汽車座椅泡沫聚氨酯發泡成型缺陷的試驗研究

李紅香

(煙臺汽車內飾總公司，山東 煙臺 264600）

0 前言

汽車泡沫座椅中近年來應用的聚氨酯發泡技術主要通過其聚氨酯的軟泡形式，而所選用的發泡劑也分為兩種，即：通過異氰酸與水反應后形成的CO2氣體以及由烴類化合物發生反應后釋放的熱所形成的氣化發泡。相比之下，前者的應用更為廣泛，其原因在于成本較低且應用形式較為簡便。但事實上，由于許多因素的影響，使發泡制品仍存在一定的缺陷，既影響到汽車座椅的安全性能，也不利于實現聚氨酯泡沫的環保效果。因此，通過試驗分析缺陷存在的原因以及產品技術的未來發展方向具有十分重要的意義。

1 汽車座椅泡沫聚氨酯發泡成型缺陷試驗

1.1 試驗方案設計

試驗過程中首先進行材料的選擇，其主要為異氰酸酯與聚醚組合物兩種，而在設備方面可選擇36工位生產線以及高壓澆注機。在試驗時首先對試驗材料即異氰酸酯以相應的配比與適量的聚醚組合物預混合，然后利用高壓澆注機使混合物向模具中注入，在合模狀態下使混合物發生反應。但需注意模具的工作壓力、模具的溫度以及酸醚壓力差等應控制在一定范圍內。當混合物反應一段時間后再完成起模工作。試驗的基本過程主要為清模、脫模劑的噴灑、澆注過程、混合物的反應過程以及起模。當碾壓制品并在完成冷卻后，將其應用于汽車座椅中進行試驗。此時對產品原有配方以及試驗優化后配方所得出的結果做出對比[1]。

1.2 對試驗結果的分析

通過觀察冷卻后的制品，發現存在的成型缺陷主要表現為兩種，即塌泡、澆注量的不合理兩方面。因此需對該缺陷產生的原因以及具體改善措施進行分析。

（1）從塌泡角度。試驗中可發現，缺陷重點塌泡情況很大程度上是由于材料不合理的配比造成的。尤其在生產過程中，若材料在配方方面出現問題，將產生如汽車座椅中泡沫體軟硬度不夠均勻、氣泡張力過小、氣泡內部氣體壓力較大等現象。同時，生產中各組分的配比失調也可能受到不合理的注入壓力影響，使材料生產中的流速無法滿足基本要求。另外，根據以往學者研究發現，塌泡產生的原因也因發泡與凝膠催化劑比值過小所影響，在孔壁未形成時受過快的發泡速度影響，氣體將向外排放，使壓力逐漸增大。而研究過程中也發現，泡沫自身的尺寸變化會受到不同發泡劑的影響。同樣溫度條件下，相比空氣擴散系數，CO2擴散系數高出許多，說明泡孔內的氣體向外擴散的速率較高，泡沫的尺寸會隨氣體的減少而呈收縮狀態。除此之外，泡沫體原料中的異氰酸、硅油與水若保持較高的指數，將很難控制軟硬度，這就要求異氰酸、硅油的指數需控制在一定范圍內。而且由于水量在發泡中的逐漸增加也會形成許多含脲鍵物質，影響泡沫體材料的粘結性。因此，生產過程中對水量也要進行控制。

（2）澆注量不足。發泡成型缺陷的原因很大程度上也來源于澆注量不足，生產過程中往往出現澆筑時間短且澆注量過少等情況。若單純依靠澆注路線的調整也會產生一定的問題，通常表示異氰酸用量參數時需引用各部分異氰酸的相關指數，這些指數決定各個部位軟硬度差異。在試驗中可發現，軟硬度在不同的部位具有不同的要求，在進行澆注路線調整過程中需根據實際要求進行異氰酸酯數的設置[2]。

1.3 缺陷防止措施分析

試驗中對原料中水含量、硅油含量以及異氰酸指數的降低，充分說明制品性能將得到提高。其中產品密度在通過改變水含量的條件下能夠進行靈活控制，產品整體質量不會受到影響，且產品成本也有所降低。而在優化原料配方的前提下，也可使產品力學性能得以提高，特別在其回彈效果、抗張能力以及延伸率方面極為明顯。因此防止泡沫成型缺陷首先應做好優化原料配方的工作。同時，缺陷問題的解決也可通過對噴嘴壓力的調整來實現。具體可使不同位置中的壓力與流速進行優化控制，保證其能夠與原料配方相適應，如對流速較高部位增大壓力，或對壓力差較大處進行壓力的調整以促使氣體流速的穩定。而為解決澆注量不足問題，在利用這種控制壓力方式的同時也可進行澆注路線的調整，如確保澆注時間充足等措施[3]。

2 汽車座椅聚氨酯泡沫應用的改進措施

汽車座椅聚氨酯泡沫應用中由于原料配比的不合理，在使汽車座椅出現缺陷的同時也不利于其環保性能與安全性能的提高，所以在未來應用過程中應注意產品技術的研發。具體可針對散發性物質與安全阻燃性能兩方面進行完善。

2.1 對散發性物質的改進措施

（1）從異氰酸酯角度。汽車座椅中的聚氨酯泡沫原料中異氰酸酯往往占有一定的比例，而且其自身具有高蒸汽壓、低沸點等特征，若配比不合理很容易使其中存在的氣體游離于空氣中，在對空氣造成污染的同時也危害人體健康。對此從產品技術研發角度，可利用二苯基甲烷二異氰酸酯取代甲苯二異氰酸酯，能夠使聚氨酯泡沫在汽車座椅中的揮發程度有所降低，這種材料的優勢主要體現在蒸汽壓較低，且具有較大質量的分子。例如，當溫度為25 ℃時，蒸汽壓值在甲苯二異氰酸酯中是3.3 Pa，而該材料中僅為0.012 Pa，充分說明該材料的實用性較強[4]。

（2）從多元醇角度。聚氨酯泡沫原料中所包含的多元醇在一定條件下會產生一定氣味，并伴有許多包含醛類、醇類、羧酸等VOC物質。對此從產品技術研發角度，多元醇實際投入使用過程中可對其合成方式進行改進，并引入一定的處理手段，將多元醇中殘留的游離單體如丙烯腈等減少至最低量，這樣在制品形成后，不會產生過多的VOC物質。

（3）從催化劑角度。聚氨酯泡沫在汽車座椅中應用時所選用的催化劑主要為叔胺類催化劑，其能夠對發泡與凝膠起到一定的催化作用。叔胺類催化劑使用中不會參與實際的發泡反應中，但在泡沫制品形成階段除小部分進行揮發，大多都會存于泡沫體系中，而且會通過泡沫空隙逐漸散發出來，由此產生一定的氣味或VOC物質。所以對此情況，應在產品研發過程中注意胺催化劑的引入，對其要求分子質量較高且揮發性較低，保證滿足催化要求的條件下，會在聚氨酯泡沫中與異氰酸酯進行反應并與制品相融合，這樣氣味散發與VOC物質的生成從根本上得以解決。另外，產品研發過程中也可引入其他具有催化作用的替代物如多羥基化合物。目前應用這種催化活性多元醇的典型為DOW公司所開發的Voranol Voractiv，在降低產品散發性方面能夠取得良好的效果[5]。

（4）從表面活性劑角度。汽車座椅聚氨酯泡沫中所用的表面活性劑往往會選擇硅酮類，其含有一定的硅氧烷成分。尤其受現階段有限的生產技術限制，泡沫成品中大多存在硅氧烷分子，盡管這種表面活性劑能夠穩定泡沫，但由于其殘留于泡沫內部，使硅氧烷性質VOC也由此形成，散發性也由此增加。因此針對這種情況主要通過技術的改進，在生產后采用一定的處理手段，或通過研發散發性較低的表面活性劑，減少硅氧烷分子的數量，進而控制VOC物質的過多形成。

（5）從其他引用的助劑角度。聚氨酯泡沫實際生產中除需要必備的表面活性劑、催化劑等之外，還應引入其他許多助劑，如軟化劑、發泡劑、阻燃劑以及抗氧化劑等。由于各自物理、化學性質可能存在一定差異，在反應過程中很可能出現少部分的低分子質量物質或游離單體，應用于汽車座椅時很容易因過多的揮發逐漸生成散發性物質。特別在溫度較高的條件下，揮發速度將逐漸加快。對此現狀，未來產品應向新型溶劑以及具有環保性能的助劑等方向研發[6]。

2.2 阻燃性能的改進措施

聚氨酯泡沫在汽車座椅中應用時所選用的主要為回彈性較高的軟泡，盡管其相比其他軟質泡沫，在阻燃性方面具有一定優勢。但實際應用過程中也存在一定的缺陷，如發煙量較大、燃點較低及燃燒后生成的物質具有較強的毒性等。而且隨著使用者對汽車座椅要求的提高以及國家安全法規的明確規定，要求在阻燃性能方面進一步完善。而具體改進的措施體現在首先對濕熱老化或熱老化的材料維持其阻燃性，且燃燒性能滿足GB8410—2006《汽車內飾材料的燃燒特性》。該措施在國內許多汽車廠家座椅設計中已提出明確要求。其次，未來改進過程中對阻燃性能提出更高的要求，如相關規定中對火車動車的座椅在利用聚氨酯泡沫過程中應使煙密度以及氧指數滿足一定的標準[7]。

2.3 汽車行車安全改進措施

汽車行車安全很大程度上受聚氨酯泡沫影響，其中所散發的有機化合物在影響空氣質量的同時也很容易使汽車玻璃出現霧狀物體，使行車駕駛員視線受到影響，進而不利于安全駕駛。因此在未來應用聚氨酯泡沫過程中，應對其霧化與冷凝的特性進行改變，促進汽車行車的安全[8]。

3 結論

聚氨酯泡沫在未來應用于汽車座椅中發揮自身優勢的同時，還應彌補發泡成型的缺陷，并注重安全性能與環保性能的提高。具體產品技術研發過程中，除注意原料的合理配比外，還應對從異氰酸酯、多元醇、表面活性劑以及其他助劑等方面對散發性物質進行改進，并要求聚氨酯泡沫阻燃性能逐漸提高，這樣才可充分發揮聚氨酯泡沫在汽車座椅中的應用效果。

[1]張華，管東波，林琳，馬驊，周磊鑫. 汽車座椅泡沫聚氨酯發泡成型的缺陷試驗分析[J]. 工程與試驗，2010，02：40～42+60.

[2]肖瑤. 聚氨酯泡沫塑料用新型液體脫模劑的研制[D]. 華南理工大學，2012.

[3]劉軍. 汽車座椅海綿發泡工藝分析及參數優化[D]. 江西農業大學，2013.

[4]林琳. 全水聚氨酯泡沫塑料成型工藝影響因素研究[D]. 吉林大學，2010.

[5]張志敏. 珍珠巖填充硬質聚氨酯泡沫材料的制備及其阻燃性的研究[D]. 中南民族大學，2012.

[6]謝祖峰. 汽車座椅揮發性有機物（VOC）對車內空氣質量影響的試驗研究[D]. 華南理工大學，2012.

[7]姚為民. 汽車座椅結構安全性與空氣懸掛式座椅減振性能研究[D]. 吉林大學，2010.

[8]徐世海. 汽車座椅用聚氨酯泡沫環保和安全性能的評價及改進 [J]. 聚氨酯工業，2012，06：1～4.