汽車座椅中有害物質(zhì)使用情況及替代技術(shù)分析

邱婧

摘 要：汽車與我們每天的生活息息相關(guān)，因此它的安全性極為重要。本文以車內(nèi)與人體最直接接觸的座椅為研究對(duì)象，分析了座椅的使用材料及其中有害物質(zhì)的分布和可替代技術(shù)。

關(guān)鍵詞：座椅;有害物質(zhì);替代技術(shù)

1 前言

汽車座椅，座位汽車中最基本的裝置，是汽車當(dāng)中的重要安全部件。同時(shí)，現(xiàn)代人的生活越來越離不開汽車。按照平均一年2萬(wàn)公里行駛里程，時(shí)速60公里/小時(shí)來算，駕駛員一年在汽車上的時(shí)間超過300個(gè)小時(shí)。因此，汽車座椅的安全性，環(huán)保性和舒適性顯得尤為重要。本文主要針對(duì)目前汽車座椅中有害物質(zhì)的使用、豁免及替代進(jìn)行分析介紹。

2 國(guó)內(nèi)有害物質(zhì)管控及豁免分析

2015年6月，工業(yè)和信息化部正式發(fā)布《汽車有害物質(zhì)和可回收利用率管理要求》，明確規(guī)定自2016年1月1日起，對(duì)總座位數(shù)不超過九座的載客車輛（M1類）有害物質(zhì)使用和可回收利用率實(shí)施管理，同時(shí)，有害物質(zhì)管理標(biāo)準(zhǔn)參考GB/T 30512-2014執(zhí)行。汽車生產(chǎn)企業(yè)作為污染控制的責(zé)任主體，開始對(duì)有害物質(zhì)和兩率管控做出積極應(yīng)對(duì)。

根據(jù)國(guó)標(biāo)GB/T 30512-2014標(biāo)準(zhǔn)要求，對(duì)汽車中六種有害物質(zhì)鉛或其化合物，汞或其化合物，鎘或其化合物，六價(jià)鉻，多溴聯(lián)苯和多溴二苯醚進(jìn)行了管控和限制。其中，除豁免情況外，鎘在均質(zhì)材料中的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)不能超過0.01%，其他五種有害物質(zhì)在均質(zhì)材料中的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)不能超過0.1%。

目前，M1類乘用車涉及到的仍在豁免的有害物質(zhì)僅為鉛和多溴二苯醚。具體豁免情況如下表所示。

3 汽車座椅結(jié)構(gòu)及有害物質(zhì)主要分布情況

以駕駛員座椅為例，主要由頭枕、座椅骨架、靠背、坐墊、座套、安全帶總成、滑軌、位置調(diào)節(jié)器等零部件構(gòu)成，如下圖所示。

組成座椅總成的材料主要可以分為4大類，分別是金屬，塑料，織物或皮革以焊料。其對(duì)應(yīng)的主要零部件及易超標(biāo)點(diǎn)列于下表：

根據(jù)企業(yè)申報(bào)數(shù)據(jù)來看，目前座椅骨架、駕駛員側(cè)安全帶總成、線束及焊料中仍存在有害物質(zhì)鉛，這些鉛來源于鋼材，鋁材，銅合金已經(jīng)含鉛焊料等材料。座套中，多溴聯(lián)苯醚作為溴系阻燃劑也時(shí)常出現(xiàn)。

4 替代技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

4.1 鋼材

GB/T 30512-2014中豁免的鋼材主要包括兩種，機(jī)械加工用鋼和鍍鋅鋼。機(jī)械加工用鋼中加入鉛主要是用于改善機(jī)加工性能、降低機(jī)加工成本以及獲得更好的表面光潔度和更精確的尺寸控制。座椅中靠背骨架、滑軌，安全帶中均存在。主要含鉛的鋼材類型有11SMnPb37、10SPb20、11SMnPb30、12L14、60SPb22、SUM24L、S300Pb、SUM22L、SUM20L、Y08Pb、Y15Pb、Y45MnSPb等。在鋅鍋中加入一定量的鉛，主要是為了增加鋅液的流動(dòng)性，保護(hù)坩堝等。針對(duì)機(jī)加工目的加入的鉛，各類實(shí)驗(yàn)嘗試使用錫、鉍、硫、碲、磷和鈣等元素代替鉛。使用替代元素的鋼材，在單一的加工性試驗(yàn)中可能顯示出某些可接受性能，但在整體性能上，均比含鉛鋼要差。對(duì)于連續(xù)鍍鋅鋼板，由于所需要加工的部件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，體積小或?qū)π阅芤蟾撸壳耙搽y以找到合適的滿足要求的替代產(chǎn)品。

4.2 鋁合金

目前鋁合金中含有鉛的主要原因有三：（1）提高機(jī)械加工性能;（2）提高防腐能力;（3）回收鋁引入。目前汽車上常用的鋁合金牌號(hào)ADC12、AlSi9Cu3（Fe）、AlSi12Cu1（Fe）、EN AC-AlSi12Cu1（Fe）和EN-AC AlSi9Cu4（Fe）等，其對(duì)鉛含量的限值要求一般為<0.2%和<0.35%，已經(jīng)超出法規(guī)要求的0.1%，但是在豁免范圍內(nèi)。而目前研究發(fā)現(xiàn)，可以通過在鋁合金中加入一些合金元素如Cu，Sn，Bi等元素提高鋁合金的切削性能，加入Mn，Si等提高其強(qiáng)度及細(xì)化晶粒[1]。但是實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，加入不同含量的合金元素以及在不同工作條件下的合金，其綜合性能會(huì)有差異[2]。目前，對(duì)環(huán)境沒有影響的無(wú)鉛鋁合金還沒有在國(guó)內(nèi)推廣，還需要就此做進(jìn)一步的深入研發(fā)。

4.3 銅合金

銅合金在汽車中分布很廣，在汽車座椅中，主要存在于安全帶插鎖及一些小型軸類等零部件，鉛含量普遍在1.5-4%左右。主要含鉛的銅合金類型為鉛黃銅，部分青銅、白銅中也會(huì)含有鉛。其中鉛黃銅中標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定含鉛最高可達(dá)3.5-4.5%（HPb57-4），高于目前GB/T30512對(duì)于銅合金的豁免限值要求，很容易會(huì)超標(biāo)。根據(jù)文獻(xiàn)記錄，研究人員對(duì)非常具有前景的無(wú)鉛銅合金（CuZn21Si3 or CuZn31Si1）與傳統(tǒng)鉛黃銅（CuZn39Pb2和CuZn39Pb3）進(jìn)行了對(duì)比測(cè)試，結(jié)果表明在導(dǎo)電性、易切削性、焊接性能、表面摩擦性能、成形性和密封性上，鉛黃銅均優(yōu)于硅黃銅。因此，無(wú)論在電氣部件還是在結(jié)構(gòu)件上，目前硅黃銅還無(wú)法替代鉛黃銅。銅合金中的鉛，目前還不能被完全替代。

4.4 焊料

目前的無(wú)鉛焊料技術(shù)有幾十種甚至上百種，但是很多都處于實(shí)驗(yàn)室水平，還有一些由于性能或成本的原因沒有得到廣泛應(yīng)用。所以這里我們總結(jié)了4種主流無(wú)鉛焊料。第一種是Sn-Ag-Cu類。這類焊料分為3個(gè)系列，分別是Sn-Ag-Cu、Sn-Ag和Sn-Cu。這三種焊料已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。其中Sn-Ag-Cu、Sn-Ag主要用于回流焊，比如貼片電容電阻。Sn-Cu主要用于波峰焊，比如帶有引腳的焊接。從純技術(shù)角度看，Sn-Ag-Cu（SAC）（熔點(diǎn)217℃）焊料比其他兩種熔點(diǎn)最接近傳統(tǒng)Sn63-Pb37（熔點(diǎn)183℃）焊料，被認(rèn)為是最佳選擇。據(jù)統(tǒng)計(jì)，歐洲回流焊和波峰焊工藝中，上述三種焊料使用占比均在90%以上，完全占據(jù)主導(dǎo)，是Sn-Pb焊料的真正替代品。但是由于Ag屬于貴金屬，且Sn-Ag-Cu類焊料整體平均熔點(diǎn)較傳統(tǒng)Sn-Pb焊料高，因此涉及到的設(shè)備改造成本也不容小覷。第二種是Sn-Zn焊料，這種焊料相比Sn-Ag-Cu類更有優(yōu)勢(shì)：其一，Zn元素比Ag便宜，資源儲(chǔ)量豐富;其二，Sn-Zn焊料熔點(diǎn)低（199℃），更接近于傳統(tǒng)Sn-Pb焊料;其三，Sn-Zn焊料在力學(xué)性能上表現(xiàn)也不錯(cuò)。但是由于Zn元素屬于活潑金屬，不穩(wěn)定，極易氧化，導(dǎo)致Sn-Zn焊料的抗氧化性、潤(rùn)濕性和耐腐蝕性能較差，這也是Sn-Pb系焊料沒有普及的其中一個(gè)原因。不過這點(diǎn)可以通過添加合金元素以及納米顆粒化等方式改善Sn-Zn焊料的不足。第三類是Sn-Bi系焊料，這是一類低溫焊料（熔點(diǎn)約138℃）。由于出色的低溫焊接適用性、成本低廉、良好的環(huán)保性能，成為目前主要的低溫?zé)o鉛焊料。典型焊料類型有：SnBi58、SnBi57Ag1、SnBi35Ag1、SnBi30Cu0.5等。Sn-Bi焊料成為主要Sn-Pb替代焊料的原因之一就是低的熔點(diǎn)，大約138度。明顯低于傳統(tǒng)Sn37Pb焊料（183℃），低熔點(diǎn)具有很大的工藝兼容性優(yōu)勢(shì)，除了一些對(duì)溫度有要求的部件以外，其他元件基本可以兼容，因此對(duì)原有的元件、設(shè)備和工藝不會(huì)產(chǎn)生較大變動(dòng)。此外，從力學(xué)性能來看，潤(rùn)濕性、熱膨脹改變、彈性等也都優(yōu)于傳統(tǒng)的SnPb系。第四類是Sn-Au系列。這是一類高溫焊料。但由于Au的價(jià)格高昂，目前主要應(yīng)用于一些高尖端產(chǎn)品，并沒有收集到用于汽車產(chǎn)品中的應(yīng)用實(shí)例，這里不做更多介紹。

4.5 六價(jià)鉻

涂鍍層當(dāng)中常會(huì)使用一些鉻酸鹽的粘結(jié)劑，由于此外，座套中可能存在的多溴二苯醚由于其致癌性，也被列入了禁用物質(zhì)清單，其中，僅有十溴聯(lián)苯醚作為阻燃劑依然豁免。目前在研究的和已經(jīng)有應(yīng)用的替代技術(shù)很多，本文選取作者認(rèn)為比較有發(fā)展前景的氫氧化鎂無(wú)機(jī)阻燃劑做簡(jiǎn)要介紹。

4.6 多溴聯(lián)苯/多溴二苯醚

氫氧化鎂阻燃劑的阻燃機(jī)理來源于其特殊的熱分解性能，氫氧化鎂受熱分解為氧化鎂和水蒸氣。這種阻燃劑非常環(huán)保，在整個(gè)生產(chǎn)、使用和廢棄過程均無(wú)污染，是較為理想的環(huán)保型阻燃劑;并且氫氧化鎂不會(huì)由于加入過量添加而導(dǎo)致材料性能的明顯下降。此外，從成本方面看，由于我國(guó)鎂資源豐富，儲(chǔ)量世界第一，長(zhǎng)遠(yuǎn)看具備成本優(yōu)勢(shì)。

5 總結(jié)

本文通過對(duì)汽車座椅中的用材及有害物質(zhì)分布情況的分析，同時(shí)基于GB/T30512-2014中對(duì)禁用物質(zhì)的限制要求及豁免范圍，對(duì)目前汽車座椅中可能存在的有害物質(zhì)進(jìn)行替代技術(shù)可行性分析及介紹。通過對(duì)比研究發(fā)現(xiàn)，目前鉛、六價(jià)鉻，多溴聯(lián)苯等有害物質(zhì)在汽車中仍不能實(shí)現(xiàn)完全替代，但是在無(wú)鉛焊料，三價(jià)鉻替代和環(huán)保阻燃劑等方面，已經(jīng)積累一定研究基礎(chǔ)，并且很多都已經(jīng)實(shí)現(xiàn)推廣應(yīng)用，對(duì)于未來汽車產(chǎn)品中實(shí)現(xiàn)全面有害物質(zhì)替代打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)：

[1]尹志民.無(wú)鉛易切削鋁合金[J].材料導(dǎo)報(bào).2006年12月第20卷第12期，P62-65.

[2]Farrar Jr，et al.US Pat，5810952.1998-09-22.