一種輕質(zhì)PU發(fā)動機艙隔熱墊的應(yīng)用研究

曹中華 盛仁斌 杜慶元

（浙江極氪智能科技有限公司，寧波 315336）

1 前言

2 輕質(zhì)PU與玻璃棉克重的對比

發(fā)動機艙隔熱墊的主要作用是降低發(fā)動機噪聲、保持發(fā)動機艙溫度、防止機艙過熱影響發(fā)動機艙漆面質(zhì)量。目前，國內(nèi)自主品牌汽車的發(fā)動機艙隔熱墊大量采用玻璃棉作為填充物模壓成型。

聚合物發(fā)泡（PU）材料通過不同的發(fā)泡工藝，賦予了聚合物全新的優(yōu)異性能，是新材料中的新生力量。而輕質(zhì)PU材料憑借其輕量化、減振降噪、保溫隔熱的獨特性能，在不同的垂直應(yīng)用領(lǐng)域發(fā)揮著關(guān)鍵作用。

本文以市場上某一款車型的發(fā)動機艙隔熱墊舉例，該車型的發(fā)動機艙隔熱墊采用的填充物材料便是傳統(tǒng)的玻璃棉，將不同克重的輕質(zhì)PU與其進行對比研究分析。另外，為更好地研究輕質(zhì)PU材料的特點，將半固化棉填充材料樣品加入對比試驗，詳見表1。

表1 不同材料發(fā)動機艙隔熱墊克重對比

3 輕質(zhì)PU與玻璃/半固化棉工藝的對比

近幾年，企業(yè)的人力資源成本負擔(dān)越來越重，促使企業(yè)不斷尋求通過產(chǎn)品可替代的材料和生產(chǎn)工藝來優(yōu)化人力成本，確保中小企業(yè)利潤持續(xù)發(fā)展。

發(fā)動機艙隔熱墊結(jié)構(gòu)為外層及隔熱層，外層包覆在隔熱層的外側(cè)，通過熱壓成型工藝制成。輕質(zhì)PU發(fā)動機艙隔熱墊的加工工藝流程如圖1所示，玻璃棉和半固化棉發(fā)動機艙隔熱墊的加工工藝流程如圖2所示。

圖1 輕質(zhì)PU發(fā)動機艙隔熱墊的加工工藝流程

圖2 玻璃/半固化棉發(fā)動機艙隔熱墊的加工工藝流程

試驗選用的輕質(zhì)PU復(fù)合板材自帶無紡布，由于其質(zhì)輕且有一定的剛性，1名作業(yè)員即可完成上料工序生產(chǎn)工作。而玻璃棉和半固化棉材料無法很好實現(xiàn)復(fù)合化，故上料工序是將水刺無紡布底料、玻璃棉和半固化棉與針刺無紡布面料依次投入熱壓模具中，需要2名作業(yè)員協(xié)同完成此項工作。不同填充材料的發(fā)動機艙隔熱墊模壓工藝參數(shù)如表2所示。

表2 發(fā)動機艙隔熱墊不同材料的工藝參數(shù)

根據(jù)表2可知，采用輕質(zhì)PU作為填充物的發(fā)動機艙隔熱墊所需的模溫要低于其它2種材質(zhì)，而且生產(chǎn)節(jié)拍要比其它2種材質(zhì)的快15 s，這主要是因為輕質(zhì)PU發(fā)動機艙隔熱墊所采用的是復(fù)合型材料，相比玻璃棉和半固化棉材質(zhì)的發(fā)動機艙隔熱墊少了一道上料工序。

4 輕質(zhì)PU與玻璃棉和半固化棉的性能對比

4.1 隔熱效果對比

將1～4號樣品分別搭載在同配置的該車型上，在相同的環(huán)境下啟動并連續(xù)工作3 h，用高精度鉑電阻溫度計分別對發(fā)動機艙同一位置進行溫度測量，測量結(jié)果見表3。

表3 發(fā)動機艙隔熱墊不同材料的隔熱效果

從試驗結(jié)果來看，輕質(zhì)PU材料的隔熱效果要優(yōu)于玻璃棉和半固化棉，而高密度的輕質(zhì)PU材料的隔熱效果略低于低密度的輕質(zhì)PU材料，主要原因是材料的分子結(jié)構(gòu)不同，其導(dǎo)熱系數(shù)有很大的差別[1]。玻璃棉和半固化棉屬于纖維類保溫隔熱材料，輕質(zhì)PU屬于多孔性保溫隔熱材料。不同材質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)見表4。

表4 發(fā)動機艙隔熱墊不同材料的導(dǎo)熱系數(shù)[2]

在其它條件一定的情況下，導(dǎo)熱系數(shù)越小的材料，它的導(dǎo)熱能力越低，即保溫隔熱效果越好，所以采用輕質(zhì)PU材料試驗車輛發(fā)動機艙的溫度低于采用玻璃棉和半固化棉的試驗車。

隔熱材料的各個熱物理性能參數(shù)之間關(guān)系見公式（1）。

式中，λ為導(dǎo)熱系數(shù)；α為熱擴散系數(shù)；ρ為密度；c為比熱容；R為熱阻；d為厚度；λ/ρ為密度因子。

從上式可知，密度因子決定了材料隔熱能力，密度因子越小，隔熱能力越強，反之則隔熱能力越弱。在厚度一定的條件下，密度與熱阻乘積大小表征了材料的隔熱能力強弱。所以在發(fā)動機艙隔熱墊厚度相同的情況下，1 500 g/m3密度的輕質(zhì)PU發(fā)動機艙隔熱墊隔熱效果要略低于1 000 g/m3密度的輕質(zhì)PU發(fā)動機艙隔熱墊。

4.2 NVH效果對比

發(fā)動機艙隔熱墊除了可以隔除發(fā)動機艙下面的大量熱量，減緩發(fā)動機艙漆面的老化的作用外，同時它能有效地吸收發(fā)動機艙內(nèi)所產(chǎn)生的機械噪音。發(fā)動機和變速器作為汽車NVH的激勵源之一，而且發(fā)動機噪聲占汽車噪聲的1/2，減少從發(fā)動機通過發(fā)動機艙板傳遞到車內(nèi)的噪音和振動，將有效提升駕駛舒適性。本文同樣以該車型的發(fā)動機艙板作為研究基礎(chǔ)，通過理論分析和試驗測量，分析該車型發(fā)動機艙隔熱墊采用不同材質(zhì)和密度對發(fā)動機艙吸聲和隔音的影響，為驗證輕質(zhì)PU材料發(fā)動機艙隔熱墊的應(yīng)用提供數(shù)據(jù)支撐。

4.2.1 吸聲系數(shù)測試

吸聲系數(shù)（α）是評定材料吸聲性能好壞的主要指標。一般材料的吸聲系數(shù)為0～1，α越大，材料的吸聲性能越好。

采用阻抗管法測試驗證3種材料的吸聲系數(shù)，其頻率測量范圍為50～6 400 Hz。按照GB/T 18696.1—2004《聲學(xué)阻抗管中吸聲系數(shù)和聲阻抗的測量 第1部分:駐波比法》[3]進行聲學(xué)阻抗管中吸聲系數(shù)和聲阻抗的測量。

在同一位置處進行取樣，保證試驗樣品其它因子相同，對幾種材料分別制備的發(fā)動機艙隔熱墊的吸聲系數(shù)進行測量，測量結(jié)果如表5所示，其吸聲系數(shù)與頻率特征如圖3所示。

表5 發(fā)動機艙隔熱墊不同材料的吸聲系數(shù)（α）

通過圖3可以看出，在低頻段（＜250 Hz）的聲學(xué)性能上，4#樣件與3#樣件吸聲系數(shù)基本一致，2#樣件與1#樣件基本一致，4#樣件與3#樣件高于2#樣件與1#樣件。主要因為玻璃棉和半固化棉材質(zhì)在密度相差不大，較輕質(zhì)PU的微孔要小，在低頻段有良好的吸聲效果。在中高頻段（＞250 Hz）的聲學(xué)性能上，吸聲系數(shù)為1#樣件＞2#樣件＞3#樣件＞4#樣件。

圖3 發(fā)動機艙隔熱墊不同材質(zhì)的吸聲頻率特性

試驗結(jié)果表明，輕質(zhì)PU的吸聲性能總體來說要優(yōu)于玻璃棉和半固化棉材質(zhì)，輕質(zhì)PU泡沫密度對其吸聲性能有很大的影響，主要原因是隨著密度的增加，泡沫提供的泡孔內(nèi)壁反射面積增加，在中低頻區(qū)（0～2 000 Hz）吸聲系數(shù)提高，但在＞2 000 Hz時，差異有所減小。當聲波進入泡沫時，引起材料本身的振動，密度大的泡沫消耗更多聲能，吸聲效果較好。一般情況下，人的聽覺對高頻聲敏感，對低頻聲不敏感，低頻聲容易完全掩蔽高頻聲，高頻聲則難以完全掩蔽低頻聲。所以重點對材料的中高頻吸音性能進行關(guān)注和研究。

4.2.2 隔音量測試

隔音效率定義為隔音量增加量R+與質(zhì)量（也可以是面密度）增加量M+之比，如公式（2）所示。

從公式（2）可知，隔音效率EM越大，表明隔聲性能與質(zhì)量比越大，隔音效率為負值表明質(zhì)量增加隔音量反而降低，隔音效果可作為性價比評價的重要指標[4]。

為了驗證材料面密度對隔音性能的影響，同樣分別在1#樣件～4#樣件同一位置處取試樣進行隔音量對比，測試結(jié)果如圖4所示。不難看出無論是在中低頻還是在高頻，1#試樣的隔聲量始終大于其它試樣，而2#、3#和4#試驗的隔音效果無明顯差異。這符合隔音量遵循的質(zhì)量定律原則，就是隔音材料的單位密集面密度越大，隔音量就越大，面密度與隔音量成正比關(guān)系。

圖4 發(fā)動機艙隔熱墊不同材料的隔音量

5 輕質(zhì)PU與玻璃棉和半固化棉的其它性能對比

5.1 人體危害性

玻璃棉和半固化棉生產(chǎn)環(huán)境惡劣，長期吸入其粉塵會危害人體的呼吸系統(tǒng)健康，可能引起過敏反應(yīng)、呼吸道損傷等。PU成型過程中不會向外釋放大量的強刺激性氣味的污染物，部件成型后不存在任何粉塵等對人體有害物質(zhì)。

5.2 耐霉菌性

隨著時間的推移，玻璃棉和半固化棉的纖維結(jié)構(gòu)內(nèi)會吸附大量灰塵和有機物，這些雜質(zhì)在適宜的溫度和濕度條件下會滋生出大量霉菌。而輕質(zhì)PU保溫隔熱材料相對前者靜電吸塵能力差，并且輕質(zhì)PU材料具有較強的憎水特性，不具備霉菌滋生的條件。

5.3 耐吸水性

玻璃棉和半固化棉具有一定的吸水性，遇水后水分會駐留在其纖維縫隙之中，從而降低產(chǎn)品的保溫性能，并且在重力作用下產(chǎn)品會發(fā)生塌落下沉，最終導(dǎo)致保溫隔熱層的整體失效。輕質(zhì)PU材料具有良好的憎水性，水分不會在其內(nèi)部駐留，故不會發(fā)生前者所造成的缺陷。

5.4 其它

輕質(zhì)PU板耐熱老化和耐阻燃性不及玻璃棉氈和半固化棉氈。輕質(zhì)PU非均聚物，它是由多元異氰酸酯、多元醇和胺類擴鏈劑等形成的，所以在熱的作用下會產(chǎn)生熱降解。此外，輕質(zhì)PU的阻燃等級（GB 8624—2012《建筑材料及制品燃燒性能分級》[5]）為B級，比另外2種材質(zhì)的要低，但輕質(zhì)PU遇火結(jié)碳能阻止燃燒，無熔滴，不會產(chǎn)生火焰擴張。

6 結(jié)論

通過對發(fā)動機艙隔熱墊3種不同材料的生產(chǎn)工藝、隔熱效果和NVH性能3個維度的對比和對3種不同材料的其它性能的對比分析，主要結(jié)論如下。

a.在相同設(shè)計結(jié)構(gòu)的條件下，輕質(zhì)PU制成的發(fā)動機艙隔熱墊在制造成本上較玻璃棉和半固化棉有一定的優(yōu)勢；

b.在相同設(shè)計結(jié)構(gòu)的條件下，輕質(zhì)PU制成的發(fā)動機艙隔熱墊具有比玻璃棉和半固化棉發(fā)動機艙隔熱墊更好的隔熱性能，且1 500 g/m3密度的輕質(zhì)PU發(fā)動機艙隔熱墊隔熱效果要略低于1 000 g/m3密度的輕質(zhì)PU發(fā)動機艙隔熱墊。

c.輕質(zhì)PU的吸聲性能總體來說要優(yōu)于玻璃棉和半固化棉材質(zhì)，輕質(zhì)PU泡沫密度對其吸聲性能有很大的影響。而在隔音方面，由于隔音量遵循的質(zhì)量定律原則，同密度的3種材料隔音效果無明顯差異，均低于1 500 g/m3密度的輕質(zhì)PU發(fā)動機艙隔熱墊。

d.輕質(zhì)PU相比玻璃棉和半固化棉對人體的危害性要小，而且具有更好的耐霉菌性和耐吸水性，不會因為產(chǎn)品吸聲失去保溫性能、引發(fā)細菌生長，但輕質(zhì)PU發(fā)動機艙隔熱墊有著受熱易老化的缺陷，同時阻燃性也較差。