王雪 周美辰 任曉珊 李菁華 金科 張英虹

（1.中國(guó)第一汽車(chē)股份有限公司材料與輕量化研究院，長(zhǎng)春 130011；2.長(zhǎng)春富維安道拓汽車(chē)飾件有限公司，長(zhǎng)春 130011）

1 前言

儀表板總成是汽車(chē)內(nèi)飾中關(guān)鍵的總成之一，用戶(hù)感知程度最高的零部件，外觀質(zhì)量，造型設(shè)計(jì)，功能配置等因素直接影響用戶(hù)對(duì)整車(chē)的評(píng)價(jià)，需集舒適、美觀、裝飾、功能與一身。儀表板表皮材料作為儀表板結(jié)構(gòu)中外露部分，其材料、工藝的選擇對(duì)儀表板整體品質(zhì)的體現(xiàn)有著至關(guān)重要的影響。目前大部分儀表板選用搪塑聚氯乙烯（Polyvinyl chloride resin，PVC）表皮進(jìn)行包覆，但PVC在氣味、揮發(fā)性有機(jī)化合物(Volatile Organic Compounds,VOC)、耐老化等方面存在不足。熱塑性聚烯烴彈性體(Thermoplastic Polyolefin,TPO)是橡膠和聚烯烴混合而成，不僅具有密度小，氣味低，VOC低等優(yōu)異的性能，還能100%回收利用[1]。

本研究開(kāi)發(fā)一種在儀表板上應(yīng)用的TPO表皮材料，根據(jù)材料特性和零件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，調(diào)試出合適的包覆工藝，成功將TPO表皮應(yīng)用于儀表板，并在量產(chǎn)車(chē)型大規(guī)模生產(chǎn)應(yīng)用。

2 TPO表皮材料性能

2.1 表皮材料開(kāi)發(fā)

TPO材料是一種以烯烴類(lèi)橡膠（EPDM）和鏈烯烴類(lèi)樹(shù)脂（PP、PE）為主要成分的可循環(huán)利用的共混型熱塑性彈性體，是僅次于苯乙烯類(lèi)的熱塑性彈性體的第二大類(lèi)TPE材料，廣泛應(yīng)用于汽車(chē)制造業(yè)、電線電纜、醫(yī)療等領(lǐng)域。TPO微觀組織呈海島狀，烯烴類(lèi)樹(shù)脂為海相，烯烴類(lèi)橡膠為島相。

TPO表皮由TPO層和基布層共同組成，其結(jié)構(gòu)示意如圖1所示。其性能不僅與TPO本身特性有關(guān)，與選用的基布層也有很大關(guān)系。普通的TPO表皮性能如表1所示，其剝離強(qiáng)度和撕裂強(qiáng)度低，不能滿(mǎn)足儀表板表皮的生產(chǎn)需求。這是由于TPO與基布是直接通過(guò)熱壓復(fù)合而成，導(dǎo)致其強(qiáng)度不滿(mǎn)足儀表板用蒙皮材料的性能指標(biāo)。

圖1 TPO表皮分層結(jié)構(gòu)示意

針對(duì)TPO表皮剝離強(qiáng)度不足問(wèn)題，經(jīng)過(guò)不斷的試驗(yàn)探索與優(yōu)化，提出了兩種改進(jìn)方案：方案1是在TPO層與基布層增加膠水，通過(guò)膠水使用，借助界面的粘附和內(nèi)聚強(qiáng)度將TPO材料和基布連接在一起，在不改變材料結(jié)構(gòu)性能前提下，提升TPO表皮材料的強(qiáng)度。方案2是在TPO層與基布層增加纖維，通過(guò)增加上下兩層材料間的摩擦力，來(lái)達(dá)到強(qiáng)度增加的效果。改進(jìn)后材料的性能如表1所示（其中TPO-0代表普通的TPO表皮，TPO-1代表增加膠水TPO表皮，TPO-2代表增加纖維的TPO表皮）。

2.2 表皮材料選擇

上述2種方案都能實(shí)現(xiàn)TPO表皮剝離強(qiáng)度的提升。但增加膠水的使用，表皮材料氣味和VOC會(huì)變差，具體材料性能指標(biāo)見(jiàn)表2，從表1和表2可以看出，方案1的TPO表皮材料雖然能滿(mǎn)足性能指標(biāo)，但其低氣味、低VOC優(yōu)勢(shì)明顯弱化。因此選用玻纖增強(qiáng)的TPO-2表皮材料作為儀表板用的蒙皮材料更合適。

表1 TPO表皮力學(xué)性能比對(duì)

從表2可以看出，無(wú)論是40℃還是80℃條件下，TPO方案2表皮氣味值都要低于PVC表皮。TPO表皮的測(cè)試的氣味值為3.0～3.5分，PVC表皮測(cè)試的氣味值為3.5～4.0分。氣味值降低0.5分。

表2 TPO表皮揮發(fā)特性比對(duì)

2.3 表皮材料熱老化性能

常溫下TPO表皮強(qiáng)度能滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)的要求，熱老化后可能引起其性能的衰減，特別是引起撕裂力和剝離強(qiáng)度的變化。為研究熱老化后開(kāi)發(fā)的TPO表皮性能的變化，將TPO表皮放入溫度為120℃試驗(yàn)箱中進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)7天、14天、21天后分別取出3份樣條，進(jìn)行撕裂試驗(yàn)和剝離強(qiáng)度試驗(yàn)。其結(jié)果如表3所示，結(jié)果表明，在120℃高溫下，隨著試驗(yàn)時(shí)間的變化，TPO表皮剝離強(qiáng)度基本無(wú)變化，剝離強(qiáng)度基本保持在30 N/25 mm以上。撕裂強(qiáng)度稍有衰減，但降幅不大，橫縱向的撕裂力仍能保持在380 N以上，性能指標(biāo)仍滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)要求。

表3 熱老化試驗(yàn)后TPO表皮的材料性能

此項(xiàng)試驗(yàn)證明，開(kāi)發(fā)的TPO表皮耐熱后，其強(qiáng)度指標(biāo)仍符合標(biāo)準(zhǔn)要求。在儀表板正常使用工況下，陽(yáng)光長(zhǎng)期照曬，不會(huì)造成TPO表皮材料強(qiáng)度性能衰減。

3 表皮材料生產(chǎn)工藝

儀表板作為汽車(chē)上重要的功能件和裝飾件，趨于多樣化、人性化、高檔化方向發(fā)展。儀表板的生產(chǎn)工藝有很多，常見(jiàn)的有搪塑，真空吸塑，手工包覆，歐系車(chē)儀表板大部分采用搪塑成型，日系和韓系車(chē)的儀表板多采用真空成型，而奔馳、路虎等大部分高端車(chē)型則主要采用手工包覆[2]。

基于不同生產(chǎn)工藝的各自特點(diǎn)，TPO在應(yīng)用過(guò)程中形態(tài)也各不相同。在搪塑工藝中，TPO粉通過(guò)模具直接成型為儀表板骨架外輪廓形狀。而真空吸塑和手工包覆TPO需經(jīng)原料熔融擠出，流延成膜，再通過(guò)模具或手工包覆成型。工藝的變化也會(huì)引起效率、成本、材料利用率、技術(shù)成熟度等方面差異，因此工藝的合理選擇對(duì)產(chǎn)品至關(guān)重要。

3.1 生產(chǎn)工藝比對(duì)

TPO表皮在汽車(chē)儀表板上應(yīng)用，主要采用真空成型工藝和手工包覆工藝，搪塑工藝還處于研究階段。真空成型工藝和手工包覆工藝性能比對(duì)如表4所示。通過(guò)比對(duì)可知，TPO表皮真空成型更適合大批量生產(chǎn)，生產(chǎn)效率高，產(chǎn)品設(shè)計(jì)自由度大，能有效利用模具，TPO表皮手工包覆更適合高端、豪華車(chē)型，能個(gè)性化設(shè)計(jì)不同風(fēng)格的表皮顏色和紋理。

表4 TPO表皮成型工藝性能比對(duì)

本TPO表皮，相比儀表板常用的PVC表皮材料，具體表皮顏色多樣化，氣味好，價(jià)格高等特點(diǎn)，更符合高端豪華品牌車(chē)型需求。因此，研究TPO表皮材料通過(guò)手工包覆工藝生產(chǎn)制造，更具有使用價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義。

3.2 手工包覆工藝

儀表板結(jié)構(gòu)主要有三部分構(gòu)成，骨架、發(fā)泡材料和表皮，從上到下依次為表皮、發(fā)泡材料、骨架。手工包覆是把帶有皮紋的表皮直接通過(guò)手工包覆固定到儀表板本體上，表皮的結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示，從外層到內(nèi)層分別為表面涂層、表皮層、基布。骨架通常為注塑的PP樣件，發(fā)泡材料為PUR或3Dmesh等材料。

圖2 TPO表皮的結(jié)構(gòu)

表皮選用開(kāi)發(fā)的TPO表皮，發(fā)泡材料選用3Dmesh，骨架為PP-LGF注塑件。具體包覆過(guò)程如下。

a.對(duì)儀表板骨架、3Dmesh、TPO表皮進(jìn)行噴膠和烘干處理；

b.通過(guò)人工控制吹風(fēng)機(jī)激活膠的活性實(shí)現(xiàn)粘接。3Dmesh直接粘接到骨架的指定區(qū)域；

c.將表皮與帶有3Dmesh的骨架粘接，粘接前需通過(guò)表皮縫線和骨架凹槽實(shí)現(xiàn)定位匹配；

d.再通過(guò)吹風(fēng)機(jī)加熱實(shí)現(xiàn)復(fù)合，儀表板的預(yù)包覆過(guò)程完成。

為提高其粘接強(qiáng)度，還需通過(guò)模具對(duì)表皮進(jìn)行熱壓，熱壓后整個(gè)表皮包覆過(guò)程完成。具體工藝流程見(jiàn)圖3。

圖3 儀表板表皮包覆工藝流程

a.表皮裁剪。表皮的裁剪是按照骨架形狀尺寸，經(jīng)過(guò)多輪的包覆工藝探索，確定最終裁片的尺寸，通過(guò)激光切割實(shí)現(xiàn)的裁片處理。由于儀表板復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，尖角、拐角位置應(yīng)力過(guò)大，需對(duì)表皮邊緣固定位置進(jìn)行預(yù)裁剪處理，實(shí)現(xiàn)應(yīng)力的釋放。為減少了個(gè)體差異引起的包覆效果不一致，提高包覆產(chǎn)品的一致性，通過(guò)機(jī)械加工進(jìn)行預(yù)裁剪。

b.表皮縫紉。儀表板表皮是通過(guò)裁剪的2塊TPO表皮拼接而成，接合線的針距參數(shù)為10針/25 mm，由專(zhuān)用的縫紉機(jī)完成。裝飾線中的雙縫線，針距參數(shù)為5針/25 mm，雙縫線的距離為8 mm。

c.工藝溫度。TPO表皮、3Dmesh、儀表板骨架在常溫下噴膠即可，為保證膠水活性，需在50～60℃下進(jìn)行烘干處理。模具的模壓溫度為70～100℃，模壓時(shí)間根據(jù)產(chǎn)品形狀和模壓溫度來(lái)調(diào)節(jié)。

4.TPO表皮包覆儀表板性能

4.1 制品性能

根據(jù)儀表板的制品性能相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)儀表板上蓋板進(jìn)行短期耐熱、長(zhǎng)期耐熱、耐冷熱循環(huán)、耐寒沖擊等試驗(yàn)，其試驗(yàn)結(jié)果如表5所示。

表5 TPO表皮儀表板制品性能

儀表板是內(nèi)飾中最為重要的裝飾件之一，陽(yáng)光能夠透過(guò)玻璃直接照射在儀表板表面，在長(zhǎng)期照射下，高溫引起表皮顏色的變化也是用戶(hù)非常關(guān)心的問(wèn)題。汽車(chē)在海南暴曬的情況下，車(chē)內(nèi)溫度最高可達(dá)80℃，儀表板上表面最高溫度可達(dá)105℃。為了對(duì)比PVC表皮和TPO表皮在高溫下其表皮顏色的變化，選取長(zhǎng)50 mm、寬50 mm的TPO和PVC表皮放置在試驗(yàn)箱中，為加速試驗(yàn)，選取試驗(yàn)溫度為120℃，每隔7天、14天、21天取出樣件，通過(guò)色差儀測(cè)量表皮的色差，具體色差值如圖4所示。為更準(zhǔn)確判斷儀表板表皮色差變化，對(duì)包覆TPO表皮儀表板和PVC表皮儀表板進(jìn)行試驗(yàn)，120℃/21天后觀察儀表板的表皮顏色變化，TPO表皮顏色變化甚微，PVC表皮顏色變化明顯。試驗(yàn)前后對(duì)比照片如圖5所示。

圖4 TPO表皮和PVC表皮色差數(shù)值

圖5 120℃/21天后表皮顏色比對(duì)

熱老化后TPO表皮的色差變化值要明顯小于PVC，這是因?yàn)镻VC分子鏈?zhǔn)芗ぐl(fā)后產(chǎn)生鏈?zhǔn)矫揌CL反應(yīng)，且脫出的HCL具有催化效果，會(huì)加速脫去更多的HCl，在主鏈上形成多烯序列-(C=C)n-，當(dāng)n達(dá)到8時(shí)，就會(huì)形成發(fā)色基團(tuán)，該基團(tuán)吸收可見(jiàn)光中的藍(lán)光，使樣品會(huì)顯黃，造成PVC更易發(fā)生光/熱降解且伴隨顏色變化[2]，因此TPO表皮的耐光老化后色差變化小。

從試驗(yàn)結(jié)果上看，開(kāi)發(fā)的TPO表皮不僅能滿(mǎn)足材料性能，還具有耐老化后的色差變化小優(yōu)點(diǎn)，而且制品性能全都符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

4.2 量產(chǎn)應(yīng)用

經(jīng)過(guò)前期材料開(kāi)發(fā)，材料試驗(yàn)驗(yàn)證及制品性能驗(yàn)證，TPO表皮包覆的儀表板成功在某車(chē)型上應(yīng)用。應(yīng)用的TPO表皮密度為0.9 g/cm3，按車(chē)型包覆儀表板面積為0.42 m2計(jì)算，TPO包覆表皮質(zhì)量約為0.42 kg，PVC表皮密度為1.2 g/cm3，包覆質(zhì)量為0.55 kg。TPO表皮與PVC表皮相比，在儀表板上應(yīng)用能減重0.13 kg，實(shí)現(xiàn)23%降重。

5 結(jié)束語(yǔ)

在綠色環(huán)保、節(jié)能減排的大趨勢(shì)下，TPO是一種低能耗、低排放、可循環(huán)利用的環(huán)保表皮材料，本文成功開(kāi)發(fā)出在汽車(chē)儀表板上應(yīng)用的TPO表皮，具有輕量、低氣味、低VOC優(yōu)勢(shì)，相比傳統(tǒng)PVC表皮，實(shí)現(xiàn)23%降重，氣味降低0.5分。

TPO表皮的成功開(kāi)發(fā)與應(yīng)用，為副儀表板、門(mén)板等應(yīng)用蒙皮類(lèi)材料的總成提供重要參考，相比與PVC表皮材料的應(yīng)用，該方案更輕更環(huán)保。