商用車方向盤材料與工藝的發展趨勢

孫銳 袁學虎 周天平 楊丹 陶俊

（1.湖北雙鷗汽車飾件有限公司；2.東風商用車技術中心工藝研究所）

方向盤作為汽車內飾件中重要的功能件和裝飾件，其質量和造型風格，影響著駕乘人員的被動安全、情緒與感受。因此各零部件制造商正不斷采用新材料、工藝及工裝來提高方向盤的功能性和裝飾性。國內最初的方向盤骨架采用鋼結構普通焊接成型，骨架外包覆塑料層采用酚醛樹脂模壓而成；現在市場上隨處可見鎂合金骨架外包覆具有生物相容性軟質自結皮的方向盤。文章對方向盤包覆層和骨架的材料與工藝的發展進行了介紹，指出其今后的發展趨勢。

1 方向盤塑料包覆層的發展歷程

1.1 注射成型硬質方向盤

注射成型硬質方向盤可分為酚醛樹脂模壓成型和聚丙烯（PP）注射成型。

1）酚醛樹脂模壓成型。第1 代硬質方向盤骨架材料采用冷拔鋼焊接，骨架包覆塑料采用酚醛樹脂，成型工藝采用模壓成型。該工藝的熱固性塑料包覆層方向盤缺陷為：產品外觀無紋理裝飾，在冷熱交變或低溫環境下受力會開裂，產品成型效率低下，邊角料不可回收。

2）未增韌PP 材料注射成型。骨架材料沒有變化，包覆材料采用PP 或混摻部分聚乙烯（PE），成型工藝采用注射成型，成型工裝使用普通塑料注射機。PP 成型方向盤的缺陷為：由于PP/PE 未加增韌改性，在冷熱交變或低溫環境下受力仍會開裂。

3）橡膠增韌改性PP 注射成型。包覆層材料采用橡膠類彈性體（SBS，EPDM）等增韌PP，此材料和工藝目前仍應用于生產硬質方向盤，方向盤外網局部采用ABS 材料注射后進行水轉印表面處理，以增加產品外觀美感。橡膠增韌改性PP 的質量指標，如表1 所示。改性PP 成型的硬質方向盤的優點為：塑料對骨架包覆緊密；產品耐磨，花紋不易磨損；材料可回收使用，成型效率高。

表1 橡膠增韌改性PP 理化性能

硬質方向盤針對包覆層塑料理化性能要求，如表2所示。硬質方向盤的不足之處為：手感僵硬；外觀缺陷不能通過產品表面的裝飾花紋掩蓋，易造成產品報廢。

表2 硬質方向盤塑料包覆層性能指標

1.2 發泡軟質自結皮方向盤

1.2.1 使用氟利昂（F11）作為發泡劑

20 世紀90年代初，國內聚氨酯工業得到較快發展，國外先進的聚氨酯成型機械大量進入，使自結皮方向盤能夠迅速取代硬質方向盤成為主流。

氟利昂（F11）成為首選的物理發泡劑的優勢為：沸點在23.8 ℃，常溫下為液體，粘度比水低，在與聚醚多元醇混溶時易操作；殘留在泡沫孔內的F11 對聚氨酯材料溶解甚微，不影響泡沫體結構及性能；不耗費異氰酸酯；不燃、無毒；成本低廉；聚氨酯結皮層厚度大，外觀無氣泡及針孔。

聚氨酯材料組成的基本配方為：高活性聚醚多元醇、泡沫穩定劑、氨類催化劑、交聯劑及F11 等配制成組合料作為一組分，改性多異氰酸酯（改性MDI）作為另一組分，二者通過高壓碰撞反應形成聚氨酯泡沫。

軟質方向盤的成型工裝，如圖1 和圖2 所示。采用2組分高壓發泡機（最好設備自帶色漿機，可以制作不同色彩的產品），發泡模具采用鋼制或樹脂發泡模具，模具必須在料流末端開有數個1～2 mm 的排氣孔。采用聚氨酯自結皮泡沫成型工藝，原材料溫度：23～25 ℃；聚醚多元醇與改性MDI 的混合比例：100∶40～45；高壓澆注壓力：12～16 MPa；發泡模具溫度：45～55 ℃。

自結皮泡沫采用物理發泡劑的化學反應體系較為簡單，一般發生2 種交聯反應[1]：

自結皮聚氨酯泡沫的外皮與芯層在一次成型過程中同時制得，也就是表皮與芯層都由相同的材料制成。由多元醇組分與改性MDI 組分組成的反應混合物，因為反應放熱使加入的F11 發泡劑汽化形成泡孔。泡孔中充滿F11 蒸氣，若碰上低溫的模具壁，因熱量被排出，而使F11 蒸氣溶于聚氨酯中，泡孔發生破裂，高溫的芯層物料便被壓成致密層表皮，從而形成結實的自結皮。

通過采用氟利昂發泡形成的自結皮聚氨酯泡沫的基本物理性能，如表3 所示。

表3 軟質自結皮泡沫物理力學性能

1.2.2 使用氟利昂（F141b）作為發泡劑

為了避免氟氯碳化物對地球臭氧層繼續造成惡化及損害，國內各聚氨酯材料供應商采用過渡性發泡劑F141b 來替代F11。F141b 與F11 沸點相近，對泡沫的物理性能無影響。各方向盤制造商對高壓發泡機進行適當改造，通過增加一套F141b 自動計量并與多元醇混合的輔助裝置，便可滿足正常工藝條件。2 種物理發泡劑的物理性能對比，如表4 所示[2]。

表4 F11 與F141b 的物理性能對比

采用F141b 的組合料質量標準，如表5 所示。

表5 采用F141b 發泡的組合料質量標準

采用F141b 發泡制造方向盤的缺點為：對臭氧層仍有破壞（分子中仍含有氯元素），有可燃的危險；添加量大，每100 kg 聚醚多元醇約添加13～15 kg 的F141b；泡沫體積質量較大，聚氨酯材料耗用多。

1.2.3 全水無氟利昂發泡

F141b 在聚氨酯軟泡中是理想的過渡物理發泡劑，但ODP 和GWP 不為0，對此，國內汽車零部件行業于2004年前從使用F141b 直接改為使用全水發泡，杜絕使用ODP 不為0 的發泡劑。

無氟全水聚醚多元醇組合料基本配方為：聚醚多元醇所含單官能團一元醇在0.06 mg/g 以下，水、胺類催化劑、泡沫穩定劑及交聯劑等混合配制成一組分；改性MDI 作為另一組分，二者在高壓碰撞下反應形成聚氨酯泡沫。

發泡劑的改變不影響過去使用的工裝和骨架。骨架材料除了鋼制焊接成型外，逐漸出現鋁合金壓鑄骨架及鎂合金骨架。方向盤成型時采用水性脫模劑及水性模內漆，用于減少聚氨酯泡沫氣味和VOC。

全水自結皮組合料材料技術指標，如表6 所示。

表6 無氟全水發泡自結皮聚氨酯原料技術指標

使用樣塊模具，按方向盤加工的工藝條件及泡沫體積質量進行模塑樣塊，對樣塊進行理化性能測試。全水發泡形成的泡沫力學性能，如表7 和表8 所示。

表7 全水發泡形成的泡沫芯層力學性能

表8 全水發泡形成的泡沫結皮層力學性能

在使用水作為發泡劑時，方向盤聚氨酯包覆層為保證符合外觀和顏色的標準，在模腔內預先噴涂了1 層水基模內漆，漆膜厚度在25 μm 以上，漆膜必須與泡沫層粘接牢固、耐光、耐磨、耐溶劑、無氣味及霧翳，預先噴涂的模內漆理化性能，如表9 所示。

表9 全水發泡方向盤模內漆理化性能要求

2 方向盤塑料包覆層的發展趨勢

1）發泡工藝。現在國內各方向盤制造商普遍采用全水發泡工藝，但個別制造商還在使用F141b 作為發泡劑。雖然物理發泡劑組合料比全水發泡材料工藝寬容度大，產品報廢率小，泡沫結皮層厚，但不符合環保要求，而且物理發泡劑組合料生產的泡沫層體積質量偏高20%以上，與降低成本及汽車輕量化的趨勢相違背。

2）聚氨酯材料。為更好地降低體積質量，只有提高基層聚醚多元醇的活性。目前市場采用的高活性聚醚多元醇的伯羥基體積分數在65%左右，將其改進到一元醇含量在0.05 mg/g 以下，伯羥基體積分數在70%以上，可以增加發泡劑用量，從而降低泡沫體積質量，提高發泡體的脫模時間。

3）脫模劑。由采用水性無味脫模劑到采用在模腔內部噴涂永久性PTFE 涂層，替代每次人工噴涂脫模劑，永久性涂層的壽命約在2×104模，可提高作業效率和減少材料消耗。

4）模內漆。在使用高活性聚醚多元醇材料后，如果方向盤泡沫體表面沒有影響外觀的氣孔等缺陷，就可以取消模內漆。

5）催化劑。采用反應性大分子胺類和反應性泡沫穩定劑，使助劑與聚氨酯發生化學反應，將助劑固化在泡沫體內，降低泡沫體散發的氣味、霧翳及VOC。

3 方向盤骨架的發展

方向盤骨架最開始采用鋼質材料沖壓焊接而成，隨著輕合金壓鑄技術的普遍推廣，鋁合金壓鑄骨架在方向盤骨架中得到廣泛應用。我國是鎂資源大國，鎂合金壓鑄骨架被大量應用，常用骨架壓鑄的鎂合金如AM50A，AM60B 等，其體積質量為1.8×103kg/m3，而壓鑄鋁合金的體積質量為2.8×103kg/m3，鎂合金骨架以其力學性能卓越、壓鑄工藝簡單易控、效率高、原料價格較低及產品尺寸穩定，目前占據了一半的國內市場。

盡管鎂合金材質的骨架在現在和將來一直會占據重要市場，但是金屬加工的高溫（鎂合金壓鑄溫度650～700 ℃，相對塑料加工）造成高能耗，鎂合金壓鑄的邊角余料不能簡單在線回收使用，為保證產品的質量，必須對回收料進行除脫模劑及除氧化皮的潔凈處理后才可回收使用。為此出現了增強工程塑料注射成型的骨架，它采用玻纖和碳纖維增強的工程塑料進行注射成型，從而使整個方向盤成為全塑零部件。然而塑料骨架需要解決骨架的剛度、強度、輪轂與轉向機軸耐磨的匹配性及受力蠕變性等才能真正走向市場。

4 結論

從國產商用車方向盤塑料包覆層材料工藝的發展可以看出，未來的塑料包覆層正在向著無氣味、無霧翳及低VOC 的方向發展，以滿足駕乘人員對自身安全、環保與舒適性的要求。

1）塑料包覆層向著體積質量更低、結皮層更厚、配方更優化、不使用脫模劑和模內漆、泡沫體中無殘留無遷移的低分子物、生產效率更高及成本更低的方向發展；

2）包覆層長期與駕乘人員手部皮膚接觸，必須滿足生物相容性，避免引起皮膚遭受刺激而過敏，泡沫體一定要滿足GB/T 16886.10 及GB/T 16886.11 要求；

3）方向盤骨架向著輕量化、高性能及易回收的方向發展，并在高應力下能緩沖變形，為駕駛人員提供有效的瞬時保護。