑分子擴散進人高分子聚合物體系，通過分子間的物理隔離作用，降低聚合物分子間的內聚力，形成有效阻礙聚合物形成的硬網絡結構，能夠降低PVC玻璃化轉變溫度 T_g， 使聚合物軟化，同時加快聚合物分子鏈的移動速率，達到改善材料彈性、韌性和延展性的目的。

在汽車內飾人造革領域，石油基增塑劑應用廣泛，常見類型有鄰苯二甲酸二丙基庚酯（Di-propylheptylPhthalate，DPHP）、鄰苯二甲酸911酯（911Phthalate，911P）、鄰苯二甲酸二異癸酯（Di-isodecylPhthalate，DIDP）以及鄰苯二甲酸二異壬酯（Di-isononylPhthalate，DINP）[2]，此類增塑劑的原料源于煤或石油等不可再生資源，在加工和使用過程中會對環境造成污染且難以降解。

相較于石油基增塑劑，生物基增塑劑以植物油為原料，通過對植物種子等進行生物發酵、擠壓處理，再經高溫蒸餾、除酸去味、脫脂脫蠟等工序，獲得生物質基礎成分，隨后對生物質基礎成分進行酯化處理、離心收集制得。生物基增塑劑具有可再生性強、生物降解性優異和無毒害等優點，不受石油資源供應波動影響，生物基含量較高。因此，針對來源于植物油的生物基增塑劑的開發及其在人造革中的應用，以及人造革新結構設計和工藝優化成為當前研究的重點[3]

4生物基增塑劑與石油基增塑劑對比

本文選擇2種主要成分不同的生物基增塑劑（Bio-PI-A和Bio-PI-B）進行對比分析，具體參數對比如表1所示。

通過外觀顏色、密度、酸值、加熱減量、PVC試片及析出等維度指標的系統對比，Bio-PI-B各項性能均優于Bio-PI-A。

基于此，進一步選取廣泛應用于汽車內飾人造PVC革的石油基增塑劑911P與Bio-PI-B生物

基增塑劑開展性能對比，如表2所示。

對比結果表明，生物基增塑劑Bio-PI-B與石油基增塑劑911P的物性參數相近，為后續增塑效果對比奠定了基礎。

5生物基增塑劑對PVC力學性能的影響

生物基增塑劑分子多為直鏈結構，石油基增塑劑分子多為支鏈結構。直鏈烷基結構的增塑劑分子因結構相對規整，更易滲透到聚合物體系內部，高效發揮增塑作用，具備較高的增塑效率。而支鏈烷基結構的增塑劑分子構型較為復雜，空間位阻較大，在聚合物中的擴散滲透能力較弱，增塑

效率相對較低。

采用Bio-PI-B增塑劑與911P增塑劑分別制備PVC試片。試片厚度為 0.4～0.5mm ，具體原料配比如表3所示。將PVC試片裁切為標準試樣開展力學性能測試。使用Bio-PI-B生物基增塑劑的樣品標記為Bio-PI-PVC，使用911P石油基增塑劑的樣品標記為911P-PVC。依據GB/T1040.3—2006《塑料拉伸性能的測定第3部分：薄膜和薄片的試驗條件》進行拉伸性能測試，按QB/T1130—1991《塑料直角撕裂性能試驗方法》規定進行撕裂性能測試，測試結果如表4所示。

表4性能測試結果

由表4可知，PVC試片的力學性能結果對比如下：

a.在拉伸強度方面，Bio-PI-PVC試樣縱向拉 伸強度較911P-PVC提高 6.92% ，橫向拉伸強度較 911P-PVC提高 9.02% O

b.斷裂伸長率方面，Bio-PI-PVC的縱向值較911P-PVC提高 19.93% ，橫向值較911P-PVC提高13.93% 。

c.撕裂強度方面，Bio-PI-PVC的縱向撕裂強 度較911P-PVC提高 23.21% ，橫向撕裂強度較

911P-PVC提高 3.93% 。

d.Bio-PI-PVC氣味評分優于911P-PVC。

對比結果表明，使用Bio-PI-B生物基增塑劑制備的PVC試片在拉伸、斷裂、撕裂等力學性能維度均顯著優于石油基增塑劑試樣。因此，生物基增塑劑可替代石油基增塑劑，且增塑效果良好，能夠保證PVC革制品的性能。

6生物基增塑劑添加量研究

以表3原料比例為基準，將生物基增塑劑的用量分別設定為 38%，41%，44%，47%，49% ，制備5種不同規格的PVC試片，且試片厚度均為 0.4～ 0.5mm ，隨后依據GB/T1040.3—2006對試片進行裁切，制取用于拉伸性能測試的試樣，同時，按照QB/T1130—1991裁制用于測試撕裂強度的試樣。不同增塑劑用量下的PVC試片拉伸強度和斷裂伸長率對比如圖2、圖3所示，撕裂強度對比結果如圖4所示。

由圖2～圖4可知，隨著生物基增塑劑添加量的逐步增加，皮革的拉伸強度顯著下降，斷裂伸長率明顯上升。當生物基增塑劑含量低于 40% 時，撕裂強度的變化幅度較小，但當含量超過 40% 時，撕裂強度明顯下降。這一現象表明，增塑劑起到增塑作用，使皮革變軟變韌，具體表現為皮革的拉伸強度降低，斷裂伸長率升高以及撕裂強度降低。

圖2生物基增塑劑含量對皮革拉伸強度的影響

圖3生物基增塑劑對皮革斷裂伸長率的影響

圖4生物基增塑劑對皮革撕裂強度的影響

基于以上試驗數據確定生物基增塑劑添加量范圍為 41%～47% 。為進一步確定生物基增塑劑的最佳用量，選取生物基增塑劑用量比例分別為41% 、44%和 47% 的3種試片進行低溫耐折測試，測試結果如表5所示。

由表5可知：當增塑劑占比為 41% 時，在溫度為 -10^°C 的條件下進行3萬次測試后，皮革表面明顯裂開，不符合技術要求；當增塑劑占比為 44% 時，皮革表面出現裂紋，不合格；當增塑劑占比為47% 時，皮革表面無裂紋，符合技術要求。綜上，確定生物基增塑劑用于汽車內飾PVC革的最佳用量比例為 44%～47% 。

7生物基人造革制備及性能測試

本文采用壓延工藝制備生物基人造PVC革，并對其材料耐老化性能進行系統測試，制備工藝流程如圖5所示。在耐老化性能測試環節，依據汽車內飾用PVC革的材料耐久性能標準對生物基PVC革進行性能測試。測試結果表明，各項指標均滿足技術要求，如表6所示。

圖5生物基人造革制備流程

表6耐老化試驗結果

此外，為進一步探究生物基PVC革的環保性能，按企業標準《汽車內飾材料及零部件揮發性有機物測定方法》分別對生物基PVC革和汽車內飾用普通PVC革進行揮發性有機物及醛酮類物質含量測試，結果如表7所示。

測試結果表明，生物基PVC革在上述指標上均顯著低于傳統普通PVC革，其氣味性評分優于普通PVC革，生物基PVC革在環保性能方面更具優勢。

綜合力學性能測試、低溫耐折性能測試、耐老化性能測試以及環保性能測試結果，生物基增塑劑不僅在增塑效果上能夠充分滿足汽車用人造革材料的各項性能要求，且在環保性能上更具優勢。因此，生物基增塑劑完全具備替代石油基增塑劑應用于汽車內飾人造革生產的條件。

8 結束語

本文采用生物基增塑劑替代石油基增塑劑，對PVC革結構進行優化設計，放棄AC發泡劑，制備出低揮發生物基PVC革，經系統性能測試驗證，該新型生物基PVC革的各項性能指標均滿足汽車內飾的應用要求。相較于普通汽車內飾用PVC革，新型材料在氣味性方面優于普通汽車內飾用PVC革，其揮發性有機物和醛酮類物質含量達到同類產品最優水平，具有產品氣味清新、安全親膚的屬性，為汽車內飾材料的綠色化、高品質發展提供了解決方案。

參考文獻：

[1]常仟永，陳潔.環保型增塑劑在PVC加工中應用研究進展[J].當代化工研究，2023（15）：56-58.

[2]張婕，史翎，張軍營.偶氮二甲酰胺熱分解機理及氧化鋅對其分解的影響[J].北京化工大學學報（自然科學版），2011，38（3）：39-43.

[3]吳三民，鄔嬌嬌，徐向亞，等.聚氯乙烯用生物質基增塑劑研究進展[J].化工新型材料，2022，50（1）： 46-49+55