低成本輕量化高環(huán)保材料在汽車頂棚設(shè)計(jì)中的應(yīng)用研究

趙會(huì)芳　田磊　徐亞君

摘 要：隨著傳統(tǒng)汽油車的不斷發(fā)展和電動(dòng)汽車的不斷崛起，前沿科技材料在零部件的應(yīng)用上越來(lái)越突出，而且越來(lái)越成為車企車型的亮點(diǎn)和賣點(diǎn)。傳統(tǒng)的汽車內(nèi)飾頂棚零件，采用常規(guī)材料設(shè)計(jì)，汽車頂棚一般由面料層、基材層和背面無(wú)紡布復(fù)合而成，其中基材層有不可回收的PP玻纖、PU玻纖板；以及復(fù)合時(shí)使用的膠層，對(duì)頂棚產(chǎn)品及整車非金屬零部件氣味性等級(jí)、VOC揮發(fā)量都有著不利的影響，同時(shí)產(chǎn)品價(jià)格及重量也是有待優(yōu)化。在某些車型中，也有采用麻纖維板，但極易吸水受潮、發(fā)霉，已逐步淘汰。本文以頂棚產(chǎn)品的輕量化、更加環(huán)保的材料應(yīng)用進(jìn)行研究，以聚丙烯物理發(fā)泡淋涂材料板材作為頂棚基材替代傳統(tǒng)頂棚基材為研究的載體，以達(dá)到降本、減重、以及提升整車環(huán)保性能的增效目的。屬于汽車零部件產(chǎn)品前沿科技應(yīng)用領(lǐng)域。

關(guān)鍵詞：聚丙烯物理發(fā)泡淋涂材料 低氣味、低VOC 低成本方案 輕量化設(shè)計(jì) 環(huán)保材料 汽車軟內(nèi)飾零部件產(chǎn)品應(yīng)用

1 前言

汽車頂棚是位于汽車乘客艙內(nèi)部上方的汽車內(nèi)飾部分，用于保護(hù)車輛內(nèi)部乘客免于受日曬、吹風(fēng)、雨林和其他外部因素的影響，提供舒適的乘坐環(huán)境，汽車頂棚作為整車內(nèi)飾的重要組成部分，對(duì)提高汽車競(jìng)爭(zhēng)力有著不可或缺的作用。汽車頂棚一般是由面料層、基材層和背面無(wú)紡布復(fù)合而成。其中面料層是面向乘客的，且對(duì)內(nèi)飾質(zhì)感有提升作用，一般采用針織面料、無(wú)紡布、TPO、PVC、麂皮及仿麂皮類的面料。基材層則是頂棚除外觀性能以外的其他性能的主要決定因素，傳統(tǒng)頂棚基材PU玻纖板、PP玻纖板也有著自己特有的生產(chǎn)制程工藝。如果能在基材上做改善，采用聚丙烯物理發(fā)泡淋涂材料作為頂棚基材，可改善頂棚的生產(chǎn)工藝，且可達(dá)到減重、降本的效果，并在提升環(huán)保性能及可回收性能上有著可觀的貢獻(xiàn)。本文以聚丙烯物理發(fā)泡淋涂材料板材代替?zhèn)鹘y(tǒng)頂棚基材，通過(guò)對(duì)成本、重量、工藝、可回收性、環(huán)保性能方面進(jìn)行對(duì)標(biāo)分析，確定了方案的可行性，為內(nèi)飾頂棚零部件產(chǎn)品的設(shè)計(jì)提供了設(shè)計(jì)思路。

2 聚丙烯物理發(fā)泡淋涂材料在汽車頂棚上的應(yīng)用可行性分析

2.1 聚丙烯物理發(fā)泡淋涂材料市場(chǎng)應(yīng)用的可行性

聚丙烯物理發(fā)泡淋涂材料是目前市場(chǎng)上密度比較輕的材料。密度在60-450kg/m?之間，原材料成分為聚丙烯，CO2物理發(fā)泡，目前較廣泛應(yīng)用于緩沖包裝行業(yè)、食品包裝行業(yè)以及家裝行業(yè)、體育行業(yè)等民用產(chǎn)品，具有輕量化、低成本、低氣味、低VOC、可回收、低熱傳導(dǎo)率、以及耐熱性等有著較為出色的優(yōu)勢(shì)。目前市場(chǎng)上的頂棚基材，主要存在氣味性、VOC性能差，部分材料不可回收、難以回收、生產(chǎn)過(guò)程不環(huán)保的問(wèn)題，因生產(chǎn)工藝及使用材料的不同，我們?cè)O(shè)計(jì)研發(fā)的聚丙烯淋涂材料板材在板材生產(chǎn)及頂棚成型過(guò)程中不添加不可回收的玻纖及不使用復(fù)合膠水，在環(huán)保性及工藝上有很大的提升，后續(xù)可以替代傳統(tǒng)頂棚基材，應(yīng)用前景非常大。

2.2 聚丙烯物理發(fā)泡淋涂材料板材作為頂棚基材的成型工藝的可行性

傳統(tǒng)PP玻纖板頂棚（干法成型）、PU玻纖板（干法成型、一次濕法成型、兩次濕法成型），為保證一定的剛性，通常添加玻纖以增強(qiáng)整體強(qiáng)度，添加玻纖的生產(chǎn)過(guò)程對(duì)人體有害，且不可回收，由于加工過(guò)程中膠水的使用，使頂棚氣味、VOC環(huán)保性能較差。如下圖是傳統(tǒng)頂棚和聚丙烯物理發(fā)泡淋涂材料板材頂棚的工藝生產(chǎn)流程圖，從圖中可以直觀看出聚丙烯物理發(fā)泡淋涂材料頂棚生產(chǎn)工藝的優(yōu)勢(shì)，生產(chǎn)過(guò)程中即無(wú)膠水的添加，可也實(shí)現(xiàn)基材在生產(chǎn)時(shí)直接與面料進(jìn)行復(fù)合，省去了在成品生產(chǎn)時(shí)面料的后復(fù)合。目前已初步試模頂棚產(chǎn)品，驗(yàn)證了成型是可行的。

2.3 面料復(fù)合以及結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的可行性

傳統(tǒng)頂棚復(fù)合面料，是通過(guò)在基材上增加膠水或額外增加膠水增加粘貼力，在頂棚成品成型時(shí)通過(guò)加熱基材和面料，使基材上的膠層融化，再通過(guò)模具高壓保壓使其實(shí)現(xiàn)基材與面料的復(fù)合，而聚丙烯物理發(fā)泡淋涂材料的板材，是通過(guò)在生產(chǎn)出片材基材的時(shí)候，增加一道環(huán)保的淋膜或附膜材料和工藝，通過(guò)輥?zhàn)虞亯簭?fù)合淋膜或附膜使其與聚丙烯物理發(fā)泡板復(fù)合成為一體，頂棚成品成型時(shí)與傳統(tǒng)成型工藝基本相同，通過(guò)加熱使淋膜或附膜在模具的高壓保壓下實(shí)現(xiàn)基材與面料的復(fù)合，下圖是聚丙烯物理發(fā)泡頂棚產(chǎn)品模壓后的示意圖以及復(fù)合面料后產(chǎn)品示意圖，驗(yàn)證了實(shí)際成型面料復(fù)合的可行性。

由于聚丙烯物理發(fā)泡淋涂板是采用特殊聚丙烯原料，其線性分子鏈結(jié)構(gòu)、以及難以撐出氣泡結(jié)構(gòu)所需要的構(gòu)面、易結(jié)晶，結(jié)晶行為難以控制以至于連續(xù)生產(chǎn)高倍率的擠出發(fā)泡聚丙烯是世界難題，但通過(guò)獨(dú)有的下吹式工藝并使用特制的模頭和螺桿，打破多年的技術(shù)難題，成功實(shí)現(xiàn)擠出發(fā)泡聚丙烯的商業(yè)化，可生產(chǎn)單層0.5～6mm（厚度） 、密度60～450kg/m?密度的PP物理發(fā)泡板材，泡孔直徑可達(dá)到0.2mm，可最大限度實(shí)現(xiàn)高倍率、高強(qiáng)度、輕量化。其中在板材成型時(shí)添加的單層或雙層的雙向拉伸的淋膜，使發(fā)泡板剛度、強(qiáng)度增大，性能優(yōu)于傳統(tǒng)頂棚基材，在試模實(shí)物產(chǎn)品上已經(jīng)能明顯感知到強(qiáng)度較優(yōu)。

2.4 經(jīng)濟(jì)效益的可行性分析

提升產(chǎn)品品質(zhì)、實(shí)現(xiàn)降本減重策略、以及性能優(yōu)化方面是主機(jī)廠應(yīng)用新技術(shù)、以及創(chuàng)新產(chǎn)品的主要內(nèi)在動(dòng)力，聚丙烯物理發(fā)泡淋涂材料板材可在滿足物理化學(xué)性能的前提下實(shí)現(xiàn)降低單個(gè)零部件重量。為了研究聚丙烯物理發(fā)泡淋涂板帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)效益，以及是否是具有投資效益，本文對(duì)四種材料物理化學(xué)性能以及成本、重量進(jìn)行了對(duì)比。從對(duì)比結(jié)果可以看出，采用聚丙烯物理發(fā)泡淋涂板，總體成本略低，強(qiáng)度性能相同的情況下克重可達(dá)到900g/m?，隨著技術(shù)的不斷提升，克重會(huì)進(jìn)一步降低，而且不含玻纖、可回收利用，對(duì)環(huán)境十分的友好。如配套的車型銷量大，將會(huì)有很客觀的經(jīng)濟(jì)效益。

2.5 聚丙烯物理發(fā)泡板材在汽車行業(yè)內(nèi)飾產(chǎn)品應(yīng)用的未來(lái)趨勢(shì)

創(chuàng)新型輕量化低成本材料在汽車內(nèi)飾應(yīng)用中越來(lái)越多，為保證頂棚內(nèi)飾剛度強(qiáng)度，一般在材料里都加有玻纖成分，但隨著創(chuàng)新科技的發(fā)展與進(jìn)度，環(huán)保性的材料應(yīng)用在內(nèi)飾零部件甚至整車零部件上越來(lái)越受重視，若聚丙烯物理發(fā)泡淋涂材料板材應(yīng)用后，根據(jù)所需克重調(diào)整，重量可降低10%～20%。減重效果十分的明顯，成本較傳統(tǒng)PU復(fù)合板頂棚也有一定的降低。目前我司已在進(jìn)一步推進(jìn)在已有車型上驗(yàn)證，無(wú)論在減重還是降本上會(huì)有不錯(cuò)的經(jīng)濟(jì)效益。且由于頂棚面料的復(fù)合也省去了復(fù)合膠層的加入，從根本上解決了頂棚氣味、VOC、回收利用等環(huán)保性問(wèn)題，此創(chuàng)新方案將成為未來(lái)汽車內(nèi)外飾應(yīng)用的新方向。

3 PP發(fā)泡板材料應(yīng)用試驗(yàn)規(guī)劃

原傳統(tǒng)頂棚進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，需考慮斷裂強(qiáng)度、斷裂伸長(zhǎng)率、撕裂強(qiáng)度、尺寸穩(wěn)定性以及耐高低溫性能合格性，新型聚丙烯物理發(fā)泡淋涂板頂棚因在耐高溫方面及脆性方面具有一定的風(fēng)險(xiǎn)，需進(jìn)一步進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，以便消除因材料自身特性帶來(lái)的一些影響。故在調(diào)配材料配方時(shí)注意加強(qiáng)材料的熱變形溫度及剛性強(qiáng)度，使其滿足材料試驗(yàn)以及零部件實(shí)驗(yàn)規(guī)范限值，并且需要通過(guò)材料、零件、總成以及整車的多輪測(cè)試和整車耐久測(cè)試驗(yàn)證，這樣投放到市場(chǎng)上的產(chǎn)品出現(xiàn)質(zhì)量問(wèn)題的概率也會(huì)極低。

4 結(jié)論

節(jié)能環(huán)保、減重降本是汽車行業(yè)的發(fā)展大趨勢(shì)所在，在保證整車安全和法規(guī)要求的前提下，可有效提高汽車的動(dòng)力經(jīng)濟(jì)性、節(jié)能減排、提高乘坐艙空氣質(zhì)量，這也是所有車企都在關(guān)注的發(fā)展方向。聚丙烯物理發(fā)泡淋涂材料應(yīng)用于頂棚基材不僅從原材料上杜絕了玻纖的使用，大大提高了后期材料回收利用性，而且從生產(chǎn)過(guò)程中不使用復(fù)合膠層以及整車的環(huán)保性能上降低VOC、氣味含量，為乘客提供更健康的乘坐環(huán)境，真正做到健康綠色駕車乘車。同時(shí)，低克重材料的應(yīng)用，不僅降低零件成本，還會(huì)降低整車能耗以及污染物的排放，符合目前國(guó)家以及車企越來(lái)越重視節(jié)能環(huán)保大趨勢(shì)。本文所提到的聚丙烯物理發(fā)泡淋涂材料所使用的特殊原材料配方聚丙烯原料目前仍是以進(jìn)口為主，國(guó)內(nèi)配方仍在不斷調(diào)試突破中，因此推動(dòng)原材料的國(guó)產(chǎn)化替代，降低進(jìn)口依賴也是迫在眉睫的事情。若技術(shù)突破，成本將會(huì)進(jìn)一步的降低，不管是在成本上還是在輕量化方向上都將有更加突出的優(yōu)勢(shì)，屆時(shí)普及至車企應(yīng)用上，將對(duì)汽車行業(yè)是一個(gè)突破性的革新。

參考文獻(xiàn)：

[1]田磊，趙會(huì)芳，徐亞君等.一種車頂蓋內(nèi)飾板.使用新型專利，2019.

[2]曹渡，蘇忠.汽車內(nèi)外飾設(shè)計(jì)與實(shí)戰(zhàn)手冊(cè).機(jī)械工業(yè)出版社，2017.