低密度全水發(fā)泡自結(jié)皮軟質(zhì)方向盤材料及工藝

陳瑩 孫銳 袁學(xué)虎 周天平

（1.東風(fēng)汽車公司燃?xì)夤荆?.湖北雙鷗汽車飾件公司）

現(xiàn)在市場上汽車方向盤包覆層材料大多數(shù)是采用全水發(fā)泡的聚氨酯材料，存在結(jié)皮層薄及產(chǎn)品表面有小氣孔等問題。目前解決氣孔的方法是在模腔內(nèi)部預(yù)先噴涂一層模內(nèi)漆來遮蓋，噴涂模內(nèi)漆增加了工序和材料成本。增加結(jié)皮層厚度，采用減少發(fā)泡劑水的使用量，加大聚氨酯泡沫的密度。方向盤自結(jié)皮泡沫，早期使用氟利昂，即一氟三氯甲烷（F11）作為物理發(fā)泡劑制造的泡沫層密度為400～440 kg/m3；目前采用水作為發(fā)泡劑的環(huán)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(jié)皮方向盤材料配置方式。

1 試驗準(zhǔn)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(wěn)定劑（Air Products公司）；1，4-丁二醇；高分子交聯(lián)劑；水性模內(nèi)漆；水性脫模劑。

2）加工設(shè)備及測試儀器主要有：高壓發(fā)泡機(jī)（Cannon公司）、試驗樣塊模具（自制）、方向盤發(fā)泡模具（自制）、電子萬能試驗機(jī)、方向盤染色牢度儀、邵氏硬度計、氙燈耐候試驗機(jī)、高低溫快速變化箱、往復(fù)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(wěn)定劑、低氣味催化劑、交聯(lián)劑及水等按比例稱量投入預(yù)混罐中攪拌均勻，配置成聚醚組合料（A組分），再泵入高壓發(fā)泡機(jī)儲罐中，將改性MDI泵入高壓發(fā)泡機(jī)另一儲罐中，調(diào)溫循環(huán)，在設(shè)備控制面板上設(shè)定流量及混合比例，待料溫及樣塊模具溫度滿足后，進(jìn)行澆注發(fā)泡，制成樣塊及樣件。

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 POP用量及對A組分粘度及發(fā)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(wǎng)（轉(zhuǎn)圈）包覆力及發(fā)泡性能的影響。

表1 POP用量對組合料粘度及骨架外網(wǎng)（輪圈）包覆力的影響[1]

表2 POP用量對組合料發(fā)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(xiàn)在方向盤的造型越來越復(fù)雜，過多的POP的加入，使材料的粘度太大，距離模具澆口的遠(yuǎn)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(qiáng)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(fā)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(nèi)的POP為宜。

2.2 發(fā)泡劑水加入量對聚氨酯發(fā)泡性能的影響

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

從表3看，在原材料中水的加入量接近100/1時，發(fā)泡反應(yīng)劇烈，不能形成泡沫體，雖然經(jīng)過調(diào)整澆注壓力和澆注流量，泡沫體形成正常，但發(fā)泡反應(yīng)過于強(qiáng)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(jié)和2.2節(jié)的結(jié)論，將原材料中POP的用量調(diào)整為10%，水用量調(diào)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(fā)泡過程工藝參數(shù)。

表4 組合料技術(shù)參數(shù)

泡沫樣塊及樣件制備采用高壓發(fā)泡機(jī)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(biāo)記后在25℃的烘箱中處理48 h后，去除樣塊表面的致密結(jié)皮層，得到四周全是泡沫的樣塊和表面結(jié)皮層，分別測試泡沫芯層和結(jié)皮層的性能，測試結(jié)果，如表5所示。

表5 泡沫芯層力學(xué)性能及泡沫結(jié)皮層性能

從表5可以看出：1）增加發(fā)泡劑水用量，自結(jié)皮泡沫力學(xué)性能略有降低，而軟質(zhì)方向盤主要考慮的是結(jié)皮層耐磨耗性能，結(jié)皮層無磨損，方向盤使用耐久性能更優(yōu)；2）在泡沫質(zhì)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(jié)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(biāo)之一。將試制的方向盤樣件用自制夾具和定扭矩扳手進(jìn)行泡沫與骨架包覆力測試，某企業(yè)內(nèi)部標(biāo)準(zhǔn)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(shè)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(huán)保性能

將制備的樣塊及樣件委托第三方進(jìn)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(huán)保性能檢測，結(jié)果見表6。從表6測試結(jié)果看，自制全水自結(jié)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(huán)芳烴等環(huán)保性能方面均滿足相應(yīng)的行業(yè)和國家標(biāo)準(zhǔn)要求。

表6 泡沫耐老化和環(huán)保性能

2.6 自結(jié)皮聚氨酯材料在不使用模內(nèi)漆情況下對方向盤外觀的影響

分別采用自配自結(jié)皮材料和市售普通自結(jié)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(fā)泡劑水添加量0.85%，采用低氣味催化劑進(jìn)行配制。對樣塊及樣件模具內(nèi)部采用噴涂模內(nèi)漆、減少模內(nèi)漆噴涂及不噴涂模內(nèi)漆3種方式分別制備樣塊并進(jìn)行標(biāo)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(nèi)漆情況下外觀對比

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

3 結(jié)論

1）采用高活性低雜質(zhì)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(jī)械性能；

2）通過采用專門的高活性聚醚且添加高的發(fā)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(jié)約25%以上材料，同時方向盤泡沫體理化性能不降低，且環(huán)保性能滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，符合今后汽車輕量化技術(shù)發(fā)展方向；

3）通過采用高活性低雜質(zhì)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(fā)泡組合料制造方向盤需要噴涂的模內(nèi)漆，提高作業(yè)效率，降低成本2～3元（以一個方向盤耗用0.035 kg模內(nèi)漆計算），增加產(chǎn)品市場競爭力。