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发表于 2020-4-10 08:51:51 | 显示全部楼层 |阅读模式

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汽车内饰用环保型EPP材料性能与应用

张松峰1 石德峥1 王梓霖1 王俊翔2 李登山1
(1.中国第一汽车股份有限公司研发总院,长春 130013;2.中国第一汽车股份有限公司质量保证部,长春 130013)
【中国汽车材料网】摘要:首先介绍了EPP材料的综合特性,并对比了汽车内饰常用的几种泡沫材料的散发性能,结果表明,EPP材料的气味性和VOC散发性要明显优于其他几种泡沫材料;综述了EPP材料在汽车内饰部件中的应用,EPP材料以比重轻、低气味、低散发、可100%回收利用、综合性能好等优势广泛应用于汽车的内饰件中;最后对EPP材料在汽车内饰件中的应用进行了总结和展望。
关键词:汽车 EPP 轻量化 车内空气质量

随着国内外汽车行业的迅猛发展,现代汽车对整车轻量化和车内空气质量的要求越来越高。以非金属制品替代金属制品一直以来都是汽车减重的重要手段,可有效降低整车油耗,提高能源利用率,降低汽车尾气的排放,从而减少污染。目前,车用非金属材料广泛应用于汽车内饰、外饰、底盘等零部件系统中,在整车轻量化的同时还起到吸能缓冲、隔热隔声等作用,具有非常好的使用效果。然而,由于非金属材料的特点,在汽车内饰的使用过程中,一些有机小分子物质,如苯、甲苯、甲醛、乙醛等会逐渐释放到汽车驾驶室内,从而对人体健康造成危害,同时也使车内具有较大的刺激性气味,对司乘人员的驾乘体验有非常不好的影响。因此,开发环保型低散发的汽车内饰用非金属材料将具有至关重要的意义。

聚合物发泡材料是以高分子树脂为基体,内部由无数泡孔组成的微孔材料,具有质轻、隔热、缓冲性好等优点,因而在汽车中被广泛应用。目前,在汽车内饰中应用的发泡材料主要是聚氨酯泡沫(PUR)和聚烯烃类泡沫。然而,PUR泡沫在长期使用过程中会持续释放出小分子有害物质,如未反应的异氰酸酯、苯类、醛酮类等,它们会影响车内空气质量。聚丙烯泡沫(Expanded Polypro⁃pylene,EPP)是使用高熔体强度聚丙烯(HMSPP)作为树脂基体,通过物理的气体发泡而制得的一种闭孔泡沫材料,它具有力学性能优异、耐热性好、发泡倍数范围大、密度可调、无毒无味、可100%回收利用等特点,同时,EPP是一种纯粹的碳氢化合物,它不含任何增塑剂和发泡剂等添加物质,因此被认为是实现汽车轻量化和提升车内空气质量的优选材料[1]。


2 EPP材料特性

EPP材料是一种性能卓越的高结晶型泡沫材料,它是高熔体强度聚丙烯树脂以CO2气体为发泡剂在高温高压条件下制得的,通过改变发泡温度和压力可以制备密度不同的EPP材料。由于聚丙烯自身的特性以及独特的发泡成型工艺使得EPP材料具有一系列优异的性能。


2.1 EPP的散发性能

有研究发现,车内气味及挥发性有机物(VOC)很大一部分来源于泡沫材料,因此,降低泡沫材料的小分子散发可以有效提升车内空气质量。与汽车用其它泡沫材料相比,EPP泡沫在发泡及成型的过程中均未添加任何助剂,这使得其具有良好的气味性和低VOC散发性能。如表1所示,是汽车内饰中常用的原生PUR泡沫、再生PUR泡沫、化学交联聚乙烯泡沫(XPE)、聚苯乙烯泡沫(EPS)、乙烯-醋酸乙烯共聚物泡沫(EVA)以及EPP泡沫的气味性测试数据(1L瓶式法)对比,从表中可见,EPP泡沫的气味性要明显低于其他几种泡沫材料;表2所示为汽车内饰中常用的几种泡沫材料的VOC散发数据(10L袋式法)对比,从表中可以看出,EPP泡沫和XPE泡沫的VOC散发特性要明显优于其他几种泡沫,同时,EPP泡沫的气味性要优于XPE泡沫,因此通过对EPP材料的应用代替其它泡沫材料可以更好地改善车内空气质量。

表1 常用内饰泡沫气味性数据
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2.2 EPP的综合性能

EPP材料具有聚丙烯优异的耐热性,其最高使用温度可以达到120℃,同时兼具较好的隔热、隔声、吸能减振等性能。EPP材料具体的综合性能见表3。作为硬质泡沫材料,EPP发泡倍数范围大,密度可调,其力学性能(拉伸强度和50%压缩强度)随密度的增加有较大的变化,因此可以适用于汽车不同部位和不同功能的使用条件,同时,其100%可回收利用的特点也使其满足当前一再加强的环保法规。基于这些优势,EPP材料在汽车零部件上的应用越来越广泛。

表2 常用泡沫材料VOC散发数据 μg/m3
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表3 EPP材料综合性能
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注:表中的50%压缩载荷是指前3次压缩到试样初始厚度的70%,第四次压缩到初始厚度50%时的载荷。

3 EPP材料在汽车内饰件中的应用现状

随着人们环保意识的增加,各主机厂对整车车内空气质量的控制也越来越严格,这就对汽车内饰用非金属材料提出了更高的要求。EPP材料散发挥发性有机物(VOC)较少,材料本身的气味较小,同时具有优异的综合性能和较轻的质量,这使其在汽车内饰件中的应用越来越多。目前已开发应用的内装零部件有汽车内饰用垫块、座椅系统、行李箱工具盒、方向盘、遮阳板、重型车卧铺以及卧铺下工具箱等。

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图1 不同材料垫块

3.1 汽车内饰用垫块

目前的汽车内饰用垫块材料多为三元乙丙橡胶(EPDM)、再生PUR泡沫、EVA泡沫、EPS泡沫等,主要应用在顶棚、包裹架护板、备胎仓、地板通道和地毯等部位,起减振和支撑作用。然而,这几种材料普遍存在密度大、气味大、VOC散发大等问题,因此不能满足当前对汽车轻量化和提升车内空气质量的要求。EPP材料具有较好的能量吸收性能和抗冲击性能,较宽的密度范围可以使其满足不同部位的使用条件,因此成为了内饰垫块优选的替代材料。图1所示为红旗车中EPP泡沫垫块替代EPDM垫块和再生PUR泡沫垫块的应用案例,由于具有较好的成型性,EPP材料可以制备不同形状的垫块制品。图2为包裹架护板垫块的质量对比,从图中可见,EPP垫块总重为8.8 g,而同样体积的PUR泡沫垫块总重达51.9 g,所以使用EPP材料将具有非常好的轻量化效果。同时,由于EPP泡沫质量较轻,所用原材料相对较少,因此EPP泡沫还具有一定的价格优势,表4所示是图1红旗车用3种垫块在EPP材料替换前后降重及降成本情况,从表中可见,EPP材料相对于其它垫块材料具有非常明显的轻量化和成本优势。

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图2 包裹架护板垫块

3.2 汽车座椅系统

EPP材料在汽车座椅系统中主要应用于头枕、座椅坐垫以及座椅靠背等部位。EPP材料本身具有非常好的弹性和抗冲击性能,因此,在受到冲击时EPP座椅头枕可以较好地保护驾乘人员的头部和颈部安全。目前的汽车座椅坐垫主要应用的是PUR泡沫材料,在PUR泡沫中间配备钢丝骨架,从而起到支撑作用,防止乘员下陷。然而这种结构直接导致了座椅坐垫质量大,气味大,并有大量小分子有害物质散发等问题,不利于汽车轻量化和车内空气质量的提升。使用EPP泡沫部分替代PUR泡沫后,由于EPP是一种硬质泡沫材料,具有很好的抗压性能和强度支撑,所以材料自身具有防止乘员下陷的作用,这就减少了座椅坐垫中钢丝骨架的使用,以塑代钢具有非常好的减重效果,同时由于EPP材料较好的气味和低VOC散发性能,其大面积的应用对车内空气质量的提升也有较大的帮助。图3是目前已开发的EPP座椅坐垫。

表4 EPP垫块降重及降本情况
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图3 EPP座椅坐垫

3.3 重型车卧铺下工具箱

在重型车中,使用高密度EPP材料制造的卧铺下工具箱替代传统的钢板焊接工具箱,在力学性能满足使用要求的条件下,减重效果非常明显。有文献报道,使用EPP材料后,整个工具箱的质量比原工具箱降低了约10 kg[2]。同时,EPP材料较好的隔热隔声性能和吸能减振性能可以有效地阻隔重型车大功率发动机所发出的热辐射和噪声,并改善车内震动,这使得驾驶室内部具有更好的驾乘环境。图4是目前已经开发的EPP卧铺下工具箱。

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图4 EPP卧铺下工具箱

3.4 汽车行李箱工具盒

如图5所示为EPP汽车行李箱工具盒,由于EPP材料具有较好的耐油性、耐磨性和防振缓冲性能,它可以将随车工具较好的嵌装在其内部,具有非常好的固定作用,同时,目前工具盒使用的EPP材料密度多为20~30 kg/m3,质量小,轻量化效果好,因此,目前EPP材料已经在汽车随车工具盒中大规模应用。

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图5 EPP汽车行李箱工具盒

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图6 EPP遮阳板填充层

3.5 其它内装件

基于低气味、低散发、轻量化、综合性能好等优势,EPP材料还广泛应用于汽车方向盘、车门内板、车门扶手、后备箱盖等内装部件中。EPP材料的最高使用温度可以达到120℃,在温度较高的工况条件下,EPP泡沫比其它泡沫材料更有优势,因此,EPP也常用于遮阳板、仪表板保温层等受阳光直射的部件。图6为EPP遮阳板填充层。


4 结束语

与其他泡沫材料相比,EPP材料具有优异的气味性和较低的VOC散发性能,同时兼具比重轻、缓冲性好、耐热温度高、可100%回收利用等特点,因而,EPP材料在汽车轻量化的发展以及车内空气质量的提升方面具有更强的优势。可以预见,EPP还将进一步取代汽车内饰中质量重、气味大的材料,进而提高EPP材料在汽车内饰件中的比重。

目前,EPP材料在内饰件中已经广泛应用,然而,由于泡沫材料的特有属性(低强度和外观质量差等),其与结构件和外观件的使用要求仍有很大差距。随着成型工艺和模具技术的进步,目前已有EPP表面塑化技术、塑化皮纹技术、表面包覆技术等,结合这些技术,相信EPP材料在未来的轻量化和健康座舱中将进一步发挥其特有优势,从而扩大其在汽车内饰中的应用范围。



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