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发表于 2020-6-28 09:25:32 | 显示全部楼层 |阅读模式

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汽车搪塑PVC表皮再利用研究

李依凡,刘子睿

(重庆大学,重庆 401331)

【中国汽车材料网】摘要:由于搪塑表皮的纹理均匀美观、手感舒适、可塑性强、耐老化等优势被广泛应用于中高档汽车的仪表盘表皮制造,但搪塑表皮成型过程中必要的工艺裁切造成大量PVC表皮废料的产生。结合国内废弃PVC材料再利用的现状,分析汽车内饰领域中PVC搪塑表皮废料回收技术发展的重要意义。同时,结合PVC材料的理化性质,提出一种利用液氮粉碎的颗粒恢复回收工艺,并设计出一系列有效可行且适用于我国生产现状的再利用技术;通过研究近年来汽车销售的发展趋势,分析该回收技术的经济价值与应用前景。
关键词:汽车仪表盘;搪塑表皮;PVC;再利用;液氮粉碎

1 研究背景和意义
汽车仪表盘是汽车内饰中重要的工艺技术产品。近年来,随着汽车市场竞争的日益激烈以及用户要求的不断提高,汽车仪表盘的表皮也逐渐趋于美观化、高级化,其中搪塑表皮以其花纹美观、可塑性强、手感舒适等优势被广泛应用于中高档汽车的软质仪表盘制造。但在表皮成型的过程中,为使表皮适配于仪表盘的外观构造,需对其进行必要的裁剪,这一工艺补充会造成大量的PVC材料浪费,使得材料的真实利用率大幅降低,同时因其不易降解的化学特性,大量PVC废料的堆积会对环境产生严重的污染隐患。
1.1 我国废弃PVC材料的回收再利用现状
随着我国科学技术的发展以及对环境生态保护意识的增强,废弃PVC材料的合理处置成为亟需解决的问题之一。相比于PVC材料的生产制造,我国废旧PVC的回收利用技术还远远落后于国际水平。目前,我国主要的PVC回收技术包括:一是物理回收法,二是化学回收利用,三是热能回收法。物理回收指PVC废料经机械粉碎后成为粉末或颗粒再生料,用于二次生产,该方法在我国应用得相对成熟,但其再生产品大多质量差、功能局限,造成了经济效益的大幅降低;化学回收指通过化学处理使聚合物断裂成为简单化合物而实现二次利用,该方法工艺相对复杂,成本较高,不适用于我国的生产现状,无法实现PVC废料的高效利用;而热能回收法,即通过大批量焚烧PVC废料来回收燃烧过程所产生的热能,亦无法实现材料本身的再利用,且焚烧产生的HCl会对焚烧设备产生严重腐蚀,同时HCl与氰化物等物质的存在也严重危害着生态环境与人体健康。
1.2 汽车行业内PVC废料再利用技术的开发背景
目前,我国汽车具有软质仪表盘车辆约占43%,其中PVC搪塑工艺作为软质仪表盘表皮制造工艺的首选,覆盖绝大部分软质仪表盘的生产制造。但由于材料利用率不足65%,每年仅汽车内饰领域产生的PVC废料就可达6500t,如此低效率的回收会造成环境压力的不断增大、生产材料的浪费以及经济价值上的损失,相关再利用技术的开发已迫在眉睫。笔者现提出一种基于物理机械回收方法展开的汽车仪表盘废弃PVC搪塑表皮液氮粉碎回收方式,以及再生产品性能增强涂层开发的再利用工艺建议,以供参考与讨论。经调查,目前汽车内饰领域中并无相关的系统化可行技术,行业内也缺少可应用的具体研究成果。

2 废弃PVC搪塑表皮再利用技术的开发
2.1 废弃PVC表皮液氮粉碎回收技术
PVC材料,即聚氯乙烯,凭借其优良的机械性能以及低廉的成本,在不同行业领域内均得到了广泛应用,然而由于低温条件分子链冻结的特点,导致该种材料的耐寒性与低温抗冲击性均较差,在低温环境中会出现材料脆化、失去弹性的现象。另一方面,PVC材料的这种低温脆化特性,又使得PVC材料的微米级颗粒化粉碎成为可能,可作为对汽车仪表盘废弃PVC搪塑表皮进行原厂内物理回收技术开发的突破口。
通常,PVC粉末粒径尺寸决定了搪塑制品的拉伸强度、塑化性能以及断裂伸长率等重要的理化特性,而在废弃PVC再利用领域中,为了满足再生产品的相关性能要求,一般要求将粉碎粉料以一定比例填入原生粉料,在混合后再制成再生产品;且对于回收粉料来说,粒径越小,再生产品性能的相对损失也越少,故在PVC粉料的回收再利用工艺中,对于回收粉料的粒径尺寸控制是最重要的核心技术。
在常温条件的PVC粉碎过程中,由于PVC材料本身的软化点较低,机械粉碎产生的热量会使粒径极小的PVC粉料发生物理性质改变,从而出现颗粒粘黏结块的问题。但如若利用前文所说的PVC较差的耐寒性质,在经深度冷冻后,表皮材料的硬度增强而发脆,就可以实现PVC材料的微米级颗粒化粉碎,进而控制并确定回收粉料的最适粒径尺寸。而液氮作为冷媒,不仅可以提供合适的低温环境,且作为惰性气体,氮气可保证与粉料混合处理过程中的粉料化学性质不变以及粉碎过程中的安全性,是废弃PVC搪塑表皮低温粉碎回收技术的首选制冷剂。
2.2 再生PVC粉料搪塑表皮的增强涂层开发
虽然通过对于回收粉料的粒径控制,可在一定程度上减少再生表皮存在的性能损失,但由于废弃表皮经低温粉碎处理后,材料仍存在现相对分子质量的降低,按一定比例混合的再生料又经过高温加热后塑化成型,使得表皮的脆性增加、韧性降低,易发生爆裂,其可能造成的表皮断裂及碎片飞溅问题在特殊环境下会对人体造成一定的伤害,不符合汽车仪表盘表皮气囊区的安全生产要求。
行业内在中高档车型的生产中,存在一种聚氨酯半硬泡软质仪表盘,该仪表盘工艺是将聚氨酯泡沫填充至仪表盘的表皮与骨架之间,以利用聚氨酯半硬泡的优良减震性能保障乘客在车辆受到外界冲击时的人身安全,该种工艺在聚氨酯材料于装饰表皮安全性能增强上的合理应用,也可类似的运用于再生PVC搪塑表皮的安全性能补充。
由于线性结构的聚氨酯具有热塑性强、高强度、耐磨、耐老化和耐低温等一系列优良的理化性能,其良好的低温稳定性可实现汽车仪表盘气囊区低温稳定性的增强。从聚氨酯半硬泡软质仪表盘制造工艺的原理出发,可利用类似的模式,将以聚氨酯作为主要材料进行开发的增强涂层喷涂在再生PVC搪塑表皮的背面,通过调整不同种类添加剂的组分含量,使所应用的涂层配方满足于再生PVC搪塑表皮的有效贴合、良好粘连。同时考虑到聚氨酯材料的成本较高,涂层可采用以气囊区为主的部分表皮喷涂工艺,同时减少美观功能区域的再利用表皮用料来实现安全要求的满足以及经济成本的降低。

3 废弃PVC搪塑表皮再利用技术的应用前景分析与展望
3.1 汽车仪表盘废弃PVC搪塑表皮原厂回收的经济分析
通过废弃PVC表皮液氮粉碎回收技术以及局部表皮性能增强技术,可使搪塑表皮的厚度适宜,搪塑表皮的利用率提升10%,单辆份综合材料用量降低36%,目前市场上软质搪塑PVC粉末的价格在40元/kg左右,搪塑表皮的平均重量在1.5kg左右,单辆份搪塑表皮的材料成本可节约21.6元。
经计算,PVC低温粉碎加工成本约为2.5元/kg,局部增强涂料的成本约为1.7元,因此,通过搪塑表皮低温粉碎再利用技术以及局部涂层增强技术,单件仪表板表皮的综合材料成本可节约19.65元,以我国搪塑表皮汽车年生产数量1000万辆份计算,仅此一项,我国汽车市场的年搪塑粉料可降低1.96亿元。可见,汽车仪表盘废弃PVC搪塑表皮的原厂内高效化回收与再利用具有很高的经济价值,可带来良好的经济与社会效益。
3.2 废弃PVC材料回收再利用的发展前景与展望
汽车仪表盘废弃PVC搪塑表皮的原厂内高效化回收与再利用技术,可能成为PVC材料高效再利用在汽车领域的一种指向型技术,它在提升了PVC材料物理回收的经济效益的同时,实现了废弃材料的高效合理利用,具有很高的环保意义。由数据显示,若每辆份汽车减少43%的PVC搪塑粉末用量,在我国每年可以减少645万kg的PVC搪塑粉末用量,相当于节约11,610t标准煤,预计可减少30,186t碳排放。同时该技术的应用与推广可降低传统的PVC废料填埋及焚烧处理可能带来的污染风险,减少搪塑领域的环境污染问题。该应用在汽车内饰技术革新领域将具有很大的发展空间,同时也为PVC废料处理中的高效再利用提供了一个可行的技术发展方向。

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