聚氨酯材料在汽车工业中的应用及发展方向

2020-01-14韩玲

化工设计通讯 2020年6期

韩玲

（万华节能科技集团股份有限公司，山东烟台 264000）

在我国经济发展中，汽车工业的发展是一项主要的经济支柱，带动了工业生产进步的同时促进了科技的发展进程。随着人们不断提升的需求，塑料制品特别是聚氨酯材料被广泛应用在汽车工业中。聚氨酯材料具有成本低、性能好、加工工艺简单等优势，其中质量较轻优势使其能够代替金属材料，实现汽车的轻量化，推进汽车节能环保发展进程。

1 汽车部件中聚氨酯材料的应用

1.1 硬泡与软泡

在汽车工业发展中，聚氨酯硬泡和软泡主要应用于坐垫和靠背以及头枕部件。聚氨酯软泡的生产工艺有模塑成形工艺和块状成形工艺，其中聚氨酯软泡模塑成形产品具有极强的舒服性，这也成了汽车座椅的主要制作材料，直至目前依然没有其他可以取代。模塑软泡材料的另一个用途可以用来制作汽车地毯，主要是利用其减震降噪功能，提升舒适度。块状软泡在汽车工业中主要用来制作座椅面层和汽车的顶棚面层部分。块状硬泡材料在汽车顶棚复合成型时使用，硬泡密度在20～40kg/m3。这种材料也可用在汽车车门内饰以及前、后保险杠部件的内衬位置[1]。

1.2 自结皮和半硬泡

由于半硬泡的吸音降噪功能比较强，因此在汽车中一般用在引擎盖下装饰的板材以及前围侧的装饰板。随着人们越来越重视驾乘舒适度，这种半硬泡汽车装饰部件也已经逐渐朝着普通车推广应用。自结皮产品通常情况下应用在汽车的方向盘和扶手处，然而由于HCFC-141b逐渐被限制使用，自结皮产品也已经由氟发泡体系逐渐朝着环戊烷发泡体系转换。

1.3 反应注射成型（RIM）

RIM产品是通过聚氨酯反应注塑成型的一大类统称，其中包括了SRIM、RRIM、LFI等。这种产品在小汽车上的使用率比较低，一般只是用在引擎盖、翼子板等部件，用来替代传统的金属部件，实现轻量化目标。科思创将卡车的传统钢材底盘更换为碳纤维增强的聚氨酯RIM产品，可降低车身重量，减少燃油消耗量和二氧化碳排放量。

1.4 CASE应用

CASE是胶黏剂、涂料、密封剂、弹性体的统称。在汽车行业中聚氨酯材料应用于CASE方面比较广[2]，主要是由于其具有良好的耐候性能，汽车中所使用的几乎都是聚氨酯漆；由于聚氨酯胶的黏结性较强，因此也被应用在车身焊接工艺中；聚氨酯还具有一定的密封性，在密封件中替代了橡胶密封；在弹性方面聚氨酯具有一定的优势，通常情况下被应用在汽车的三角窗包边以及低速车轮胎中。

1.5 TPU以及其他

TPU是热塑性聚氨酯弹性体，主要用于汽车的仪表板表皮以及座椅面套，分别取代了PVC材质的面套和PVC搪塑表皮，这种材料的耐候性与手感都远远超出了PVC材料，并且还能阻止塑化剂挥发，极大提升了汽车空间的空气质量。现阶段汽车行业中，后备厢板材常用聚氨酯复合材料替代以往的毛毡或木粉板材料，被称之为PHC板。这种材料是由纸蜂窝芯以及玻璃纤维布（两层）组合而成，两面采用聚氨酯进行喷涂，然后经过高温模压工序制成，具有高强度、低密度等特性，广泛应用于SUV车型上。当前不仅科思创等外企，上海拜宏科技公司等国内许多企业也在应用这项技术。

2 汽车中应用聚氨酯材料的发展

2.1 轻量化发展

汽车在轻量化发展中，聚氨酯材料是一种应用范围比较广的材料，同时也是非常有发展前景的材料。现阶段主要在新能源和轿车方面应用力度比较大，以此实现汽车轻量化发展。汽车的轻量化是为了减少汽车尾气排放，提升燃油的使用率，并且轻量化也是实现节能减排的一种有效方式。用聚氨酯材料替换汽车上的金属材料是目前汽车行业轻量化发展的主要形式。由于聚氨酯材料有良好的可塑性，在汽车制造中从车厢到外部件，软材质、硬材质、轻质量型等都会应用到聚氨酯材料。当前除了车身的构架结构采用的是镁铝合金材料，聚氨酯材料被大量应用在汽车的外部如四门两盖中，代替以往的钢材质，实现汽车的轻量化。科思创曾用聚氨酯材料制备了一种三明治车顶模块，这使车身的保温性和抗折能力都得到了有效的提升，还减轻了车身的重量[3]。

2.2 舒适性发展

随着社会经济的发展，消费者对汽车舒适度的要求越来越高，同时为了满足社会的节能减排理念，低碳型汽车逐渐被研发出来，而在汽车中聚氨酯材料可以满足这两项要求。比如聚氨酯泡沫塑料能够随着配方的改变而产生不同的性质，比如质量轻、隔热强、回弹能力高、舒适性强、安全性高、耐用、低温性能好、吸振性高等性质，尤其是在NVH（车内噪声、振动和声振粗糙度）领域的应用，聚氨酯材料具有独特的优势。针对隔音效果方面，应用聚氨酯材料已经成为高档汽车中的标准配置。即使在低档汽车中，聚氨酯材料如毛毡等的应用也比较普遍。在抗震方面，高弹性聚氨酯材料的应用也比较多。

2.3 环保发展

目前在汽车内饰中使用的传统泡沫材料、涂料、胶黏剂等产生的VOC（挥发性有机化合物），会对车内的空气产生污染，严重影响乘车人的身体健康。《乘用车内空气质量评价指南》等相关文件对汽车内空气的有害物质浓度给予了明确的要求，对VOC的要求越来越严格[4]。当汽车内部VOC浓度达到一定程度时，人们会在短时间内感受到头痛、恶心、乏力、呕吐的现象，甚至会出现昏迷、抽搐的情况，严重时会损伤肾脏、肝脏以及大脑神经系统，从而对人们的生命产生严重的威胁。聚氨酯新材料是环保发展路上的一种新途径。对于汽车的内饰部件VOC的管理控制面临着巨大的挑战，已经成为汽车行业、内饰部件产业、聚氨酯材料行业不断提升自身生产水平的一个推动力量。此外生物聚氨酯的应用也是汽车行业发展的一项主要方向，这种材料更多来自玉米中的多元醇物质，环保性能更高。多数聚氨酯材料产自于石油，而石油是一种不可再生资源，从环保和可持续发展上来说，生物聚氨酯材料具有广阔的发展空间。