李書鵬 ，李波 ，胡斌 ，項(xiàng)林憶 ，何光建

(1.廣州汽車集團(tuán)股份有限公司汽車工程研究院，廣州 511434；2.華南理工大學(xué)聚合物成型加工工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東省高分子先進(jìn)制造技術(shù)及裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州 510640)

隨著國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，汽車在人們的日常生活中越來越大眾化。同時(shí)，隨著生活品質(zhì)的提高，消費(fèi)者對汽車內(nèi)飾材料的高觸感性要求也越來越高。汽車內(nèi)飾材料主要是指用在汽車駕駛艙內(nèi)部零件上的、涉及到汽車內(nèi)飾表面感知的零件，比如儀表板、副儀表板、座椅表皮、頂棚、門飾板等。此類型的內(nèi)飾材料是與人們接觸較多的區(qū)域，其觸感直接影響車內(nèi)的感知品質(zhì)和消費(fèi)者的駕乘體驗(yàn)。因此，研究軟觸感的汽車用內(nèi)飾材料、改進(jìn)對軟觸感汽車內(nèi)飾材料的評價(jià)方法，對于促進(jìn)汽車內(nèi)飾材料的發(fā)展和汽車品質(zhì)的提升都具有重要意義。筆者主要對汽車儀表板區(qū)和座椅表皮區(qū)的軟觸感材料及觸感表征方法進(jìn)行評述，并對軟觸感未來的發(fā)展進(jìn)行展望。

1 軟觸感內(nèi)飾材料進(jìn)展

儀表板區(qū)和座椅表皮材料是汽車中直接與消費(fèi)者接觸最多的內(nèi)飾材料，為了營造良好的內(nèi)飾氛圍和使用體驗(yàn)，目前，應(yīng)用于儀表板區(qū)和座椅表皮的高觸感內(nèi)飾材料得到了廣泛研究。

1．1 軟觸感聚丙烯

聚丙烯(PP)由于具有密度低、來源廣、價(jià)格低、耐高溫、耐腐蝕、無毒無味、易加工改性等優(yōu)點(diǎn)被廣泛用作汽車內(nèi)飾材料。隨著PP 改性技術(shù)的發(fā)展，迄今PP 已成為汽車用塑料中比例最大的通用塑料品種[1]，在部分發(fā)達(dá)國家車用塑料占比例已高達(dá)50%左右。汽車儀表板是汽車中表面積較大，與人體接觸較多的內(nèi)飾件之一。目前，中低檔車大多采用傳統(tǒng)的硬質(zhì)儀表板，即傳統(tǒng)PP 直接注塑成型，這類儀表板其表面光澤度高，塑料質(zhì)感強(qiáng)，不能給人以柔軟的觸感。而在高端豪華車型中，大多使用的是柔軟觸感較好的具有三層結(jié)構(gòu)的軟質(zhì)發(fā)泡儀表板(軟質(zhì)表皮+發(fā)泡芯層+骨架構(gòu)成)，但這種儀表板成型工藝復(fù)雜且價(jià)格昂貴。因此，直接通過配方設(shè)計(jì)改性，賦予PP 軟觸感，再一次注射成型制備具有軟觸感的儀表板等內(nèi)飾件是目前制備汽車用軟觸感內(nèi)飾材料一種新的解決方案，備受PP 改性行業(yè)和汽車行業(yè)的關(guān)注。

傅軼等[2]以無規(guī)共聚PP 和丙烯基聚烯烴彈性體為原料，通過雙螺桿共混擠出制備了一系列玻璃纖維增強(qiáng)的柔軟觸感PP 材料，實(shí)現(xiàn)了PP 力學(xué)性能提高的同時(shí)兼具耐刮擦和軟觸感的性能。K. Kondo 等[3]向特殊的茂金屬催化劑制備的PP 中加入小分子酰胺類化合物也制備了一種耐刮擦、軟觸感玻璃纖維增強(qiáng)PP。周云國等[4]通過向PP 基體中加入適當(dāng)比例的彈性體和短切玻璃纖維，利用雙螺桿擠出機(jī)制備得到一種增強(qiáng)的汽車儀表板專用PP 材料，其具有表觀上的柔軟觸感，兼具高剛性以及優(yōu)異的常溫和低溫沖擊強(qiáng)度。

由于塑料制件的柔軟觸感可分為視覺觸感和手觸感兩方面。具體可描述為視線接觸時(shí)制品的低光澤度賦予材料的柔軟感覺，以及用手觸摸時(shí)制品表面具有一定的柔軟度。因此，研究者們在提升汽車內(nèi)飾用PP 材料手觸感柔軟性的同時(shí)也更加關(guān)注其視覺觸感的提升，從而達(dá)到更高層次的軟觸感性。石陽陽等[5]采用加成型液體硅橡膠對短切玻璃纖維表面潤濕，再與PP 共混擠出，在熔融擠出過程中，裸露在短切玻璃纖維表面的加成型液體硅橡膠的乙烯基在引發(fā)劑的作用下，與PP 鏈段發(fā)生接枝反應(yīng)，相互纏結(jié)，兩相達(dá)到互溶狀態(tài)，從而降低復(fù)合材料的表面硬度和表面光澤度，賦予PP 復(fù)合材料極好的軟觸感。同時(shí)，加成型液體硅橡膠一端連接短切纖維，另一端連接PP 鏈段，改善玻璃纖維與PP 界面附著力，顯著提高復(fù)合材料的力學(xué)性能，其拉伸強(qiáng)度可達(dá)23 MPa 以上，彎曲彈性模量可達(dá)1 600 MPa 以上，懸臂梁缺口沖擊強(qiáng)度可達(dá)25 kJ／m2以上，具有極高的剛韌平衡。石陽陽等[6]還采用另一種方案同樣制備出了一種適用于汽車內(nèi)飾的剛韌平衡、具有良好耐刮性、低光澤、低翹曲的軟觸感PP 復(fù)合材料。他們采用的是一種由柔軟的聚氨酯(PUR)彈性體微球構(gòu)成的絨毛粉作為軟觸感改性劑，這種絨毛粉具有橡膠彈性，且耐熱、耐溶劑、抗酸堿并具有優(yōu)異的耐刮擦性，與橡膠相比具有更好的相容性，并賦予表面產(chǎn)生絲柔般絨毛手感，利用絨毛粉的絨毛手感及彈性體的特質(zhì)能有效降低PP 的塑料感，從而在視覺和觸覺上實(shí)現(xiàn)“柔軟觸感”。王濱等[7]也制備了一種高質(zhì)感的汽車內(nèi)飾材料，他們通過強(qiáng)剪切、超高速拉伸方法實(shí)現(xiàn)PP 取向成纖，大幅提高了原有PP材料的強(qiáng)度、剛性、韌性和耐熱性，同時(shí)利用高剪切分散實(shí)現(xiàn)了高彈體在體系中的良好分散，獲得了表面柔軟觸感、低光澤度，消除制品硬塑感的特性。

隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，車內(nèi)的揮發(fā)性有害物質(zhì)、潮濕天氣塑料內(nèi)飾易發(fā)霉等問題也引起了人們的關(guān)注。因此，制備兼具優(yōu)異的力學(xué)性能、環(huán)保性、抗菌性等多功能性的軟觸感材料成為目前汽車內(nèi)飾行業(yè)的熱點(diǎn)研究方向。陳萌等[8]通過選用低密度聚乙烯(PE–LD)和聚烯烴彈性體(POE)增韌劑共同對PP 改性，在控制PP、增韌劑和玻璃纖維三者的適當(dāng)比例后，實(shí)現(xiàn)了改性PP 在視覺和觸覺上的軟觸感性。同時(shí)，在復(fù)合材料擠出過程中通過加入麥羥硅鈉石和沸石混合制備的VOC 吸附劑，有效吸附原材料加工過程中產(chǎn)生的小分子物質(zhì)，達(dá)到低VOC 的性能指標(biāo)，從而得到了一種應(yīng)用于汽車內(nèi)飾的低VOC、軟觸感玻璃纖維增強(qiáng)PP 復(fù)合材料。劉榮亮等[9]在無堿短切扁平玻璃纖維和乙丙共聚物改性PP的過程中加入乙烯與丙烯酸甲酯的超支化共聚物與含有納米級氧化鋁和銳鈦型納米二氧化鈦的復(fù)合抗菌劑，在擠出過程中利用超支化共聚物和扁平短切纖維的相互促進(jìn)作用使復(fù)合抗菌劑均勻分布在PP 基體中，從而制備得到一種力學(xué)性能優(yōu)異且具有抗菌性的用于汽車內(nèi)飾的柔軟觸感PP 復(fù)合材料。其大腸桿菌抑菌率和金黃色葡萄球菌抑菌率最高可分別達(dá)到93.3%和96.5%。黃觀等[10]也通過在軟觸感PP的制備過程中加入相應(yīng)比例的抗菌劑得到了一種力學(xué)性能提高的同時(shí)具有良好耐刮擦和抗菌性的軟觸感PP 復(fù)合材料。

1．2 軟觸感皮革材料

作為汽車內(nèi)飾的主要材料——座椅皮革材料，在汽車內(nèi)飾中占有很大比例。并且座椅皮革材料和人體長期接觸，因此對其觸感舒適性和環(huán)保性要求更高。以前中、高檔車型的座椅為達(dá)到觸感舒適性普遍采用天然皮革包覆，但由于天然皮革價(jià)格昂貴、資源有限，并且加工過程不利環(huán)保。因此，行業(yè)研究者一直在積極尋找一種新型環(huán)保舒適的人造復(fù)合材料來代替天然皮革應(yīng)用于汽車座椅表皮材料。隨著以聚氯乙烯(PVC)涂覆的人造革的出現(xiàn)，PVC 人造革開始替代天然皮革應(yīng)用于汽車座椅皮革材料領(lǐng)域。PVC 人造革雖然具有天然皮革般的外觀鮮艷、耐磨、耐折、耐酸堿等特點(diǎn)，但柔軟觸感性差是其明顯的缺陷，需要加入增塑劑來提升軟觸感，但大多增塑劑有毒，加入后氣味較大，且使用后的PVC人造革垃圾處理和回收困難，因此PVC 革在汽車內(nèi)飾的應(yīng)用受到限制[11]。

隨著PUR 合成革的出現(xiàn)，由于PUR 合成革具有環(huán)保、無氣味、手感柔軟、透氣防水、易清洗、耐老化性好、外觀和性能均接近天然皮革等優(yōu)點(diǎn)，PUR 合成革已經(jīng)逐步取代PVC人造革在汽車內(nèi)飾中的應(yīng)用，且趨向于高性能的PUR 合成革發(fā)展。目前，隨著紡織行業(yè)超細(xì)纖維技術(shù)的迅速發(fā)展，并結(jié)合高性能PUR 革技術(shù)，一種被稱為超纖皮革的新型環(huán)保材料已成為迄今最理想的汽車內(nèi)飾用高觸感皮革材料。這種皮革不僅物理性能完全超過天然皮革，而且透氣、透濕和舒適性上也完全超越天然皮革。在國外，尤其是日本和歐洲已經(jīng)在逐步使用這種新型人工皮革材料來替代天然皮革。目前寶馬汽車、奔馳汽車、豐田汽車、本田汽車等多種車型都配置了汽車專用超纖皮革。

超纖皮革是超細(xì)纖維PUR 合成皮革的簡稱，它是采用與天然皮革中束狀膠原纖維結(jié)構(gòu)及性能相似的超細(xì)纖維制成具有三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的高密度非織造布，再填充性能優(yōu)異、具有開式微孔結(jié)構(gòu)的PUR 樹脂加工處理而成。這種超纖皮革在外觀、力學(xué)強(qiáng)度、彈性、耐化學(xué)物質(zhì)穩(wěn)定性方面都與天然皮革十分相似，手感非常好。目前，針對汽車專用超纖革研究者們也做了相應(yīng)研究。黃小平[12]以水替代有機(jī)溶劑作為涂層溶劑，制備了一種質(zhì)感與真皮相似、柔軟平滑、彈性好，同時(shí)具有使用性能優(yōu)異、強(qiáng)度好、防水性和耐水解性強(qiáng)的汽車內(nèi)飾用水性PUR 超纖革。錢曉明等[13]采用針刺、水刺復(fù)合開纖工藝和表面刮涂技術(shù)，生產(chǎn)了一種桔瓣型超細(xì)纖維仿真皮革基布，其具備纖維細(xì)度和水性PUR 含浸量在非織造布內(nèi)部的梯度變化，與真皮基板的結(jié)構(gòu)極其相近，具有良好的手感、垂感和質(zhì)感。隨著人們生活質(zhì)量的提高，以及健康、安全意識的增強(qiáng)，人們在追求汽車內(nèi)飾皮革材料舒適觸感性的同時(shí)也更加關(guān)注內(nèi)飾材料的安全、環(huán)保、健康危害等問題，因此功能化、綠色環(huán)保也成為超纖皮革的研發(fā)重點(diǎn)。王美瑞等[14]公開了一種水性無溶劑PUR 超細(xì)纖維仿真皮革的制備方法，其采用水性PUR 樹脂面料和中料，與無溶劑PUR樹脂料粘結(jié)，再與不同厚度的超纖貝斯貼合，制備得到的超纖革手感柔軟有彈性，具有極強(qiáng)的真皮質(zhì)感。陳峻等[15]也公開了一種用于汽車內(nèi)飾的手感良好的超纖PUR 高仿真皮革材料的制備方法，他們兩次浸漬均使用的是環(huán)保的水性PUR，并且在第一次合成革基布浸漬中通過添加納米氫氧化鎂和金紅石鈦白色漿等耐堿成分配合水性PUR 進(jìn)行浸漬，使納米粒子均勻地覆蓋在基布的表面以及縫隙中，賦予皮革良好的阻燃、防曬性能。并且在成型過程中還通過添加適量的松木成分賦予了制備的超纖革一定的抗菌性能。他們最終制備得到的這種汽車內(nèi)飾用超纖PUR 皮革不僅具有良好的真皮手感，而且還具有環(huán)保、阻燃和抗菌等功能性。丁惠陽等[16]通過在濕法含浸PUR 漿料中加入防污助劑，在上油柔軟液中加入抗菌助劑，當(dāng)熱定型后的無紡布依次通過濕法含浸、甲苯減量、擴(kuò)幅上油、鞣皮工序后所制得的不定島超細(xì)纖維基布具有特殊的防污抗菌性能。然后經(jīng)干法貼面后再進(jìn)行表面防污印刷，所制得的超纖皮革在具有良好的真皮手感的同時(shí)，還具有特殊的全方位防污抗菌功能性。

2 材料觸感表征進(jìn)展

隨著軟觸感內(nèi)飾材料的研究，如何評價(jià)材料的軟觸感性能也成為目前內(nèi)飾行業(yè)面臨的重大問題。在材料的觸感評價(jià)方面，一直沿用的傳統(tǒng)感觀評價(jià)方法是通過有經(jīng)驗(yàn)的專家對材料進(jìn)行觸摸形成綜合感覺從而評價(jià)材料的觸感性能。但是這種傳統(tǒng)的評價(jià)方法具有諸多不足，其評價(jià)結(jié)果容易受到個(gè)人的專業(yè)技能、個(gè)人喜好等主觀因素的影響，以及評價(jià)環(huán)境氣候條件等客觀因素的影響。其次是該評定方法缺乏客觀的定量評價(jià)指標(biāo)，不能區(qū)分各材料之間觸感性能的細(xì)微差別，因此需要建立更客觀的方法和系統(tǒng)去表征材料的觸感性能[17]。

最初應(yīng)用客觀方法定量評價(jià)材料的觸感性能是在紡織行業(yè)中，F(xiàn). T. Peirce 提出織物表面的物理力學(xué)特性數(shù)據(jù)是影響其觸感性能的重要因素，1968 年日本的川端季雄提出利用織物的基本力學(xué)性能數(shù)據(jù)表征織物的觸感性能，并發(fā)明了KES–F 織物評價(jià)系統(tǒng)。隨后，美國潘寧教授基于前人利用紡織物力學(xué)特性數(shù)據(jù)評價(jià)織物觸感研究的方法，利用抽出法開發(fā)出Phabr Ometer 織物觸感評價(jià)系統(tǒng)，使織物觸感的客觀表征達(dá)到了一個(gè)新的高度[18]。由于利用織物物理力學(xué)特性對紡織物觸感進(jìn)行客觀表征的方法逐漸在紡織行業(yè)中標(biāo)準(zhǔn)化，研究者們對汽車內(nèi)飾材料的觸感表征研究也開始借鑒這種思想，力求完善發(fā)展汽車內(nèi)飾材料的觸感表征方法。早在1993 年，蘇真?zhèn)サ萚19]就對汽車內(nèi)飾材料中皮革材料的觸感進(jìn)行了客觀研究，指出皮革力學(xué)性能參數(shù)是影響皮革柔軟度評價(jià)的重要因素。2003 年，張曉鐳等[20]研究了在頂伸和壓縮等力學(xué)狀態(tài)下皮革的觸感特性，提出可以通過測定皮革的力學(xué)性能來表征其豐滿度和彈性度等觸感特性參數(shù)。2006 年，李志強(qiáng)等[21]通過研究皮革柔軟度與其抗彎強(qiáng)度和壓縮性能的關(guān)系，提出可以利用皮革的彎曲和壓縮性能表征其柔軟觸感的方法，并研發(fā)出相關(guān)測試儀器。陳敏等[22]也通過在標(biāo)定壓力下測定皮革在伸長狀態(tài)和壓縮狀態(tài)下的厚度來計(jì)算評價(jià)其柔軟性，并證實(shí)其測試結(jié)果與實(shí)際樣品相符合。因此，他們也提出了基于彎曲應(yīng)力和可壓縮性原理的皮革柔軟度量化表征方法。由于上述表征方法中，大多都是基于單一力學(xué)特性參數(shù)對皮革的柔軟觸感進(jìn)行評價(jià)，對某些細(xì)微的觸感差別可能存在較大誤差。因此，2008 年董繼先等[23]研究了一種新型的皮革觸感特性參數(shù)測試儀器，該儀器可以通過同時(shí)測定皮革在拉伸、壓縮、彎曲、頂伸這4 種狀態(tài)下的力學(xué)性能，再經(jīng)多元回歸分析等數(shù)據(jù)處理，實(shí)現(xiàn)皮革觸感特性參數(shù)的綜合檢測，可以較全面地間接表征皮革的觸感。在2010 年，張三等[24–25]基于該儀器進(jìn)行了相關(guān)改進(jìn)，建立了基于PLC 和LABVIEW 的皮革觸感特性參數(shù)的檢測系統(tǒng)，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了皮革材料觸感表征的智能化和直觀化。2012 年，王震等[26]也基于前人對皮革觸感的研究結(jié)果，選擇皮革的彎曲常數(shù)、壓縮指數(shù)、頂伸系數(shù)、彎曲應(yīng)力衰減常數(shù)以及彎曲應(yīng)力衰減速率常數(shù)為力學(xué)特征參數(shù)建立了基于BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的皮革觸感表征系統(tǒng)。

同樣，在汽車內(nèi)飾的其它高分子材料方面，目前也有諸多研究者采用其特定的力學(xué)特性參數(shù)來表征其觸感。由于在手指接觸材料的實(shí)際觸感感知過程中手指與材料的表面會(huì)產(chǎn)生摩擦現(xiàn)象，所以，摩擦特性也是影響觸感表征的重要因素[27]。因此，在后續(xù)的觸感研究中研究者們也相應(yīng)將摩擦特性納入測試的力學(xué)特性范圍。Covestro 公司針對帶PUR涂層的塑料基材的觸覺感覺與涂層性能進(jìn)行了研究，他們發(fā)現(xiàn)塑料零部件表面涂層的某些特定高分子物理分析數(shù)據(jù)(特別是摩擦特性)與其觸感特性有著緊密的聯(lián)系，因此他們進(jìn)一步研究總結(jié)出一種評價(jià)塑料零件表面有PUR 涂層的觸覺特性的客觀評價(jià)方法，即通過測定其表面摩擦系數(shù)、變形參數(shù)、表面微觀硬度和模量來對帶涂層的材料的觸感進(jìn)行數(shù)值量化。奧迪公司也在就如何將汽車內(nèi)飾材料觸感特性主觀的、通常是比較的評估轉(zhuǎn)化為可測量的數(shù)據(jù)問題上做了相關(guān)研究，并開發(fā)出了一套基于材料各種物理特性參數(shù)而建立的觸感評價(jià)方法。他們的評價(jià)方法中包括材料的柔軟感、表面彈性、觸摸／觸碰感和溫度感知四大特性，其中柔軟感是通過測定材料的剛度來表征；表面彈性是通過力作用后的表面恢復(fù)特性來表征；觸摸／觸碰感是通過粗糙度和摩擦特性來表征；溫度感知是通過測定材料的表面散熱特性來表征。Liu X 等[28]也通過利用塑料件的相關(guān)物理特性參數(shù)對其觸感特性進(jìn)行了表征，他們的方法是利用一種新型的摩擦學(xué)探針顯微鏡(TPM)對材料進(jìn)行多功能測量。指出TPM 能夠在一次掃描中測量四種功能，提供材料表面形貌、摩擦特性、拉伸彈性模量和硬度的區(qū)域映射。由于TPM 映射是基于逐點(diǎn)掃描的，所以四個(gè)被測函數(shù)的值在空間和時(shí)間上是相互聯(lián)系的，因此可以建立函數(shù)之間的相互關(guān)系，從而達(dá)到表征其觸感的目的。Chen X 等[29]的研究也表明觸覺感知受材料表面物理性質(zhì)的影響。由于在觸感客觀表征中摩擦特性相對于其它觸感物理特性參數(shù)復(fù)雜，并且受到的影響因素較多，因此也有研究者單獨(dú)研究摩擦特性與觸覺感知之間的聯(lián)系。L. Skedung 等[30]研究了感知粗糙度和試樣間摩擦特性的差異，發(fā)現(xiàn)摩擦系數(shù)越大材料表面粗糙感越強(qiáng)。G. P. Chimata等[31]在鑒別紋理時(shí)討論了摩擦和表面參數(shù)的影響，發(fā)現(xiàn)材料的紋理感知是隨著表面摩擦系數(shù)的改變而存在差異的。J. D. Ndengue 等[32]在研究中指出手指滑動(dòng)時(shí)摩擦引起的振動(dòng)參數(shù)也是觸覺評價(jià)中的客觀指標(biāo)。K. Anne 等[33]根據(jù)摩擦線索研究了觸覺愉悅感和樣本間感知的差異，結(jié)果表明手指劃過材料表面時(shí)的摩擦系數(shù)越高，觸覺愉悅感越差。

3 結(jié)語

軟觸感PP 的制備目前主要是通過在玻璃纖維增強(qiáng)PP的過程中加入彈性體組分和降低表面光澤度的組分來實(shí)現(xiàn)其視覺和觸覺上的軟觸感。隨著汽車內(nèi)飾要求的提高，軟觸感PP 正向著兼具優(yōu)異的力學(xué)性能、高觸感性、環(huán)保性、抗菌性等多功能性方向發(fā)展。汽車座椅軟觸感皮革方面，目前主要的研究方向是利用超纖PUR 皮革來替代真皮的應(yīng)用，未來的研究方向也是向著環(huán)保安全、抗菌、阻燃等多功能性的軟觸感超纖皮革發(fā)展。

在軟觸感表征方面，所涉及影響觸感表征的因素主要包括與材料的粗糙感和光滑感密切相關(guān)的材料表面摩擦特性；與材料蓬松感、豐滿感和柔軟感相關(guān)的壓縮特性；與材料溫和感相關(guān)的材料表面散熱特性；以及與材料軟硬感相關(guān)的模量、硬度等力學(xué)特性參數(shù)。目前應(yīng)用于觸感表征的方法主要是通過測定這些影響觸感評價(jià)的材料表面物理特性參數(shù)來間接表征其觸感。