内饰创新:更有价值的主张

作者:Composites Technology Peggy Malnati 文章来源:AI《汽车塑化》2011年第2期 发布时间:2015-06-30
OEM和一级供应商们都要求内饰材料及成型工艺要不断走向绿色.为减轻内饰部件的重量.降低VOC的排放.以及提高内饰部件的质感和舒适性.他们已经做了很多努力和尝试.

OEM和一级供应商们都要求内饰材料及成型工艺要不断走向绿色。为减轻内饰部件的重量,降低VOC的排放,以及提高内饰部件的质感和舒适性,他们已经做了很多努力和尝试。

车身款式通常是吸引消费者们参观车展的主要原因,然而,按照行业人士的观点,安全而舒适的驾驶室却是消费者们愿意留在车内的主要原因。这就是为什么继20世纪90年代后,汽车设计师们将关注的焦点由外饰和便利性再次转向了汽车的内饰,以改善内饰的触感,降低路噪和发动机噪音,创造一个看起来更加和谐的内部环境,增加侧安全气囊及防碰撞特性,提供更多的可同时连接各种通信装置及获得数据传输服务的接口(包括卫星导航、卫星广播、移动电话、MP3播放和互联网接口等)。因为更多的特性需要集成在同一大小的空间内,因而增加了设计难度。为此,通常需要采用集成度更高的部件以及更薄壁的部件。此外,汽车制造商们还在不断地要求更大的功能集成性。

毫无疑问,这些均要求内饰材料必须能够提供与外饰一样的长期耐久性(10年左右)。此外,驾驶舱内的所有部件,不仅应在新的时候,其颜色、纹理和光泽度等表面特性能够在不同的光照下达到完美匹配,而且这些表面特性还必须以同样的速度衰退,从而确保在使用10年后依然相互匹配。因此,开发工具也变得更加先进,以确保设计更接近于每一种材料的工程极限。最后,生产工艺也更加高效。所有这些都有利于优化成本和性能。

近年来,消费者和OEM们对绿色技术有了更大的兴趣,如可有效降低汽车重量、成本和碳足迹的生物基单体材料和天然纤维增强材料等,以满足欧洲严厉的气味、雾气和挥发性有机气体排放法规要求,这就增加了内饰设计师的压力。据说,美国加州也将针对该州购买的汽车实施内饰排放标准,该州将采用Section 01350标准对内饰排放物做严格的检测。一旦实施,加州的采购程序将对所有销售到北美的乘用车带来冲击。

所有这些因素,加上汽车制造商所面临的减轻重量(以提高燃油经济性)和降低成本的压力,以及为响应消费者对舒适性、便利性和豪华感的更高要求,为以增强塑料为基础的创新解决方案带来了巨大的机遇。以下介绍的仅是用于汽车内饰的一部分创新技术,这些技术为内饰加工商及其客户生产出更高标准的汽车内饰提供了解决方案。

多功能、无VOC排放的丙烯酸聚合物

作为最具吸引力的新型汽车复合材料中的一种,一种独特的聚合物材料同时兼有热塑性塑料和热固性塑料的特性,从而为改善性能、减轻重量以及创造绿色内部环境带来了巨大的潜力。该材料的商品名为“Acrodur”,其发明者和生产商是德国的巴斯夫公司。这种可交联的丙烯酸乳液共聚物在欧洲已使用了10年,与其他树脂材料相比,它是一种用于无纺布的高性能环境友好型胶粘剂。目前其最新的应用是,作为一种高度增强的、具有出色的热机械性能和物理性能的半结构复合材料中的基体材料。实际上,该材料在汽车行业的首个商业化应用是宝马汽车公司的08MY 7系列豪华轿车的门内板,这款天然纤维增强的门内板由德国的Dräxlmaier集团模塑成型。在2009 SPE汽车创新奖竞赛中,Acrodur以其与众不同的特性赢得了材料类别中的最高奖项。

作为一种溶液聚合物,Acrodur具有极佳的亲和力,能与纤维状或粒状增强成分相粘接,因为该材料极低的黏度及化学组成使其与增强材料之间可同时形成机械粘接和化学粘接,尤其与天然纤维相匹配时的效果更佳,因为该树脂不仅可覆盖纤维,而且能够渗透纤维轴。经浸润后的纤维毡可在空气或炉中被干燥成为一种热塑性的“B-stage”,从而形成热塑性的预浸料和半成品,仅此就使其成为一种与众不同的材料。在成型过程中(特别是使用模压机时),当该预浸料被加热到高于150℃时,Acrodur中的丙烯酸与乳胶相得到充分交联,形成刚、韧兼具的网状结构,使得生产出的部件具有非常耐久的热固性基质,其唯一的反应产物是水。

据说Acrodur能够为复合材料部件带来一系列的显著优势。对纤维的彻底浸透以及与纤维之间的机械和化学粘接,允许Acrodur基的复合材料拥有极高的纤维含量。当天然纤维含量达70%时,该复合材料的比重低于1.0,这使得加工商能够生产出非常轻的薄壁部件,同时这些部件还具有出色的性能并可长期保持不变。当使用天然纤维时,Acrodur的浸透能力据说可使纤维含量最高达到90%,这就意味着汽车制造商能够使用“天然纤维/Acrodur”复合材料取代短玻纤增强的工程热塑性塑料和长玻纤增强的聚丙烯,以及采用其他热固性基体材料(如环氧树脂、聚氨酯和不饱和树脂等)的复合材料。在同等壁厚情况下,Acrodur复合材料的性能更好。与所取代的材料相比,Acrodur复合材料部件的壁厚更薄,并能够以更低的重量和成本获得同等的性能,特别是在纤维含量较高的情况下。

就环境方面的优势而言,当取代热固性树脂后,Acrodur能够消除交联反应过程和部件使用寿命期间的烃类溶剂和VOC排放,面对日益严格的驾驶舱排放标准,这是一个潜在的优势。无排放意味着在加工过程中无需特殊的空气处理设备以保护工人健康和环境,从而节省了成本。由于Acrodur能与增强材料很好地粘接在一起,因而无需使用偶联剂(复合材料的另一VOC排放源),至少在天然纤维增强的复合材料中无需使用偶联剂。并且超高纤维含量配方能够降低汽车的碳足迹而不有损性能。

该聚合物还为实际生产带来了优势,特别是在汽车内饰部件的生产中。从连续的硬塑表面部件(较低含量的纤维被埋藏在部件中,使其看起来和模塑成型的塑料件一样),到沿厚度方向具有一定穿透性能的部件(特别是当增强成分含量较高时,才可以说是真正地在生产树脂灌注的纤维毡而不是纤维增强聚合物),加工商们可以在同一模具上,有选择性地生产出具有不同效果的部件。

在成型无表皮部件时,对这种水基聚合物系统的颜色选择据说是不受限的。对于那些成型后需要植皮的部件而言,例如宝马的门板,实际的成型部件可以被设计具有一定的穿透性能,这就意味着Dräxlmaier公司在对门板的表皮/发泡叠层进行后成型的过程中,不再需要在该叠层门板上进行激光钻孔,以用于抽真空。显然,这节省了加工步骤和成本。

巴斯夫Acrodur产品市场开发经理Gero Nordmann表示,该材料已经满足了很多OEM对内饰的要求,因此它将在汽车内部得到更广泛的应用,并且还有可能在欧洲一些地区的汽车外部得到应用。然而,就长期而言,该材料将证实其在汽车外饰应用中的更大优势,尽管还需要进一步的评价和测试来证明这一点。

高木纤维含量的复合材料

法国的一级汽车供应商Faurecia公司已经开发出了几种高回收木纤维填充量的复合材料,以用于汽车内饰。长期以来,该公司的Lignotock系列产品被欧洲的OEM用作内饰基底部件,它含有85%的木纤维和15%的酚醛树脂(PF)胶粘剂,与传统的玻纤增强热塑性塑料相比,具有更低的重量和成本,且隔音性能更好。据Faurecia Interiors公司的负责人Jay Hutchins介绍,该公司一种更新的、韧性更好的级别被称作“Lignoflex”。它含有70%的木纤维,同时还特别地配有20%的PET纤维,以及10%的PF胶粘剂。PET纤维使得木纤维和PF胶粘剂能够在最初的上层毡(预浸料)生产过程中结合在一起,从而免去了采用该公司早期产品进行生产时必不可少的预成型步骤。此外,PET纤维还可防止纤维毡在成型过程中被撕裂,与该公司以往的材料相比,它允许设计出带有底切和更深肋骨/尖锐转角半径的部件。当成型温度达到200℃时,PF胶粘剂即发生交联反应,此时PET纤维(其熔融温度为220℃)仍保持完好,从而使成型好的基底部件具有更好的伸长率。特别是在门板内饰的应用中,Lignoflex基底部件的密度比传统的玻纤增强热塑性塑料部件低40%,比标准的Lignotock基底部件轻20%,且具有同样的机械性能。目前,Faurecia又为其每个产品系列开发出了两种新的配方,分别为Lignotock Plus和Lignoprop。与巴斯夫的Acrodur产品一样,这两种新配方均满足了OEM对低VOC排放的要求。

在模压成型过程(利用专利的Ligneos产品/工艺)中,Lignoflex基底部件能够被粘接到硬木薄片饰面上,以形成豪华外表的装饰面板,它比传统的热塑性复合材料饰板更轻,并可提供实木般的质感。另一种被称作“Ligneco”的Lignoflex部件,是一种可模压成型的、具有A级表面的木纤维复合材料基底部件,它被设计拥有充足的孔,能够像木材那样吸收颜料,并被用作门板内饰上的无表皮可见表面。目前刚刚上市的Lignoflex产品是一种被称作“Lignolight”的低密度品种。尽管后者使用了与前者一样的基体/增强成分材料,但这种片状复合材料的密度只有1400g/m2,而不像Lignoflex材料那样具有1800~2000 g/m2的密度,从而能够模压成型出更轻、更薄的基底部件。当然,由于所有这些产品都大量使用了无碳排放的回收木纤维,因而也减少了使用这些技术的汽车的碳足迹。

从源头减少VOC的排放

为满足欧洲针对汽车内饰的新的更严格的VOC、雾气和气味排放要求,即ISO/TS 16949:2002认证,以及美国加州可能实施的更严格的内饰排放标准,许多树脂供应商正在采取行动,以寻求各种方法来减少树脂基材料的排放量,这可通过目前许多新上市的低VOC材料级别得到证实。“但遗憾的是,在成型部件中,存在着许多导致VOC排放的路径,包括来自树脂基聚合物和各种添加剂中的残留物质,以及在诸如喷漆和粘接等成型后处理中形成的VOC排放物等。”Addcomp北美公司负责人Louis Martin说,该公司生产的稳定剂和各种添加剂主要用于PP基的长纤维热塑性塑料(LFT)和D-LFT复合材料中,这些材料被广泛地用作汽车内饰。此外,其产品还被用于木纤维、木粉和天然纤维复合材料中。

一种方法是减少化学成分中可能在加工过程中转变成VOC物质的杂质(即找到致污源)。Addcomp公司已花费了多年时间,通过提高偶联剂的纯度来减少其添加剂组合产品中的挥发性物质。通过购买由比利时Solvay公司开发的MAGPO技术(maleic-anhydride-grafted polyolefin),然后从化学配方和生产工艺两方面着手,该公司生产出了更纯净的产品,这些产品满足了新标准在纯度、性能和低剂量方面的要求。Addcomp公司声称,其Priex偶联剂是目前市场中唯一能满足ISO/TS 16949:2002要求的产品。

Martin表示,尽管在偶联剂产品上取得了成功,但可能实施的更严格的标准推动着该公司采取进一步的措施,来减少添加剂母料中其他成分的挥发性物质——该公司在稳定剂的生产中采用了类似的方法并取得了成功。但Martin解释说,由于技术上的挑战,或者由于没有供应商愿意或能够提供更纯的原料,因此很难从根源上完全消除VOC物质。在此情况下,需要采取新的措施,来减少源自母料混合物中各组分的挥发性物质。由此,而导致了对脱模剂和吸收剂的使用。这些添加剂能够分别俘获并排除(即在受热时蒸发掉)掉在混配母料和基础树脂的过程中散发出的化学物质。德国的Fraunhofer化学技术研究院采用陶氏化学公司提供的聚丙烯对此进行了研究。该研究院所做的脱雾成型试验表明,一种新的脱模剂可在最初的混配过程中,通过真空排气的方式,较好地从母体混合物中除去非顺丁烯二酸酐基的VOCs。而在减少VOC挥发物方面,吸收剂的效果较好。尽管这种脱模剂只是在最初的母料混配过程中使用,并且它能够在短时间内轻易地控制好VOC物质,但使用这种化学制剂却要求混配商或D-LFT的成型商为其挤出机配备排气装置。相比之下,按照理论,吸收剂却能够在之后的成型过程中以及产品使用寿命期间内持续地发挥作用,但这还没有得到实验的证实。Addcomp公司并没有表示要将该技术用于商业化生产中,但据说该公司正在和客户探讨的一个问题是,母体混合物中的VOC物质应被减少到何种程度才是合理的。至少,现在解决方案已经有了,一旦美国加州在内饰排放标准上设置门槛,这些技术立刻就能被投入到商业化应用中。

免去对长玻纤复合材料部件的喷涂

涂层不仅是部件生产和使用寿命期间内VOC排放的根源,而且还增加了生产部件的时间和成本,使回收处理更加复杂化且易产生刮痕。因此,主流的热塑性树脂供应商们已将大量的工作集中在了寻求各种方法,来避免对硬质内饰表面进行喷涂的操作。目前,用于聚合物的新的纹理图案和颜料组合已被开发出来。这些产品能够掩盖玻纤增强部件上常出现的刮痕,甚至能够避免带斑点的表面。此外,他们还将研究工作集中在模温控制技术上,以生产出富含树脂的表面,这有助于遮掩纤维。尽管这些努力已经在短玻纤热塑性塑料的应用中取得了成功,但要想成功地应用于LFT和D-LFT部件中却难度较大,尤其是当产品颜色较浅时,这是因为这些材料中的纤维较长且含量较高。因此,按照传统习惯,用这些材料制成的部件通常被用于汽车的不可见部位,并且习惯于采用黑色。

随着商业化应用数量的增多,这种状况似乎正在改变。例如,福特汽车公司的工程师们介绍说,用在福特08MY Focus车型上的门槛板(doorsill scuff plates)就是他们最早的具有A级表面的未喷漆LFT部件,它由现在已不存在的Blue Water Plastics公司采用泰科纳工程塑料的Celstran 20% LFT-PP材料,利用模内着色(MIC)技术注塑成型而出。泰科纳的全球汽车经理(他曾经是福特材料工程部门的首席工程师)Jeffrey Helms说,这一成功鼓励着福特公司采用同样的材料和工艺,去生产更具挑战性的部件,以及更多的用于可见部位的A级表面部件,如车顶控制台(overhead consoles)等,以用于福特08MY Expedition和林肯Navigator SUVs中。由此,而取代了滑石粉填充的热塑性聚烯烃材料(TPO),因为这种材料的热稳定性不能满足该应用的要求。通过添加特殊的紫外稳定剂,可防止褪色,同时还可使模具中部件的B面温度要高于A面,从而确保获得富含树脂的表面,这能够掩藏纤维。通过这一变化,改善了外观质量,减少了以往常有的咯吱声,增加了刚性和受热时的尺寸稳定性,提高了抗刮擦性能。总之,该项目取得了巨大成功:这种车顶控制台还被成功地用于福特08MY F150 pickup和福特09MY Flex CUV车型(该车采用了双箱式车顶控制台)中。

一种更出色的非喷涂A级表面内饰在2009年发布的林肯10MY MKT CUV车型上得到了应用。该车型中操控台的左右侧面板由喷涂的玻纤增强PC/ABS部件转换成了MIC LFT-PP部件。这种带有纹理质感的内饰面板由美国密歇根州的Automotive Components Holdings公司注塑成型,它无纤维可见纱,颜色与其他的硬质内饰100%地相匹配,且刚性比滑石粉填充的PP部件更高。与所替代的工程塑料相比,它们的生产成本更低。通过取消喷涂操作以及为解决咯吱声而采取的措施,福特公司可在每辆车上节省$6的费用。

粒状的LFT混配物还更多地被用作汽车内饰的结构部件,例如,用于通用汽车公司的10MY Buick LaCrosse豪华跑车上的中央操控台支架。该部件由德国Grammer公司生产,采用了沙伯基础创新塑料提供的线缆涂层的(wire-coated) LFT-PP,据说这是该材料首次被用于中央操控台模块的结构组件,该组件以前由冲压钢制成。用复合材料取代钢材后,不仅降低了重量,提高了部件的集成性能,节省了组装成本,而且由于具有优良的耐腐蚀性,因而消除了对这种非A级表面部件进行底涂和喷涂的工序。

增添豪华感而无需增加成本

成本总是汽车制造商们关注的焦点,但消费者们却明确地表示,无论何种价位的汽车,他们都不愿忍受“廉价”的内饰。为此,OEM们正在寻求具有成本效益的方法,通过细节上的设计和软触表面效果,来增加内饰部件的豪华感。“你将不再看到10年前常见的硬塑(无表皮)内饰。” Faurecia Interiors公司的Hutchins说,“OEM们不断地将内饰作为汽车的一个关键卖点,因此,甚至在B级车上也使用了高质量标准和优质材料。”

一项来自德国的神奇技术有助于提高产量、改善触觉并降低VOC的排放,即使在中低产量下也可降低成本。这一被称作“DirectSkinning”的工艺由宝马汽车公司、德国的Fischer Automotive Systems公司和拜耳材料科技联合开发而出,它将传统的热塑性塑料硬质基体的注塑成型与完整的软触聚氨酯表皮的反应注射成型组合在一起。该工艺需要两步成型,但却只需要一副模具,这使其成为生产仪表板骨架或上层衬垫、中央操控台、门内饰或储物箱隔板盖的一种非常经济高效的方法,并且这些部件的表面可以全部或者有选择性地覆以抗紫外线的聚氨酯软触表皮,看起来就像是经二次注射成型的热塑性弹性体(TPEs)表面一样,但却拥有更好的触觉。与传统的含有多个工步的“注塑,然后表皮”的工艺相比,DirectSkinning的效率更高。该工艺能够以较低的成本和较少的操作流程生产出带有软触表皮的部件,从而有效地减少了部件的污染和受损。此外,这种抗磨损的高质量表皮不含增塑剂和卤素(通常存在于乙烯基表皮中),并且其成本比皮革或背部发泡的搪塑表皮更低。低粘性的聚氨酯使其更易于覆盖结构复杂(如具有多种厚度的发泡层过度区以及尖锐的转角半径)的大型部件,这使其对其他表皮技术带来了挑战。据拜耳材料科技介绍,该工艺可以非常可靠地生产出具有不同颜色、质感和厚度的表皮,且设备的占地面积较小,表皮的色彩、纹理和光泽度等能够非常精确地与临近部件的表皮相匹配,而且其材料完全满足欧洲关于VOC排放的要求。

更轻、更绿色且价值更高

目前还没有迹象表明汽车内饰将不再重要,而且各种迹象都反映出内饰仍将是各类别汽车的关键卖点。因此,材料供应商和增强塑料的加工商们总是面临着要不断地为降低重量和减少排放而提供更好的产品,创造更大的价值以及提供更多差异化的产品以供选择。所幸的是,当前生产的汽车正变得更小型化,并且汽车制造商们需要去除更多的冗余部分(特别是在采用了替代动力传动系统的汽车上),以加快发展绿色汽车,同时,消费者们渴望在驾乘中获得更多的通信功能,增加更多的豪华内饰并提高舒适感,所有这些都离不开燃油技术的创新。对于那些已经平稳度过了经济危机的汽车复合材料供应商们而言,这将为他们带来复苏的希望。时尚的外饰吸引着消费者们愿意去车展一饱眼福,而高雅、舒适、功能齐全且安全的内饰却是消费者们愿意购买的一个主要因素。此图是福特Taurus的内饰(图片来自福特汽车公司)巴斯夫的Acrodur丙烯酸共聚物独特的化学组成允许复合材料中的天然纤维含量可达到70%,甚至可高达90%。如图所示,当纤维含量达到90%时,该预浸料结构具有足够的穿透性能,这使得成型商——德国Dräxlmaier公司取消了以往需要在传统的热塑性塑料部件上进行激光钻孔的工步。在此门板上进行表皮叠层的后成型时,这些孔主要用于抽真空。此图为宝马7系sedans车的门板(图片来自SPE汽车部门)此图为“Acrodur丙烯酸共聚物/天然纤维”预浸料的放大图。70%~90%的纤维含量使得该预浸料具有足够的穿透性能,从而可免除激光钻孔步骤(图片来自巴斯夫)法国Faurecia公司的Lignoflex复合材料具有更大的韧性,其特点是含有PET纤维,该PET纤维使得木纤维和PF胶粘剂能够在最初的上层毡(预浸料)生产过程中结合在一起,从而可免去采用该公司早期产品进行生产时必不可少的预成型步骤(图片来自Faurecia)在利用专利的Ligneos 产品/工艺进行模压成型的过程中,Faurecia公司的Lignoflex材料能够被粘接到硬木薄片饰面上(见下方断面),从而形成图中所示的装饰门板。这些门板比采用传统的热塑性复合材料制成的门板更轻,并具有实木般的质感(图片来自Faurecia)该面板断面图显示出了薄木板与Lignoflex基底的粘接(图片来自Faurecia)这种由LFT-PP制成的双箱车顶控制台取代了滑石粉填充的TPO部件而被用于福特09MY Flex CUV车型上,针对这一的应用,滑石粉填充的TPO的热稳定性不足以满足要求。该部件表明,LFT-PP粒料在内饰应用中正在发挥更大的作用,特别是采用模内着色(非喷涂)工艺生产A级表面的浅色部件时(图片来自SPE汽车部门)于2009年发布的10MY Lincoln MKT CUV车型中使用的操控台左右侧面板(此图的可见部分为右侧面板)是采用模内着色工艺生产的具有A级表面的LFT-PP面板(图片来自SPE汽车部门)粒状的LFT混配料还更多地被用作汽车内饰中的结构部件。图中的LFT-PP中央操控台支架取代了以往的stamped steel部件,被用于10MY Buick LaCrosse豪华跑车中。其重量更轻,部件的集成性更好,且可降低组装成本。此外,由于耐腐蚀性好,因而避免了以往金属部件的底涂和喷涂操作(图片来自SPE汽车部门)由宝马汽车公司、德国Fischer Automotive Systems公司和拜耳材料科技联合开发的DirectSkinning 工艺,能够利用一副模具,在两步成型中,生产出在热塑性复合材料基底上覆盖一层具有柔软触感的、紫外稳定且抗磨损的聚氨酯表皮的部件。该表皮比漆皮/涂层表皮更软且抗磨损性更好,同时不含增塑剂和卤素,成本也比皮革或背部发泡的搪塑表皮更低(图片来自拜耳材料科技)

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