低成本轻量化EPP材料在汽车内饰顶棚设计中的应用研究

摘 要：随着新能源汽车越来越受人们青睐，目前汽车市场及零部件竞争力越来越大，传统的汽车及零部件设计方案虽可满足常规需求，但优势已越来越低。特别是汽车内饰方面，已经是非常成熟的设计及应用，成本已经是很透明的，重量也是越来越达到目前现有行业水平设计状态极限，所以，内饰设计应用的瓶颈越来越明显。为了新能源汽车的崛起及打破这一瓶颈，必须寻找新的创新思路，故降本、减重、环保型聚丙烯发泡材料作为顶棚基材替代原有传统方案是颠覆汽车行业汽车产品应用的一创新亮点。文章以该创新亮点为研究对象，对其进行对标目标的分析、设计方案的分析、实验验证的优化，并通过相应改善以达到降本、减重、提高环保性能的效果，属汽车行业内饰零部件产品的前瞻应用领域。

关键词：聚丙烯物理发泡 轻量化 低成本 高环保 汽车内饰零部件产品应用

1 前言

汽车顶棚是汽车重要的内饰零部件之一，是对乘客防护、及其外观装饰的必要零部件。目前市面上的顶棚使用基材材料是PP玻纤板及PU玻纤板，材料构成均为层压复合结构，分为面料层、基材层、面料层、胶水层、附件层，其中面料层作为产品表面，基材层提供产品强度支撑，通过添加玻纤增强强度，附件层用于提供局部强度（天窗框加强板）、安装附件（阅读灯）及与汽车其他部件匹配（垫块）；工艺复杂，生产过程对人体有害，含有多层胶水，气味、VOC性能差。而发泡聚丙烯作为基材的顶棚，其生产工艺简单，采用三层结构（面料层、胶水层、基材层），胶水层用于连接，通过设计加强筋的方式增加整体强度，与顶棚附件及周边件配合结构一体发泡成型，从而达到减重降本、提高环保性能的效果，且结构简单，工艺简化，基材可全部回收利用。

2 发泡聚丙烯材料在汽车顶棚上的应用可行性分析

2.1 发泡聚丙烯材料市场应用前景

发泡聚丙烯（即EPP）是一种有着较高物理性能的高结晶型聚丙烯/二氧化碳复合材料，因其优越的性能，使其成为应用增长最快的新型环保材料。发泡聚丙烯产品具有良好的抗震吸能性能、良好的耐热性、形变回复率高、耐化学品性、耐油性以及保温隔热性，另外，发泡聚丙烯质量轻，在降重方面的优势很突出，且发泡聚丙烯是一种绿色环保、无毒材料，材料可以全部回收再利用，不会造成白色污染。因其优越的性能和低成本，EPP广泛应用于汽车、电子、食品包装、绝缘、建筑、工业等各行各业行业。顶棚使用的EPP材料发泡倍率常规在10-15倍率，重量相对传统顶棚较轻，且可一体成型天窗加强框，优势较为突出，总体单个顶棚成品成本可降低约37%，重量可降低约45%，基于目前顶棚的现状，为达到显著的减重降本目的，只有颠覆传统的顶棚结构、材料及生产工艺才能达成，而EPP顶棚就是对于传统顶棚的颠覆；采用EPP一体成型方式替代PU玻纤板模压及省去传统的胶粘天窗加强框方式，取消单独的天窗口加强框，降低模具、人工、材料费用达到降本、减重目的，应用前景较为突出。

2.2 聚丙烯发泡材料作为顶棚的基材使用在加工成型工艺上的可行性

天窗版顶棚是降本、减重的一个难点，汽车顶棚作为汽车内饰的一个重要装饰零部件，传统的设计结构是顶棚基材加面料通过模压工艺复合。基材需要具有一定的刚性且有着良好的隔吸音性能，常用的材料是PU发泡复合板，顶棚基材发泡后切片撒玻纤预制为片材，在模内模压成型与面料复合，天窗口位置基材需要切掉同时做翻边，天窗版顶棚由于顶棚中间镂空，工艺限制，顶棚不能局部加厚，只能通过增加加强框的方式来保证天窗口的强度，需要在顶棚天窗口四周增加粘一个金属或高强度塑料天窗口加强框，来保证顶棚强度，目前顶棚材质、工艺已经十分成熟且趋同，成本、重量已达到瓶颈，减重降本的空间已很小，同时发泡、复合过程中会添加化学发泡剂、胶水，造成气味差、VOC含量较高；图1所示的就是一个典型的天窗顶棚，主要是顶棚面料、基材和天窗口加强框以及一些附件，天窗口一圈就是金属加强框。但EPP顶棚可以解决此难点，首先是EPP顶棚基材的生产工艺是物理发泡，EPP顶棚基材是通过模内发泡成型实现的，所以厚度是可以调节的，其次对于天窗版顶棚来说，可以在天窗口位置局部加厚，还可以做加强筋来提升强度，同时天窗口镂空位置可以不发泡，节省原材料的使用，因此相对于传统顶棚干法成型和湿法成型来说，天窗口越大成本、重量优势越明显。 EPP采用的是CO2气体物理发泡，而传统PU板采用化学发泡，生产过程中会减少胶水用量，有利于环保性能提升；传统的顶棚通过在PU发泡时撒玻纤来提高顶棚的刚性，EPP顶棚则可以像塑料件一样，通过在背部增加加强筋来提高刚度，相对来说更能灵活地控制其刚性性能。图2是EPP顶棚一体式发泡成型工艺流程示意图；图3是传统PU顶棚基材化学发泡过程工艺流程图。

EPP主要成分是聚丙烯，自身气味性较低，采用CO2物理发泡，发泡过程中不需要添加化学物质，不产生挥发性物质。EPP珠粒要先经过预压成型，并使EPP珠粒表面熔接到一起而成型。脱模冷却后模具再经过一定温度下稳定化处理，并释放产品内应力，而后得到EPP产品，如下图4、图5 EPP成型顶棚基材产品。

聚氨酯即PU，自身气味性较低，在发泡过程中需要添加稳定剂、胺类催化剂，生产过程中会添加聚化剂、发泡剂、交联剂、软化剂、抗氧化剂、着色剂等添加剂，会使气味性下降，产生大量的挥发性物质。

2.3 面料复合以及物理性能的可行性

常规的顶棚复合面料工艺是通过喷胶后模内保压复合，或基材加热后靠自身胶质融化与面料复合在模内保压复合。EPP基材顶棚采用相同工艺，首先EPP顶棚基材发泡成型后，先进行烘烤、冷却，之后在顶棚基材上进行喷胶面料复合，模内保压复合面料。工艺与传统工艺相同，降低了开发难度。

EPP物理性能比重轻，密度一般为17～100kg/m3，可以根据产品性能需求，选用合适密度的预发泡EPP珠粒原料；EPP耐温能力强，通常情况下可承受-40℃～110℃的温度，在短时间内的耐温度范围会更大；EPP缓冲性能好，即使在支持层不厚的情况下也能起到很好的缓冲作用；具有良好的保护性能，EPP是半硬质形态，具有一定的硬度、柔软性，不会擦伤、碰伤与其接触的物体，可以很好的保护物体，防护作用较好；隔热性好，EPP是由独立气泡构成，热传导率低，透水性小，作为隔热材料以及浮力材料使用较受欢迎；可以100%的回收利用。当EPP与其他聚丙烯如PP薄膜、注塑骨架等结合在一起时，还可实现所谓的“材料一体化系统”，即整个零部件在被回收利用时不需要进行拆解；环保无异味，EPP产品气味等级在2.5以内（1-6级气味等级评价），能通过所有汽车主机厂对汽车内饰的气味要求，挥发性有机物含量能降低50％以上。以上优越的物理性能，使EPP发泡在同类发泡产品中脱颖而出，用在汽车内饰顶棚上也是趋势所在。

2.4 EPP基材顶棚经济效益可行性分析

传统乘用车顶棚基材材料、结构及工艺已十分成熟且趋同，价格、环保属性已经到达瓶颈，在不降低性能的情况下，降本及环保性能改善空间很小；颠覆传统的EPP顶棚基材材料、工艺及结构可以达到显著的降本、降重及提升环保性能的目标。表1是在某一款车型传统顶棚成本分析。

由上表信息可以看出天窗口加强框及顶棚基材在顶棚总成的成本、重量、模具费占比较高，为降本降重主要方向；而EPP顶棚的应用则解决了这一痛点。顶棚基材由传统PU发泡切片模压工艺改为EPP发泡工艺，可通过在顶棚天窗口位置增加基材厚度和做加强筋的方式，替代传统的单独的天窗口加强框来达到降低成本及开发费用的目的；通过降低EPP发泡倍率方式实现薄壁化，同时取消单独的顶棚加强框，EPP发泡顶棚重量不高于PU顶棚，天窗口越大，降重效果越明显，EPP顶棚在基材和天窗加强框上可降本37%，减重2kg，占比45%，同时省去了天窗加强框模具费80万元，经济效益十分显著，打破行业技术水平。

2.5 EPP发泡材料在内饰产品应用的未来趋势

EPP发泡因其优越的物理性能及其成本的优势，应用于汽车顶棚内饰上是大趋势所在，客观的减重降本效果，可给车企带来很可观的经济效益，同时减重效果优异，可达整车到节能减排的效果，符合可持续发展战略。EPP发泡不仅仅应用于汽车内饰顶棚，也可拓展应用于内饰地毯、行李舱系统零部件、甚至可替代传统PP塑料件如门板、立柱、仪表板，目前我司已经制作出门板、立柱等产品验证确实可行。由于目前技术还比较前瞻，技术不够成熟，目前只有个别零部件厂家可以配套生产，待技术成熟，这即将是行业又一颠覆创新。

3 PP发泡在汽车顶棚上的应用试验规划

汽车顶棚需要通过一系列的零部件实验才可以在整车上使用，同样的EPP顶棚也需要通过一系列实验才可以应用于汽车上。由于EPP顶棚在国内外的应用很少，目前处于刚起步的阶段，所以推进起来也很难，能够愿意提供支持的供应商很少，大部分的厂家更倾向于成熟的技术，所以前期方案验证也花了很多时间和经历，但是做成后，相对于传统车企，可以做到更低的成本、重量和更环保的产品，提升汽车卖点优势和核心竞争力，目前EPP顶棚实验已通过企业标准，后续在新项目上应用将进一步验证落实零件级别实验、系统级别实验、特别是整车耐久实验，是一轮比较长时间的验证，其整车实验周期时间较长，花费人力、开发费用也比较高。

4 结论

目前市场上主流的PU基材顶棚，气味、VOC等环保性能已经达到瓶颈，在环保要求日益严苛的今天，为了满足环保性能要求，需额外增加处理手段，如烘烤、喷撒除醛剂等，原材料及制造成本上升压力巨大，不符合降重降本及节能环保的汽车行业发展趋势，EPP基材顶棚使用EPP珠粒CO2发泡技术，在基材成型过程中无化学试剂添加，天窗版顶棚采用天窗口背面做筋加强替代传统的天窗口加强框胶粘方式加强，通过从原材料和制造工艺及结构等方面进行突破，实现有效的降本、降重、提升气味性等级及降低VOC含量的目的，符合国家及行业节能环保降重趋势，目前国内部分车企及顶棚供应商已经开始EPP基材顶棚的研究，基于EPP基材顶棚与传统顶棚设计、工艺及结构差异，EPP顶棚技术还需要进行更多的验证及改进，若EPP基材顶棚技术成熟，可以全方位的替代传统基材顶棚，实现行业的颠覆性突破。

参考文献：

[1]徐亚君，等.一种车内外装饰板及应用其的汽车[J].使用新型专利，2020.

[2]曹渡，苏忠.汽车内外饰设计与实战手册[M].北京：机械工业出版社，2017．