低成本輕量化EPP材料在汽車內(nèi)飾頂棚設(shè)計中的應(yīng)用研究

摘 要：隨著新能源汽車越來越受人們青睞，目前汽車市場及零部件競爭力越來越大，傳統(tǒng)的汽車及零部件設(shè)計方案雖可滿足常規(guī)需求，但優(yōu)勢已越來越低。特別是汽車內(nèi)飾方面，已經(jīng)是非常成熟的設(shè)計及應(yīng)用，成本已經(jīng)是很透明的，重量也是越來越達(dá)到目前現(xiàn)有行業(yè)水平設(shè)計狀態(tài)極限，所以，內(nèi)飾設(shè)計應(yīng)用的瓶頸越來越明顯。為了新能源汽車的崛起及打破這一瓶頸，必須尋找新的創(chuàng)新思路，故降本、減重、環(huán)保型聚丙烯發(fā)泡材料作為頂棚基材替代原有傳統(tǒng)方案是顛覆汽車行業(yè)汽車產(chǎn)品應(yīng)用的一創(chuàng)新亮點(diǎn)。文章以該創(chuàng)新亮點(diǎn)為研究對象，對其進(jìn)行對標(biāo)目標(biāo)的分析、設(shè)計方案的分析、實驗驗證的優(yōu)化，并通過相應(yīng)改善以達(dá)到降本、減重、提高環(huán)保性能的效果，屬汽車行業(yè)內(nèi)飾零部件產(chǎn)品的前瞻應(yīng)用領(lǐng)域。

關(guān)鍵詞：聚丙烯物理發(fā)泡 輕量化 低成本 高環(huán)保 汽車內(nèi)飾零部件產(chǎn)品應(yīng)用

1 前言

汽車頂棚是汽車重要的內(nèi)飾零部件之一，是對乘客防護(hù)、及其外觀裝飾的必要零部件。目前市面上的頂棚使用基材材料是PP玻纖板及PU玻纖板，材料構(gòu)成均為層壓復(fù)合結(jié)構(gòu)，分為面料層、基材層、面料層、膠水層、附件層，其中面料層作為產(chǎn)品表面，基材層提供產(chǎn)品強(qiáng)度支撐，通過添加玻纖增強(qiáng)強(qiáng)度，附件層用于提供局部強(qiáng)度（天窗框加強(qiáng)板）、安裝附件（閱讀燈）及與汽車其他部件匹配（墊塊）；工藝復(fù)雜，生產(chǎn)過程對人體有害，含有多層膠水，氣味、VOC性能差。而發(fā)泡聚丙烯作為基材的頂棚，其生產(chǎn)工藝簡單，采用三層結(jié)構(gòu)（面料層、膠水層、基材層），膠水層用于連接，通過設(shè)計加強(qiáng)筋的方式增加整體強(qiáng)度，與頂棚附件及周邊件配合結(jié)構(gòu)一體發(fā)泡成型，從而達(dá)到減重降本、提高環(huán)保性能的效果，且結(jié)構(gòu)簡單，工藝簡化，基材可全部回收利用。

2 發(fā)泡聚丙烯材料在汽車頂棚上的應(yīng)用可行性分析

2.1 發(fā)泡聚丙烯材料市場應(yīng)用前景

發(fā)泡聚丙烯（即EPP）是一種有著較高物理性能的高結(jié)晶型聚丙烯/二氧化碳復(fù)合材料，因其優(yōu)越的性能，使其成為應(yīng)用增長最快的新型環(huán)保材料。發(fā)泡聚丙烯產(chǎn)品具有良好的抗震吸能性能、良好的耐熱性、形變回復(fù)率高、耐化學(xué)品性、耐油性以及保溫隔熱性，另外，發(fā)泡聚丙烯質(zhì)量輕，在降重方面的優(yōu)勢很突出，且發(fā)泡聚丙烯是一種綠色環(huán)保、無毒材料，材料可以全部回收再利用，不會造成白色污染。因其優(yōu)越的性能和低成本，EPP廣泛應(yīng)用于汽車、電子、食品包裝、絕緣、建筑、工業(yè)等各行各業(yè)行業(yè)。頂棚使用的EPP材料發(fā)泡倍率常規(guī)在10-15倍率，重量相對傳統(tǒng)頂棚較輕，且可一體成型天窗加強(qiáng)框，優(yōu)勢較為突出，總體單個頂棚成品成本可降低約37%，重量可降低約45%，基于目前頂棚的現(xiàn)狀，為達(dá)到顯著的減重降本目的，只有顛覆傳統(tǒng)的頂棚結(jié)構(gòu)、材料及生產(chǎn)工藝才能達(dá)成，而EPP頂棚就是對于傳統(tǒng)頂棚的顛覆；采用EPP一體成型方式替代PU玻纖板模壓及省去傳統(tǒng)的膠粘天窗加強(qiáng)框方式，取消單獨(dú)的天窗口加強(qiáng)框，降低模具、人工、材料費(fèi)用達(dá)到降本、減重目的，應(yīng)用前景較為突出。

2.2 聚丙烯發(fā)泡材料作為頂棚的基材使用在加工成型工藝上的可行性

天窗版頂棚是降本、減重的一個難點(diǎn)，汽車頂棚作為汽車內(nèi)飾的一個重要裝飾零部件，傳統(tǒng)的設(shè)計結(jié)構(gòu)是頂棚基材加面料通過模壓工藝復(fù)合?；男枰哂幸欢ǖ膭傂郧矣兄己玫母粑粜阅埽Ｓ玫牟牧鲜荘U發(fā)泡復(fù)合板，頂棚基材發(fā)泡后切片撒玻纖預(yù)制為片材，在模內(nèi)模壓成型與面料復(fù)合，天窗口位置基材需要切掉同時做翻邊，天窗版頂棚由于頂棚中間鏤空，工藝限制，頂棚不能局部加厚，只能通過增加加強(qiáng)框的方式來保證天窗口的強(qiáng)度，需要在頂棚天窗口四周增加粘一個金屬或高強(qiáng)度塑料天窗口加強(qiáng)框，來保證頂棚強(qiáng)度，目前頂棚材質(zhì)、工藝已經(jīng)十分成熟且趨同，成本、重量已達(dá)到瓶頸，減重降本的空間已很小，同時發(fā)泡、復(fù)合過程中會添加化學(xué)發(fā)泡劑、膠水，造成氣味差、VOC含量較高；圖1所示的就是一個典型的天窗頂棚，主要是頂棚面料、基材和天窗口加強(qiáng)框以及一些附件，天窗口一圈就是金屬加強(qiáng)框。但EPP頂棚可以解決此難點(diǎn)，首先是EPP頂棚基材的生產(chǎn)工藝是物理發(fā)泡，EPP頂棚基材是通過模內(nèi)發(fā)泡成型實現(xiàn)的，所以厚度是可以調(diào)節(jié)的，其次對于天窗版頂棚來說，可以在天窗口位置局部加厚，還可以做加強(qiáng)筋來提升強(qiáng)度，同時天窗口鏤空位置可以不發(fā)泡，節(jié)省原材料的使用，因此相對于傳統(tǒng)頂棚干法成型和濕法成型來說，天窗口越大成本、重量優(yōu)勢越明顯。 EPP采用的是CO2氣體物理發(fā)泡，而傳統(tǒng)PU板采用化學(xué)發(fā)泡，生產(chǎn)過程中會減少膠水用量，有利于環(huán)保性能提升；傳統(tǒng)的頂棚通過在PU發(fā)泡時撒玻纖來提高頂棚的剛性，EPP頂棚則可以像塑料件一樣，通過在背部增加加強(qiáng)筋來提高剛度，相對來說更能靈活地控制其剛性性能。圖2是EPP頂棚一體式發(fā)泡成型工藝流程示意圖；圖3是傳統(tǒng)PU頂棚基材化學(xué)發(fā)泡過程工藝流程圖。

EPP主要成分是聚丙烯，自身氣味性較低，采用CO2物理發(fā)泡，發(fā)泡過程中不需要添加化學(xué)物質(zhì)，不產(chǎn)生揮發(fā)性物質(zhì)。EPP珠粒要先經(jīng)過預(yù)壓成型，并使EPP珠粒表面熔接到一起而成型。脫模冷卻后模具再經(jīng)過一定溫度下穩(wěn)定化處理，并釋放產(chǎn)品內(nèi)應(yīng)力，而后得到EPP產(chǎn)品，如下圖4、圖5 EPP成型頂棚基材產(chǎn)品。

聚氨酯即PU，自身氣味性較低，在發(fā)泡過程中需要添加穩(wěn)定劑、胺類催化劑，生產(chǎn)過程中會添加聚化劑、發(fā)泡劑、交聯(lián)劑、軟化劑、抗氧化劑、著色劑等添加劑，會使氣味性下降，產(chǎn)生大量的揮發(fā)性物質(zhì)。

2.3 面料復(fù)合以及物理性能的可行性

常規(guī)的頂棚復(fù)合面料工藝是通過噴膠后模內(nèi)保壓復(fù)合，或基材加熱后靠自身膠質(zhì)融化與面料復(fù)合在模內(nèi)保壓復(fù)合。EPP基材頂棚采用相同工藝，首先EPP頂棚基材發(fā)泡成型后，先進(jìn)行烘烤、冷卻，之后在頂棚基材上進(jìn)行噴膠面料復(fù)合，模內(nèi)保壓復(fù)合面料。工藝與傳統(tǒng)工藝相同，降低了開發(fā)難度。

EPP物理性能比重輕，密度一般為17～100kg/m3，可以根據(jù)產(chǎn)品性能需求，選用合適密度的預(yù)發(fā)泡EPP珠粒原料；EPP耐溫能力強(qiáng)，通常情況下可承受-40℃～110℃的溫度，在短時間內(nèi)的耐溫度范圍會更大；EPP緩沖性能好，即使在支持層不厚的情況下也能起到很好的緩沖作用；具有良好的保護(hù)性能，EPP是半硬質(zhì)形態(tài)，具有一定的硬度、柔軟性，不會擦傷、碰傷與其接觸的物體，可以很好的保護(hù)物體，防護(hù)作用較好；隔熱性好，EPP是由獨(dú)立氣泡構(gòu)成，熱傳導(dǎo)率低，透水性小，作為隔熱材料以及浮力材料使用較受歡迎；可以100%的回收利用。當(dāng)EPP與其他聚丙烯如PP薄膜、注塑骨架等結(jié)合在一起時，還可實現(xiàn)所謂的“材料一體化系統(tǒng)”，即整個零部件在被回收利用時不需要進(jìn)行拆解；環(huán)保無異味，EPP產(chǎn)品氣味等級在2.5以內(nèi)（1-6級氣味等級評價），能通過所有汽車主機(jī)廠對汽車內(nèi)飾的氣味要求，揮發(fā)性有機(jī)物含量能降低50％以上。以上優(yōu)越的物理性能，使EPP發(fā)泡在同類發(fā)泡產(chǎn)品中脫穎而出，用在汽車內(nèi)飾頂棚上也是趨勢所在。

2.4 EPP基材頂棚經(jīng)濟(jì)效益可行性分析

傳統(tǒng)乘用車頂棚基材材料、結(jié)構(gòu)及工藝已十分成熟且趨同，價格、環(huán)保屬性已經(jīng)到達(dá)瓶頸，在不降低性能的情況下，降本及環(huán)保性能改善空間很??；顛覆傳統(tǒng)的EPP頂棚基材材料、工藝及結(jié)構(gòu)可以達(dá)到顯著的降本、降重及提升環(huán)保性能的目標(biāo)。表1是在某一款車型傳統(tǒng)頂棚成本分析。

由上表信息可以看出天窗口加強(qiáng)框及頂棚基材在頂棚總成的成本、重量、模具費(fèi)占比較高，為降本降重主要方向；而EPP頂棚的應(yīng)用則解決了這一痛點(diǎn)。頂棚基材由傳統(tǒng)PU發(fā)泡切片模壓工藝改為EPP發(fā)泡工藝，可通過在頂棚天窗口位置增加基材厚度和做加強(qiáng)筋的方式，替代傳統(tǒng)的單獨(dú)的天窗口加強(qiáng)框來達(dá)到降低成本及開發(fā)費(fèi)用的目的；通過降低EPP發(fā)泡倍率方式實現(xiàn)薄壁化，同時取消單獨(dú)的頂棚加強(qiáng)框，EPP發(fā)泡頂棚重量不高于PU頂棚，天窗口越大，降重效果越明顯，EPP頂棚在基材和天窗加強(qiáng)框上可降本37%，減重2kg，占比45%，同時省去了天窗加強(qiáng)框模具費(fèi)80萬元，經(jīng)濟(jì)效益十分顯著，打破行業(yè)技術(shù)水平。

2.5 EPP發(fā)泡材料在內(nèi)飾產(chǎn)品應(yīng)用的未來趨勢

EPP發(fā)泡因其優(yōu)越的物理性能及其成本的優(yōu)勢，應(yīng)用于汽車頂棚內(nèi)飾上是大趨勢所在，客觀的減重降本效果，可給車企帶來很可觀的經(jīng)濟(jì)效益，同時減重效果優(yōu)異，可達(dá)整車到節(jié)能減排的效果，符合可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略。EPP發(fā)泡不僅僅應(yīng)用于汽車內(nèi)飾頂棚，也可拓展應(yīng)用于內(nèi)飾地毯、行李艙系統(tǒng)零部件、甚至可替代傳統(tǒng)PP塑料件如門板、立柱、儀表板，目前我司已經(jīng)制作出門板、立柱等產(chǎn)品驗證確實可行。由于目前技術(shù)還比較前瞻，技術(shù)不夠成熟，目前只有個別零部件廠家可以配套生產(chǎn)，待技術(shù)成熟，這即將是行業(yè)又一顛覆創(chuàng)新。

3 PP發(fā)泡在汽車頂棚上的應(yīng)用試驗規(guī)劃

汽車頂棚需要通過一系列的零部件實驗才可以在整車上使用，同樣的EPP頂棚也需要通過一系列實驗才可以應(yīng)用于汽車上。由于EPP頂棚在國內(nèi)外的應(yīng)用很少，目前處于剛起步的階段，所以推進(jìn)起來也很難，能夠愿意提供支持的供應(yīng)商很少，大部分的廠家更傾向于成熟的技術(shù)，所以前期方案驗證也花了很多時間和經(jīng)歷，但是做成后，相對于傳統(tǒng)車企，可以做到更低的成本、重量和更環(huán)保的產(chǎn)品，提升汽車賣點(diǎn)優(yōu)勢和核心競爭力，目前EPP頂棚實驗已通過企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，后續(xù)在新項目上應(yīng)用將進(jìn)一步驗證落實零件級別實驗、系統(tǒng)級別實驗、特別是整車耐久實驗，是一輪比較長時間的驗證，其整車實驗周期時間較長，花費(fèi)人力、開發(fā)費(fèi)用也比較高。

4 結(jié)論

目前市場上主流的PU基材頂棚，氣味、VOC等環(huán)保性能已經(jīng)達(dá)到瓶頸，在環(huán)保要求日益嚴(yán)苛的今天，為了滿足環(huán)保性能要求，需額外增加處理手段，如烘烤、噴撒除醛劑等，原材料及制造成本上升壓力巨大，不符合降重降本及節(jié)能環(huán)保的汽車行業(yè)發(fā)展趨勢，EPP基材頂棚使用EPP珠粒CO2發(fā)泡技術(shù)，在基材成型過程中無化學(xué)試劑添加，天窗版頂棚采用天窗口背面做筋加強(qiáng)替代傳統(tǒng)的天窗口加強(qiáng)框膠粘方式加強(qiáng)，通過從原材料和制造工藝及結(jié)構(gòu)等方面進(jìn)行突破，實現(xiàn)有效的降本、降重、提升氣味性等級及降低VOC含量的目的，符合國家及行業(yè)節(jié)能環(huán)保降重趨勢，目前國內(nèi)部分車企及頂棚供應(yīng)商已經(jīng)開始EPP基材頂棚的研究，基于EPP基材頂棚與傳統(tǒng)頂棚設(shè)計、工藝及結(jié)構(gòu)差異，EPP頂棚技術(shù)還需要進(jìn)行更多的驗證及改進(jìn)，若EPP基材頂棚技術(shù)成熟，可以全方位的替代傳統(tǒng)基材頂棚，實現(xiàn)行業(yè)的顛覆性突破。

參考文獻(xiàn)：

[1]徐亞君，等.一種車內(nèi)外裝飾板及應(yīng)用其的汽車[J].使用新型專利，2020.

[2]曹渡，蘇忠.汽車內(nèi)外飾設(shè)計與實戰(zhàn)手冊[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2017．