汽车座椅中有害物质使用情况及替代技术分析

邱婧

摘 要：汽车与我们每天的生活息息相关，因此它的安全性极为重要。本文以车内与人体最直接接触的座椅为研究对象，分析了座椅的使用材料及其中有害物质的分布和可替代技术。

关键词：座椅;有害物质;替代技术

1 前言

汽车座椅，座位汽车中最基本的装置，是汽车当中的重要安全部件。同时，现代人的生活越来越离不开汽车。按照平均一年2万公里行驶里程，时速60公里/小时来算，驾驶员一年在汽车上的时间超过300个小时。因此，汽车座椅的安全性，环保性和舒适性显得尤为重要。本文主要针对目前汽车座椅中有害物质的使用、豁免及替代进行分析介绍。

2 国内有害物质管控及豁免分析

2015年6月，工业和信息化部正式发布《汽车有害物质和可回收利用率管理要求》，明确规定自2016年1月1日起，对总座位数不超过九座的载客车辆（M1类）有害物质使用和可回收利用率实施管理，同时，有害物质管理标准参考GB/T 30512-2014执行。汽车生产企业作为污染控制的责任主体，开始对有害物质和两率管控做出积极应对。

根据国标GB/T 30512-2014标准要求，对汽车中六种有害物质铅或其化合物，汞或其化合物，镉或其化合物，六价铬，多溴联苯和多溴二苯醚进行了管控和限制。其中，除豁免情况外，镉在均质材料中的质量百分数不能超过0.01%，其他五种有害物质在均质材料中的质量百分数不能超过0.1%。

目前，M1类乘用车涉及到的仍在豁免的有害物质仅为铅和多溴二苯醚。具体豁免情况如下表所示。

3 汽车座椅结构及有害物质主要分布情况

以驾驶员座椅为例，主要由头枕、座椅骨架、靠背、坐垫、座套、安全带总成、滑轨、位置调节器等零部件构成，如下图所示。

组成座椅总成的材料主要可以分为4大类，分别是金属，塑料，织物或皮革以焊料。其对应的主要零部件及易超标点列于下表：

根据企业申報数据来看，目前座椅骨架、驾驶员侧安全带总成、线束及焊料中仍存在有害物质铅，这些铅来源于钢材，铝材，铜合金已经含铅焊料等材料。座套中，多溴联苯醚作为溴系阻燃剂也时常出现。

4 替代技术发展趋势

4.1 钢材

GB/T 30512-2014中豁免的钢材主要包括两种，机械加工用钢和镀锌钢。机械加工用钢中加入铅主要是用于改善机加工性能、降低机加工成本以及获得更好的表面光洁度和更精确的尺寸控制。座椅中靠背骨架、滑轨，安全带中均存在。主要含铅的钢材类型有11SMnPb37、10SPb20、11SMnPb30、12L14、60SPb22、SUM24L、S300Pb、SUM22L、SUM20L、Y08Pb、Y15Pb、Y45MnSPb等。在锌锅中加入一定量的铅，主要是为了增加锌液的流动性，保护坩埚等。针对机加工目的加入的铅，各类实验尝试使用锡、铋、硫、碲、磷和钙等元素代替铅。使用替代元素的钢材，在单一的加工性试验中可能显示出某些可接受性能，但在整体性能上，均比含铅钢要差。对于连续镀锌钢板，由于所需要加工的部件结构复杂，体积小或对性能要求更高，目前也难以找到合适的满足要求的替代产品。

4.2 铝合金

目前铝合金中含有铅的主要原因有三：（1）提高机械加工性能;（2）提高防腐能力;（3）回收铝引入。目前汽车上常用的铝合金牌号ADC12、AlSi9Cu3（Fe）、AlSi12Cu1（Fe）、EN AC-AlSi12Cu1（Fe）和EN-AC AlSi9Cu4（Fe）等，其对铅含量的限值要求一般为<0.2%和<0.35%，已经超出法规要求的0.1%，但是在豁免范围内。而目前研究发现，可以通过在铝合金中加入一些合金元素如Cu，Sn，Bi等元素提高铝合金的切削性能，加入Mn，Si等提高其强度及细化晶粒[1]。但是实验发现，加入不同含量的合金元素以及在不同工作条件下的合金，其综合性能会有差异[2]。目前，对环境没有影响的无铅铝合金还没有在国内推广，还需要就此做进一步的深入研发。

4.3 铜合金

铜合金在汽车中分布很广，在汽车座椅中，主要存在于安全带插锁及一些小型轴类等零部件，铅含量普遍在1.5-4%左右。主要含铅的铜合金类型为铅黄铜，部分青铜、白铜中也会含有铅。其中铅黄铜中标准规定含铅最高可达3.5-4.5%（HPb57-4），高于目前GB/T30512对于铜合金的豁免限值要求，很容易会超标。根据文献记录，研究人员对非常具有前景的无铅铜合金（CuZn21Si3 or CuZn31Si1）与传统铅黄铜（CuZn39Pb2和CuZn39Pb3）进行了对比测试，结果表明在导电性、易切削性、焊接性能、表面摩擦性能、成形性和密封性上，铅黄铜均优于硅黄铜。因此，无论在电气部件还是在结构件上，目前硅黄铜还无法替代铅黄铜。铜合金中的铅，目前还不能被完全替代。

4.4 焊料

目前的无铅焊料技术有几十种甚至上百种，但是很多都处于实验室水平，还有一些由于性能或成本的原因没有得到广泛应用。所以这里我们总结了4种主流无铅焊料。第一种是Sn-Ag-Cu类。这类焊料分为3个系列，分别是Sn-Ag-Cu、Sn-Ag和Sn-Cu。这三种焊料已经实现了产业化应用。其中Sn-Ag-Cu、Sn-Ag主要用于回流焊，比如贴片电容电阻。Sn-Cu主要用于波峰焊，比如带有引脚的焊接。从纯技术角度看，Sn-Ag-Cu（SAC）（熔点217℃）焊料比其他两种熔点最接近传统Sn63-Pb37（熔点183℃）焊料，被认为是最佳选择。据统计，欧洲回流焊和波峰焊工艺中，上述三种焊料使用占比均在90%以上，完全占据主导，是Sn-Pb焊料的真正替代品。但是由于Ag属于贵金属，且Sn-Ag-Cu类焊料整体平均熔点较传统Sn-Pb焊料高，因此涉及到的设备改造成本也不容小觑。第二种是Sn-Zn焊料，这种焊料相比Sn-Ag-Cu类更有优势：其一，Zn元素比Ag便宜，资源储量丰富;其二，Sn-Zn焊料熔点低（199℃），更接近于传统Sn-Pb焊料;其三，Sn-Zn焊料在力学性能上表现也不错。但是由于Zn元素属于活泼金属，不稳定，极易氧化，导致Sn-Zn焊料的抗氧化性、润湿性和耐腐蚀性能较差，这也是Sn-Pb系焊料没有普及的其中一个原因。不过这点可以通过添加合金元素以及纳米颗粒化等方式改善Sn-Zn焊料的不足。第三类是Sn-Bi系焊料，这是一类低温焊料（熔点约138℃）。由于出色的低温焊接适用性、成本低廉、良好的环保性能，成为目前主要的低温无铅焊料。典型焊料类型有：SnBi58、SnBi57Ag1、SnBi35Ag1、SnBi30Cu0.5等。Sn-Bi焊料成为主要Sn-Pb替代焊料的原因之一就是低的熔点，大约138度。明显低于传统Sn37Pb焊料（183℃），低熔点具有很大的工艺兼容性优势，除了一些对温度有要求的部件以外，其他元件基本可以兼容，因此对原有的元件、设备和工艺不会产生较大变动。此外，从力学性能来看，润湿性、热膨胀改变、弹性等也都优于传统的SnPb系。第四类是Sn-Au系列。这是一类高温焊料。但由于Au的价格高昂，目前主要应用于一些高尖端产品，并没有收集到用于汽车产品中的应用实例，这里不做更多介绍。

4.5 六价铬

涂镀层当中常会使用一些铬酸盐的粘结剂，由于此外，座套中可能存在的多溴二苯醚由于其致癌性，也被列入了禁用物质清单，其中，仅有十溴联苯醚作为阻燃剂依然豁免。目前在研究的和已经有应用的替代技术很多，本文选取作者认为比较有发展前景的氢氧化镁无机阻燃剂做简要介绍。

4.6 多溴联苯/多溴二苯醚

氢氧化镁阻燃剂的阻燃机理来源于其特殊的热分解性能，氢氧化镁受热分解为氧化镁和水蒸气。这种阻燃剂非常环保，在整个生产、使用和废弃过程均无污染，是较为理想的环保型阻燃剂;并且氢氧化镁不会由于加入过量添加而导致材料性能的明显下降。此外，从成本方面看，由于我国镁资源丰富，储量世界第一，长远看具备成本优势。

5 总结

本文通过对汽车座椅中的用材及有害物质分布情况的分析，同时基于GB/T30512-2014中对禁用物质的限制要求及豁免范围，对目前汽车座椅中可能存在的有害物质进行替代技术可行性分析及介绍。通过对比研究发现，目前铅、六价铬，多溴联苯等有害物质在汽车中仍不能实现完全替代，但是在无铅焊料，三价铬替代和环保阻燃剂等方面，已经积累一定研究基础，并且很多都已经实现推广应用，对于未来汽车产品中实现全面有害物质替代打下坚实基础。

参考文献：

[1]尹志民.无铅易切削铝合金[J].材料导报.2006年12月第20卷第12期，P62-65.

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