王雪 周美辰 任曉珊 李菁華 金科 張英虹

（1.中國第一汽車股份有限公司材料與輕量化研究院，長春 130011；2.長春富維安道拓汽車飾件有限公司，長春 130011）

1 前言

儀表板總成是汽車內(nèi)飾中關(guān)鍵的總成之一，用戶感知程度最高的零部件，外觀質(zhì)量，造型設(shè)計(jì)，功能配置等因素直接影響用戶對整車的評價(jià)，需集舒適、美觀、裝飾、功能與一身。儀表板表皮材料作為儀表板結(jié)構(gòu)中外露部分，其材料、工藝的選擇對儀表板整體品質(zhì)的體現(xiàn)有著至關(guān)重要的影響。目前大部分儀表板選用搪塑聚氯乙烯（Polyvinyl chloride resin，PVC）表皮進(jìn)行包覆，但PVC在氣味、揮發(fā)性有機(jī)化合物(Volatile Organic Compounds,VOC)、耐老化等方面存在不足。熱塑性聚烯烴彈性體(Thermoplastic Polyolefin,TPO)是橡膠和聚烯烴混合而成，不僅具有密度小，氣味低，VOC低等優(yōu)異的性能，還能100%回收利用[1]。

本研究開發(fā)一種在儀表板上應(yīng)用的TPO表皮材料，根據(jù)材料特性和零件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，調(diào)試出合適的包覆工藝，成功將TPO表皮應(yīng)用于儀表板，并在量產(chǎn)車型大規(guī)模生產(chǎn)應(yīng)用。

2 TPO表皮材料性能

2.1 表皮材料開發(fā)

TPO材料是一種以烯烴類橡膠（EPDM）和鏈烯烴類樹脂（PP、PE）為主要成分的可循環(huán)利用的共混型熱塑性彈性體，是僅次于苯乙烯類的熱塑性彈性體的第二大類TPE材料，廣泛應(yīng)用于汽車制造業(yè)、電線電纜、醫(yī)療等領(lǐng)域。TPO微觀組織呈海島狀，烯烴類樹脂為海相，烯烴類橡膠為島相。

TPO表皮由TPO層和基布層共同組成，其結(jié)構(gòu)示意如圖1所示。其性能不僅與TPO本身特性有關(guān)，與選用的基布層也有很大關(guān)系。普通的TPO表皮性能如表1所示，其剝離強(qiáng)度和撕裂強(qiáng)度低，不能滿足儀表板表皮的生產(chǎn)需求。這是由于TPO與基布是直接通過熱壓復(fù)合而成，導(dǎo)致其強(qiáng)度不滿足儀表板用蒙皮材料的性能指標(biāo)。

圖1 TPO表皮分層結(jié)構(gòu)示意

針對TPO表皮剝離強(qiáng)度不足問題，經(jīng)過不斷的試驗(yàn)探索與優(yōu)化，提出了兩種改進(jìn)方案：方案1是在TPO層與基布層增加膠水，通過膠水使用，借助界面的粘附和內(nèi)聚強(qiáng)度將TPO材料和基布連接在一起，在不改變材料結(jié)構(gòu)性能前提下，提升TPO表皮材料的強(qiáng)度。方案2是在TPO層與基布層增加纖維，通過增加上下兩層材料間的摩擦力，來達(dá)到強(qiáng)度增加的效果。改進(jìn)后材料的性能如表1所示（其中TPO-0代表普通的TPO表皮，TPO-1代表增加膠水TPO表皮，TPO-2代表增加纖維的TPO表皮）。

2.2 表皮材料選擇

上述2種方案都能實(shí)現(xiàn)TPO表皮剝離強(qiáng)度的提升。但增加膠水的使用，表皮材料氣味和VOC會(huì)變差，具體材料性能指標(biāo)見表2，從表1和表2可以看出，方案1的TPO表皮材料雖然能滿足性能指標(biāo)，但其低氣味、低VOC優(yōu)勢明顯弱化。因此選用玻纖增強(qiáng)的TPO-2表皮材料作為儀表板用的蒙皮材料更合適。

表1 TPO表皮力學(xué)性能比對

從表2可以看出，無論是40℃還是80℃條件下，TPO方案2表皮氣味值都要低于PVC表皮。TPO表皮的測試的氣味值為3.0～3.5分，PVC表皮測試的氣味值為3.5～4.0分。氣味值降低0.5分。

表2 TPO表皮揮發(fā)特性比對

2.3 表皮材料熱老化性能

常溫下TPO表皮強(qiáng)度能滿足標(biāo)準(zhǔn)的要求，熱老化后可能引起其性能的衰減，特別是引起撕裂力和剝離強(qiáng)度的變化。為研究熱老化后開發(fā)的TPO表皮性能的變化，將TPO表皮放入溫度為120℃試驗(yàn)箱中進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)7天、14天、21天后分別取出3份樣條，進(jìn)行撕裂試驗(yàn)和剝離強(qiáng)度試驗(yàn)。其結(jié)果如表3所示，結(jié)果表明，在120℃高溫下，隨著試驗(yàn)時(shí)間的變化，TPO表皮剝離強(qiáng)度基本無變化，剝離強(qiáng)度基本保持在30 N/25 mm以上。撕裂強(qiáng)度稍有衰減，但降幅不大，橫縱向的撕裂力仍能保持在380 N以上，性能指標(biāo)仍滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

表3 熱老化試驗(yàn)后TPO表皮的材料性能

此項(xiàng)試驗(yàn)證明，開發(fā)的TPO表皮耐熱后，其強(qiáng)度指標(biāo)仍符合標(biāo)準(zhǔn)要求。在儀表板正常使用工況下，陽光長期照曬，不會(huì)造成TPO表皮材料強(qiáng)度性能衰減。

3 表皮材料生產(chǎn)工藝

儀表板作為汽車上重要的功能件和裝飾件，趨于多樣化、人性化、高檔化方向發(fā)展。儀表板的生產(chǎn)工藝有很多，常見的有搪塑，真空吸塑，手工包覆，歐系車儀表板大部分采用搪塑成型，日系和韓系車的儀表板多采用真空成型，而奔馳、路虎等大部分高端車型則主要采用手工包覆[2]。

基于不同生產(chǎn)工藝的各自特點(diǎn)，TPO在應(yīng)用過程中形態(tài)也各不相同。在搪塑工藝中，TPO粉通過模具直接成型為儀表板骨架外輪廓形狀。而真空吸塑和手工包覆TPO需經(jīng)原料熔融擠出，流延成膜，再通過模具或手工包覆成型。工藝的變化也會(huì)引起效率、成本、材料利用率、技術(shù)成熟度等方面差異，因此工藝的合理選擇對產(chǎn)品至關(guān)重要。

3.1 生產(chǎn)工藝比對

TPO表皮在汽車儀表板上應(yīng)用，主要采用真空成型工藝和手工包覆工藝，搪塑工藝還處于研究階段。真空成型工藝和手工包覆工藝性能比對如表4所示。通過比對可知，TPO表皮真空成型更適合大批量生產(chǎn)，生產(chǎn)效率高，產(chǎn)品設(shè)計(jì)自由度大，能有效利用模具，TPO表皮手工包覆更適合高端、豪華車型，能個(gè)性化設(shè)計(jì)不同風(fēng)格的表皮顏色和紋理。

表4 TPO表皮成型工藝性能比對

本TPO表皮，相比儀表板常用的PVC表皮材料，具體表皮顏色多樣化，氣味好，價(jià)格高等特點(diǎn)，更符合高端豪華品牌車型需求。因此，研究TPO表皮材料通過手工包覆工藝生產(chǎn)制造，更具有使用價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義。

3.2 手工包覆工藝

儀表板結(jié)構(gòu)主要有三部分構(gòu)成，骨架、發(fā)泡材料和表皮，從上到下依次為表皮、發(fā)泡材料、骨架。手工包覆是把帶有皮紋的表皮直接通過手工包覆固定到儀表板本體上，表皮的結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示，從外層到內(nèi)層分別為表面涂層、表皮層、基布。骨架通常為注塑的PP樣件，發(fā)泡材料為PUR或3Dmesh等材料。

圖2 TPO表皮的結(jié)構(gòu)

表皮選用開發(fā)的TPO表皮，發(fā)泡材料選用3Dmesh，骨架為PP-LGF注塑件。具體包覆過程如下。

a.對儀表板骨架、3Dmesh、TPO表皮進(jìn)行噴膠和烘干處理；

b.通過人工控制吹風(fēng)機(jī)激活膠的活性實(shí)現(xiàn)粘接。3Dmesh直接粘接到骨架的指定區(qū)域；

c.將表皮與帶有3Dmesh的骨架粘接，粘接前需通過表皮縫線和骨架凹槽實(shí)現(xiàn)定位匹配；

d.再通過吹風(fēng)機(jī)加熱實(shí)現(xiàn)復(fù)合，儀表板的預(yù)包覆過程完成。

為提高其粘接強(qiáng)度，還需通過模具對表皮進(jìn)行熱壓，熱壓后整個(gè)表皮包覆過程完成。具體工藝流程見圖3。

圖3 儀表板表皮包覆工藝流程

a.表皮裁剪。表皮的裁剪是按照骨架形狀尺寸，經(jīng)過多輪的包覆工藝探索，確定最終裁片的尺寸，通過激光切割實(shí)現(xiàn)的裁片處理。由于儀表板復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，尖角、拐角位置應(yīng)力過大，需對表皮邊緣固定位置進(jìn)行預(yù)裁剪處理，實(shí)現(xiàn)應(yīng)力的釋放。為減少了個(gè)體差異引起的包覆效果不一致，提高包覆產(chǎn)品的一致性，通過機(jī)械加工進(jìn)行預(yù)裁剪。

b.表皮縫紉。儀表板表皮是通過裁剪的2塊TPO表皮拼接而成，接合線的針距參數(shù)為10針/25 mm，由專用的縫紉機(jī)完成。裝飾線中的雙縫線，針距參數(shù)為5針/25 mm，雙縫線的距離為8 mm。

c.工藝溫度。TPO表皮、3Dmesh、儀表板骨架在常溫下噴膠即可，為保證膠水活性，需在50～60℃下進(jìn)行烘干處理。模具的模壓溫度為70～100℃，模壓時(shí)間根據(jù)產(chǎn)品形狀和模壓溫度來調(diào)節(jié)。

4.TPO表皮包覆儀表板性能

4.1 制品性能

根據(jù)儀表板的制品性能相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，對儀表板上蓋板進(jìn)行短期耐熱、長期耐熱、耐冷熱循環(huán)、耐寒沖擊等試驗(yàn)，其試驗(yàn)結(jié)果如表5所示。

表5 TPO表皮儀表板制品性能

儀表板是內(nèi)飾中最為重要的裝飾件之一，陽光能夠透過玻璃直接照射在儀表板表面，在長期照射下，高溫引起表皮顏色的變化也是用戶非常關(guān)心的問題。汽車在海南暴曬的情況下，車內(nèi)溫度最高可達(dá)80℃，儀表板上表面最高溫度可達(dá)105℃。為了對比PVC表皮和TPO表皮在高溫下其表皮顏色的變化，選取長50 mm、寬50 mm的TPO和PVC表皮放置在試驗(yàn)箱中，為加速試驗(yàn)，選取試驗(yàn)溫度為120℃，每隔7天、14天、21天取出樣件，通過色差儀測量表皮的色差，具體色差值如圖4所示。為更準(zhǔn)確判斷儀表板表皮色差變化，對包覆TPO表皮儀表板和PVC表皮儀表板進(jìn)行試驗(yàn)，120℃/21天后觀察儀表板的表皮顏色變化，TPO表皮顏色變化甚微，PVC表皮顏色變化明顯。試驗(yàn)前后對比照片如圖5所示。

圖4 TPO表皮和PVC表皮色差數(shù)值

圖5 120℃/21天后表皮顏色比對

熱老化后TPO表皮的色差變化值要明顯小于PVC，這是因?yàn)镻VC分子鏈?zhǔn)芗ぐl(fā)后產(chǎn)生鏈?zhǔn)矫揌CL反應(yīng)，且脫出的HCL具有催化效果，會(huì)加速脫去更多的HCl，在主鏈上形成多烯序列-(C=C)n-，當(dāng)n達(dá)到8時(shí)，就會(huì)形成發(fā)色基團(tuán)，該基團(tuán)吸收可見光中的藍(lán)光，使樣品會(huì)顯黃，造成PVC更易發(fā)生光/熱降解且伴隨顏色變化[2]，因此TPO表皮的耐光老化后色差變化小。

從試驗(yàn)結(jié)果上看，開發(fā)的TPO表皮不僅能滿足材料性能，還具有耐老化后的色差變化小優(yōu)點(diǎn)，而且制品性能全都符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

4.2 量產(chǎn)應(yīng)用

經(jīng)過前期材料開發(fā)，材料試驗(yàn)驗(yàn)證及制品性能驗(yàn)證，TPO表皮包覆的儀表板成功在某車型上應(yīng)用。應(yīng)用的TPO表皮密度為0.9 g/cm3，按車型包覆儀表板面積為0.42 m2計(jì)算，TPO包覆表皮質(zhì)量約為0.42 kg，PVC表皮密度為1.2 g/cm3，包覆質(zhì)量為0.55 kg。TPO表皮與PVC表皮相比，在儀表板上應(yīng)用能減重0.13 kg，實(shí)現(xiàn)23%降重。

5 結(jié)束語

在綠色環(huán)保、節(jié)能減排的大趨勢下，TPO是一種低能耗、低排放、可循環(huán)利用的環(huán)保表皮材料，本文成功開發(fā)出在汽車儀表板上應(yīng)用的TPO表皮，具有輕量、低氣味、低VOC優(yōu)勢，相比傳統(tǒng)PVC表皮，實(shí)現(xiàn)23%降重，氣味降低0.5分。

TPO表皮的成功開發(fā)與應(yīng)用，為副儀表板、門板等應(yīng)用蒙皮類材料的總成提供重要參考，相比與PVC表皮材料的應(yīng)用，該方案更輕更環(huán)保。