聚氨酯自结皮泡沫塑料在汽车饰件上的应用及研究

摘 要：概述了聚氨酯自结皮泡沫塑料的定义及其在汽车饰件上的应用，重点介绍了聚氨酯自结皮泡沫塑料制品的成型工艺、性能指标和主要的生产设备、模具等，提出了聚氨酯自结皮泡沫塑料制品今后主要的发展方向。

关键词：聚氨酯自结皮泡沫塑料 反应注射模塑 成型工艺

据中国汽车工业协会公布，2012年，全国汽车产销1927.18万辆和1930.64万辆，同比分别增长4.6%和4.3%，比上年同期分别提高3.8个百分点和1.9个百分点，增速稳中有进。按照汽车“十二五”规划，到2015年将形成2500万辆产能。从目前各企业已透露出的产能规模到2015年，我国汽车实际产能将达到5300万辆。随着我国汽车工业产能产量和规模的大幅提升，消费者也将更加注重汽车的质量和技术水平。轻量化、绿色环保、舒适安全，将成为我国汽车用材料未来发展的三大主题[1]。聚氨酯材料的大量应用不仅可以实现汽车的轻量化和节能降耗，而且还可以改善汽车的装饰性、舒适性、耐用性和安全性[2]。其中聚氨酯自结皮泡沫塑料因具有柔软的泡芯和坚固的表面，制品牢固而富有弹性，手感好，表面可再现模腔表面的绞理如桔皮纹等，制品也可进行涂装加工处理，所以广泛用于汽车方向盘、变速杆手柄、线束护套、按钮开关、空气滤清器垫圈、扶手、头枕、衬及止推块、门窗立柱、仪表板、喇叭盖等汽车饰件上[3]。

一、聚氨酯自结皮泡沫塑料的定义及其在汽车饰件上的应用

聚氨酯自结皮泡沫塑料，又称整皮模塑泡沫塑料，简称ISF。它不用其它塑料做表面材料，依靠发泡组分在发泡成形时，一次性形成表材与泡沫芯材，也就是利用特殊工艺将聚氨酯组分一次形成带坚实表皮的泡沫塑料制品。由于自结皮泡沫带有高强度的外表皮，所以其制品的总的物理机械性能大大超过相同密度的普通聚氨酯泡沫性能。反之，在要求相同物性的前提下，只需较低密度的自结皮制品。这样，在保质的前提下，达到节省用量，降低制品成本的目的[4]。

聚氨酯自结皮泡沫塑料在汽车饰件上的应用比较广泛，主要有以下几个方面：汽车扶手和变速杆手柄用自结皮泡沫包裹，可以模塑成型和添加颜料，使制品有美丽的花纹、需要的颜色、舒适的手感；自结皮软泡可作为汽车坐垫的头枕，新型汽车支撑架头使用钢管插入件，周围包裹约20mm厚的整皮泡沫层；聚氨酯自结皮泡沫塑料作为汽车方向盘的主要包覆材料，使得制品手感好，并有防震效果；聚氨酯自结皮泡沫塑料在吸能应用方面可用在汽车仪表板、防震垫上，外部可作为保险杠，能够吸收50～80%由于撞击产生的能量，使驾乘人员的伤害减少到最小程度[5]。

二、聚氨酯自结皮泡沫塑料制品的成型工艺及性能指标

1.聚氨酯自结皮泡沫塑料制品的成型工艺介绍——反应注射成型 RIM（Reaction Injection Molding）

聚氨酯自结皮泡沫制品的生产一般采用反应注射成型（RIM） 工艺制成，RIM是把多种高反应活性的液体原料通过混合头，注射到密闭模具中进行反应成型而得到制品的工艺方法，在此基础上还发展了增强反应注射成型（RRIM）和结构反应注射成型（SRIM） [2]。RIM是一种很有发展前途的聚氨酯制品工艺，主要优点有以下几方面：

1.1缩短产品开发周期，降低产品开发成本

RIM工艺对模具的要求比较低，模具通常采用环氧树脂或铝做材料，故其成本和加工周期只相当于注塑模具的很少一部分，可大大缩短产品开发周期和节省产品开发成本，快速进入市场占有先机。

1.2可成型较大面积的制品且外观和结构质量好

RIM 工艺成型的制品尺寸稳定，外表美观（可达A级曲面），耐冲击性及耐腐蚀性良好（可以达到PC/ABS的性能），对成型较大面积的壳体具有不可比拟的优势。

1.3制品封装镶嵌件工艺简单

很多种嵌入件都可以在注入RIM材料前放入模具中，这样，在成型过程中RIM材料就完成了嵌入件的封装，进而减少甚至是消除二次加工环节。

1.4模内漆喷涂工艺方便

在RIM工艺中，可以在注射前将胶衣和聚氨酯漆涂在模具中。胶衣或聚氨酯漆在成型过程中和聚氨酯材料结合为一体，从而在模具内完成了零件的装饰，大大降低了二次喷漆的费用及提高后处理效率。

因此RIM工艺其卓越的产品性能广泛应用于汽车零部件及改装零部件、工程机械覆盖件、医疗设备，仪器仪表、电子、机械设备覆盖件，工业部件、化工部件、运动休闲等领域。

2.聚氨酯自结皮泡沫塑料制品的生产工艺流程

2.1生产工艺流程：如下图所示[6]

2.2组合料生产工艺

聚氨酯自结皮组合料主料包括多元醇组分（A组分）和异氰酸酯组分（B组分）。

2.2.1多元醇组分（A组分）的配制采用一步法工艺，原材料包括主料聚醚多元醇、聚合物多元醇，小料是各种助剂：催化剂、发泡剂、表面活性剂、交联剂、颜料、链增长剂等[3].

2.2.2异氰酸酯组分（B组分）是异氰酸酯的混合物。通常使用的异氰酸酯为改性纯MDI（二苯基甲烷二异氰酸酯）或液化MDI。液化MDI的储存性好，常温下为液态，同时生产的制品机械强度优于改性MDI。

2.3发泡生产工艺

2.3.1点检：按照各设备的使用要求进行设备点检后，检查发泡机料罐液位检查，如不足及时添加组合料。

2.3.2浇注：确认浇注工位与模具相应一致后，将发泡剂墙头插入模具喷嘴内按预先设定的时间浇注，并倾斜模架。

2.3.3清模及喷涂脱模剂：在制品取出后，仔细清扫模具并均匀喷涂脱模剂。

2.3.4如需要，喷涂模内漆。

2.3.5安装嵌件：如有嵌件，按照要求装配好嵌件，闭合模具。

2.3.6开模、取件：在熟化完成后，倾斜模架，开启模具，松脱嵌件固定装置，取出制品。

2.3.7制品的修饰：制品取出后，马上进行修剪浇口及排气孔处的预料，并进行外观质量检查。

3.制品的性能指标

三、聚氨酯自结皮泡沫塑料制品的生产设备与模具

1.生产设备

聚氨酯自结皮泡沫塑料制品必要的生产设备包括发泡机、模架系统、转台系统、模温控制系统等。

1.1发泡设备（高压发泡机）

自结皮泡沫生产可用低压发泡机，也可用高压发泡机，低压发泡机一次投资成本低，高压发泡机一次投资成本高，但高压发泡机生产的制品性能比低压发泡机生产的要好，而且不用清洗，降低生产成本，缩短生产周期，无环境污染。

高压发泡机主要工作原理：料罐中的A、B料经计量泵准确计量后，进入高压回路，在浇注头处高压碰撞混合后由活塞推出。设备原理图见图2。

1.2转台系统

因浇注头的移动范围有限，若模架数量较多时需使用转台系统。转台采用自动间歇式或连续运转、变频调速器调整转速，根据需要，具有自动（手动）开合模，自动识别模架等功能。转台有圆形转台、椭圆形转台等不同方式，可根据实际生产规模需要选择。圆形转台放置模架数量一般不超过18个，模架数量大于18个一般采用椭圆形转台。两种形式的转台示意图分别见图3和图4。

1.3模架系统

模具的开、闭模系统可根据模具的大小设计，较小的模具可设计为人工开闭形式，较大的模具需模架系统。

模架系统的主要功能是支撑模具，并固定模具位置。为了使操作者较容易的开、关模具，动力装置可设计为气动系统或液压系统。

2.模具

模具的材质通常为金属、树脂或硅橡胶。金属模具强度高，导热性好，有利于表皮的形成，使用寿命长。树脂模具导热性差，使用寿命也不及金属模具长，但价格低。硅橡胶模具因为材料强度低也不适合大规模生产。

设计模具时要考虑制品的收缩性，收缩率随制品的密度不同而不同，制品密度大，收缩率小。模具要耐压，一般要求承受0.8MPa的发泡压力。 模具浇口设计方法有两种：一种是直接充填式浇口；另一种是膜状浇口。 模具排气位置应是制品出模位置的最高点，设计模具是应考虑到生产工艺的要求，也要考虑生产的可操作性。

四、发展方向

随着环保意识日益深入人心，聚氨酯自结皮泡沫塑料制品的一些生产工艺弊端越来越引起人们的重视，为了顺应汽车工业在环保性、舒适性及再生性等方面上的要求，汽车用聚氨酯自结皮材料今后主要的研究和发展方向有以下几个方面：

1.全面推广使用全水发泡剂的组合料，以水作为发泡剂其臭氧破坏效应ODP值为零，无毒副作用，且全水泡沫制备工艺简便，对设备的要求很低，具有广阔的发展前景[7]。

2.开发低成本的无毒、水性溶剂的脱模剂、模内漆等新材料，以满足聚氨酯泡沫产品清洁生产的要求。

3.积极研制和开发可生物降解的、环境友好的、无毒的、阻燃的、抗老化的、耐候的等特殊功能强的、具有再生能力的新型聚氨酯自结皮产品[8]。

参考文献

[1]张文琪 聚氨酯产品在汽车中的应用[J]。塑料助剂，2012.01：19-23

[2]郑成刚 聚氨酯材料在汽车上的应用及发展状况[J]。汽车工艺与材料，2005，03：21-24.

[3]韩宝乐，于文杰，陈归德.用聚合物多元醇制备自结皮么聚氨酯泡沫[J].化学推进剂与高分子材料，2007，5（1）：1-6

[4]石晓，庞顺强. 用聚合物多元醇制备自结皮聚氨酯泡沫[J].热固性树脂，2003，18（6）：7-9.

[5]王伟明，徐永汉. 聚氨酯自结皮汽车方向盘的制造技术[J]。中国塑料，1994，3.

[6]张玉龙，张子钦. 泡沫塑料制品[M].北京：国防工业出版社，2006.

[7]宋聪梅，童俊，罗振扬. 全水发泡聚氨酯硬泡的开发[A].2003中国聚氨酯行业整体淘汰ODS国际论坛论文集：249-260.

[8]李光耀，张霞. 汽车工业与聚氨酯[J].汽车设计及制造，2007，10：30-31.