经济型发泡技术的开发及在汽车内饰件的应用

樊琪　孙建军

摘 要：经济型发泡又被称为薄壁发泡，是一种对材料性能、设备精度、模具设计、产品设计、工艺控制等具有较高要求的复杂技术。该技术使内饰件具备舒适软触感及碰撞吸能特性的同时，还可以明显降低内饰件的重量，满足节能要求，这一技术符合汽车轻量化趋势。

关键词：经济型发泡 内饰件 轻量化

1 引言

随着汽车工业的发展，汽车逐年普及给人们生活带来了便利，同时也对能源消耗及环境污染产生巨大影响。为保持汽车产业可持续发展，节能减排势在必行。研究表明汽车轻量化可以显著降低油耗，汽车整体质量每减少100Kg，百公里油耗可降低0.3～0.6L[1]。

与注塑材质内饰相比，发泡内饰具有弹性舒适的手感，同时可以在车辆发生碰撞时发挥缓冲吸能效果，保护车内乘员。发泡技术被广泛地应用于内饰件，常见的有仪表板、方向盘、副仪表板、顶棚、遮阳板、门内饰板、门扶手等。近年来，为了满足轻量化要求，内饰产品也从材料和工艺上不断研究并取得一定进展，其中经济型发泡技术通过产品设计和工艺提升，保留弹性舒适功能的同时，降低发泡层厚度，从而实现轻量化目的。

2 内饰件发泡技术概述

汽车内饰件大多采用聚氨酯发泡技术，主要过程是通过高压发泡机将异氰酸酯、聚醚多元醇双组分进行充分混合后浇注进模具，之后在带有温度控制的模具内进行一系列链增长、气体发生、交联化学反应，最终形成多孔性高分子结构的泡沫塑料。聚氨酯泡沫塑料形成过程中，主要发生下列4种反应[2]：

（1）异氰酸酯和羟基反应——多异氰酸酯和多元醇（聚醚、聚酯或其它多元醇）反应生成聚氨酯：

（2）异氰酸酯和水反应——带有异氰酸酯基团的化合物和水反应，先形成不稳定的氨基甲酸，然后分解成胺和二氧化碳：

胺基进一步和异氰酸酯基团反应生成含有脲基的聚合物：

（3）脲基甲酸酯反应——氨基甲酸酯基团中氮原子上的氢与异氰酸酯反应，形成脲基甲酸酯：

（4）缩二脲反应——脲基中氮原子上的氢与异氰酸酯反应形成缩二脲：

上述四个反应中：（1）、（2）属于链增长反应，后者还生成二氧化碳，因而既可看成链增长反应，又可视作气体发生反应，我们通常称之为放气反应。通常在无催化剂存在下，这两个反应是很快的。（3）、（4）二个反应为交联反应，随着此反应的不断进行，原料的粘度会逐渐增加，因此我们通常称之为凝胶反应。在聚氨酯泡沫制造过程中，这些反应都是以较快的速度同时进行着，在催化剂存在下，有的反应在很短的时间内即能大部分完成，最后形成高分子量和具有一定交联度的聚氨酯泡沫体。

软质内饰件一般包括三层，最上层为表皮（PVC、TPO、真皮等），中间层为聚氨酯泡沫，最下层为骨架基板（PP/玻璃纤维、SMA、PC/ABS等），发泡工艺就是将这三层材质复合成型的过程。

3 经济型发泡技术

传统的内饰件泡沫厚度一般为8～15mm，局部甚至会超过20mm，泡沫密度为180～220Kg/m3。经济型发泡又称为薄壁发泡，是一种对产品设计、材料流动性、设备/模具精度、工艺控制等有较高要求的复杂技术，通过经济型发泡技术可以把泡沫厚度做到4～6mm（如图1），泡沫密度160～180Kg/m3左右，整体重量下降30%以上。下面我们以发泡仪表板为例，从产品、材料、工艺、设备、模具等方面进行初步探讨，并在实际产品中开发应用。

3.1 产品设计

仪表板处于驾驶舱前端，既是驾驶员和乘客直接目视区域，又是承载装饰面板、出风口、手套箱、空调控制开关、组合仪表和导航娱乐系统等功能部件的载体，属于兼顾设计和功能的外观零部件[3]。仪表板造型复杂，三维方向长度将近1.6米，宽度和高度约0.8米，按照结构可分为一体式发泡和分体式发泡。如果采用分体式发泡，单个零件结构相对简单，但需要增加一道焊接或者螺钉装配工序;如果采用一体式发泡，工序可以简化，对设计的要求则更高。产品设计决定工艺难易和稳定性，首要的就是产品厚度一致性，前面提到聚氨酯发泡是放气交联反应，原材料进入模腔内，依靠反应产生的内压逐步填满整个产品，如果厚度突变，压力也会随之变化，产生的压差容易引起产品缺陷。其次，产品各处R角不宜过小（建议不小于3mm），否则会造成填充不良缺陷，产品手触偏软，老化后表面甚至会产生鼓包。另外，需要校核产品是否存在尖角倒扣，一般来说产品锐角不能小于70度，倒扣则会影响产品脱模，应尽量避免，无法规避的倒扣需要在模具设计上进行分块处理（成本会上升），见图2、图3。

3.2 材料流动性

聚氨酯发泡既是放气反应，又是交联反应，原材料从液态变成粘流态，最终变成固态，粘度逐渐上升，流动性逐渐下降，而原材料靠着放气反应产生的内压会从起始点向产品边缘扩散，最终填满整个产品。流动过程中，原材料需要克服与上层表皮以及下层骨架基板之间的摩擦力（和内压力是反向），泡沫的厚度可以视为材料的流道，流道越窄原材料内压力和摩擦力产生的剪切力越大，反之流道越宽剪切力越小。经济型发泡壁厚较传统发泡小许多，这对材料的流动性能提出的更高要求，为了提升流动性会增加原材料发泡剂含量，从而使内压更高，但这样做带来另外一个问题就是易造成产品夹气、气泡、泡孔粗大等缺陷。因此，原材料需要找到一个平衡配方比例，兼顾流动性和缺陷发生率，巴斯夫的Elastoflex E 3595系列在这方面表现比较优异，可以作为经济型发泡原材料之一。

3.3 工艺

聚氨酯发泡反应是一个化学反应，温度、压力、料比均会对过程和结果产生影响，如果要得到一个比较理想的结果，对过程进行控制是至关重要的。

反应温度是反应最重要的影響因子，主要有几个方面需要控制，一是模具温度，二是物料温度（包括表皮和骨架基板），三是发泡原料温度，四是环境温度。模具温度控制在38～42℃，表皮温度要求不是特别严格，发泡前进行预热可以使表皮变得更加柔软，从而与模具更加贴合。发泡原料温度一般采用22～28℃，经济型发泡多采用高料温反应。需要注意的是不仅要关注原料储料罐温度，也要注意混合头的浇注温度，因为高压混合过程会让发泡原料温度升高。发泡反应按照浇注时模具开合与否分为开模发泡和闭模发泡，如果是开模发泡对环境温度有较高的要求，因为浇注过程中原料是完全开放在环境中的，所以我们可以看到发泡一般是放在恒温包房内的。

发泡浇注过程实际上是通过混合头把高压雾化的聚醚多元醇、异氰酸酯通过口径非常小的喷嘴喷出，浇注压力是这一过程的关键因子。压力太小，原料无法形成雾化状态，影响混合效果;压力太大，会造成设备高压报警，通常原料浇注压力设置在140～170bar为宜，不要超过180bar。同时，需要关注两个原料的压力差，因为聚醚多元醇和异氰酸酯粘度不一致，聚醚多元醇的浇注压力略高，但是压力差不能超过20bar，否则会造成窜料，引起设备故障。

料比，即反应过程聚醚多元醇原料与异氰酸酯原料的比例，最理想的料比是两者完全反应，全部转化为聚氨酯的状态。料比过高，聚氨酯泡沫会偏硬;料比过低，聚氨酯泡沫则会偏软。经济型发泡对料比的稳定性要求较高，作为关键过程特性进行控制，CPK不得低于1.33。另外，每周会对屏显值进行校验，以确保屏显值与实际值保持一致。

除了上述温度、压力、料比等工艺参数，浇注重量、浇注轨迹等也是需要控制的因子，由于篇幅原因，不再详细讨论。

3.4 设备

发泡设备主要包括发泡机和模架，发泡机主要作用是确保原料混合和浇注效果，发泡模架负责熟化过程及产品脱模。发泡机由料罐、计量泵、液压系统、混合头等部件组成（见图6）。料罐体积通常在200～500L 左右，采用能够承受0.4～0.6MPa的压力容器，罐内使用干燥的空气或氮气加压。每一个料罐都有一套独立的温度控制系统，保证原料恒温进入计量和混合部件。计量泵是发泡机控制精度要求高的核心部件，其主要原理是通过变频电机精确控制转速，实现输出不同流量的功能。液压系统提供动力，包括起高压、驱动机械阀开合等。混合头决定发泡原料的混合效果，仪表板发泡常用的混合头有德国Hennecke公司及Krauss-Maffei公司生产的混合头。

发泡模架主要有液压模架和电动模架两种，液压模架开合速度较慢，不具备整体翻转功能;电动模架开合速度较快，比较适合经济型发泡的快发体系，而且可以实现整体翻转，使产品工艺具备更多的选择性。由于电动模架的上述优点，近年来在仪表板发泡领域得到了广泛应用（见图7、图8）。

3.5 模具设计

仪表板发泡模具系统多为铝模，大致包括真空系统、密封系统、模温控制系统等。由于经济型发泡壁厚较薄，产品精度要求高，对发泡模具精度要求也较高，包括控制产品尺寸的X向、Y向位置精度，以及控制产品厚度的Z向位置精度。X向、Y向精度主要靠模具四周的插板进行控制，误差不超过0.5mm，Z向精度依靠上下模具的等高块进行控制，误差不超过0.3mm。

4 结语

通过以上几个方面的介绍，可以看出经济型发泡除了对产品设计和模具设计有较高要求外，还需要材料、工艺、设备组成相辅相成的系统。由于该技术对轻量化及车辆节能减排的贡献，得到了不少大型企业的青睐，并已经在大众斯柯达某车型、丰田某车型、江淮汽车某车型实现量产。未来，随着技术的不断进步，经济型发泡内饰的壁厚和密度有望进一步下降，并应用于更多的内饰件产品上，为汽车轻量化做出新的贡献。

参考文献：

[1]范軍锋，陈铭，中国汽车轻量化之路初探[J]，铸造，2006，55（10）：995-998.

[2]朱吕民，刘益军，聚氨酯泡沫塑料[M]，北京：化学工业出版社，2004.

[3]杜振东，汽车仪表板的制造技术与设计分析[J]，工程设计，2018（5）：193-194.