TPO表皮在汽车仪表板上应用

2022-05-06王雪周美辰任晓珊李菁华金科张英虹

汽车工艺与材料 2022年4期

王雪周美辰任晓珊李菁华金科张英虹

（1.中国第一汽车股份有限公司材料与轻量化研究院，长春 130011；2.长春富维安道拓汽车饰件有限公司，长春 130011）

1 前言

仪表板总成是汽车内饰中关键的总成之一，用户感知程度最高的零部件，外观质量，造型设计，功能配置等因素直接影响用户对整车的评价，需集舒适、美观、装饰、功能与一身。仪表板表皮材料作为仪表板结构中外露部分，其材料、工艺的选择对仪表板整体品质的体现有着至关重要的影响。目前大部分仪表板选用搪塑聚氯乙烯（Polyvinyl chloride resin，PVC）表皮进行包覆，但PVC在气味、挥发性有机化合物(Volatile Organic Compounds,VOC)、耐老化等方面存在不足。热塑性聚烯烃弹性体(Thermoplastic Polyolefin,TPO)是橡胶和聚烯烃混合而成，不仅具有密度小，气味低，VOC低等优异的性能，还能100%回收利用[1]。

本研究开发一种在仪表板上应用的TPO表皮材料，根据材料特性和零件结构特点，调试出合适的包覆工艺，成功将TPO表皮应用于仪表板，并在量产车型大规模生产应用。

2 TPO表皮材料性能

2.1 表皮材料开发

TPO材料是一种以烯烃类橡胶（EPDM）和链烯烃类树脂（PP、PE）为主要成分的可循环利用的共混型热塑性弹性体，是仅次于苯乙烯类的热塑性弹性体的第二大类TPE材料，广泛应用于汽车制造业、电线电缆、医疗等领域。TPO微观组织呈海岛状，烯烃类树脂为海相，烯烃类橡胶为岛相。

TPO表皮由TPO层和基布层共同组成，其结构示意如图1所示。其性能不仅与TPO本身特性有关，与选用的基布层也有很大关系。普通的TPO表皮性能如表1所示，其剥离强度和撕裂强度低，不能满足仪表板表皮的生产需求。这是由于TPO与基布是直接通过热压复合而成，导致其强度不满足仪表板用蒙皮材料的性能指标。

图1 TPO表皮分层结构示意

针对TPO表皮剥离强度不足问题，经过不断的试验探索与优化，提出了两种改进方案：方案1是在TPO层与基布层增加胶水，通过胶水使用，借助界面的粘附和内聚强度将TPO材料和基布连接在一起，在不改变材料结构性能前提下，提升TPO表皮材料的强度。方案2是在TPO层与基布层增加纤维，通过增加上下两层材料间的摩擦力，来达到强度增加的效果。改进后材料的性能如表1所示（其中TPO-0代表普通的TPO表皮，TPO-1代表增加胶水TPO表皮，TPO-2代表增加纤维的TPO表皮）。

2.2 表皮材料选择

上述2种方案都能实现TPO表皮剥离强度的提升。但增加胶水的使用，表皮材料气味和VOC会变差，具体材料性能指标见表2，从表1和表2可以看出，方案1的TPO表皮材料虽然能满足性能指标，但其低气味、低VOC优势明显弱化。因此选用玻纤增强的TPO-2表皮材料作为仪表板用的蒙皮材料更合适。

表1 TPO表皮力学性能比对

从表2可以看出，无论是40℃还是80℃条件下，TPO方案2表皮气味值都要低于PVC表皮。TPO表皮的测试的气味值为3.0～3.5分，PVC表皮测试的气味值为3.5～4.0分。气味值降低0.5分。

表2 TPO表皮挥发特性比对

2.3 表皮材料热老化性能

常温下TPO表皮强度能满足标准的要求，热老化后可能引起其性能的衰减，特别是引起撕裂力和剥离强度的变化。为研究热老化后开发的TPO表皮性能的变化，将TPO表皮放入温度为120℃试验箱中进行试验，试验7天、14天、21天后分别取出3份样条，进行撕裂试验和剥离强度试验。其结果如表3所示，结果表明，在120℃高温下，随着试验时间的变化，TPO表皮剥离强度基本无变化，剥离强度基本保持在30 N/25 mm以上。撕裂强度稍有衰减，但降幅不大，横纵向的撕裂力仍能保持在380 N以上，性能指标仍满足标准要求。

表3 热老化试验后TPO表皮的材料性能

此项试验证明，开发的TPO表皮耐热后，其强度指标仍符合标准要求。在仪表板正常使用工况下，阳光长期照晒，不会造成TPO表皮材料强度性能衰减。

3 表皮材料生产工艺

仪表板作为汽车上重要的功能件和装饰件，趋于多样化、人性化、高档化方向发展。仪表板的生产工艺有很多，常见的有搪塑，真空吸塑，手工包覆，欧系车仪表板大部分采用搪塑成型，日系和韩系车的仪表板多采用真空成型，而奔驰、路虎等大部分高端车型则主要采用手工包覆[2]。

基于不同生产工艺的各自特点，TPO在应用过程中形态也各不相同。在搪塑工艺中，TPO粉通过模具直接成型为仪表板骨架外轮廓形状。而真空吸塑和手工包覆TPO需经原料熔融挤出，流延成膜，再通过模具或手工包覆成型。工艺的变化也会引起效率、成本、材料利用率、技术成熟度等方面差异，因此工艺的合理选择对产品至关重要。

3.1 生产工艺比对

TPO表皮在汽车仪表板上应用，主要采用真空成型工艺和手工包覆工艺，搪塑工艺还处于研究阶段。真空成型工艺和手工包覆工艺性能比对如表4所示。通过比对可知，TPO表皮真空成型更适合大批量生产，生产效率高，产品设计自由度大，能有效利用模具，TPO表皮手工包覆更适合高端、豪华车型，能个性化设计不同风格的表皮颜色和纹理。

表4 TPO表皮成型工艺性能比对

本TPO表皮，相比仪表板常用的PVC表皮材料，具体表皮颜色多样化，气味好，价格高等特点，更符合高端豪华品牌车型需求。因此，研究TPO表皮材料通过手工包覆工艺生产制造，更具有使用价值和现实意义。

3.2 手工包覆工艺

仪表板结构主要有三部分构成，骨架、发泡材料和表皮，从上到下依次为表皮、发泡材料、骨架。手工包覆是把带有皮纹的表皮直接通过手工包覆固定到仪表板本体上，表皮的结构示意图如图2所示，从外层到内层分别为表面涂层、表皮层、基布。骨架通常为注塑的PP样件，发泡材料为PUR或3Dmesh等材料。

图2 TPO表皮的结构

表皮选用开发的TPO表皮，发泡材料选用3Dmesh，骨架为PP-LGF注塑件。具体包覆过程如下。

a.对仪表板骨架、3Dmesh、TPO表皮进行喷胶和烘干处理；

b.通过人工控制吹风机激活胶的活性实现粘接。3Dmesh直接粘接到骨架的指定区域；

c.将表皮与带有3Dmesh的骨架粘接，粘接前需通过表皮缝线和骨架凹槽实现定位匹配；

d.再通过吹风机加热实现复合，仪表板的预包覆过程完成。

为提高其粘接强度，还需通过模具对表皮进行热压，热压后整个表皮包覆过程完成。具体工艺流程见图3。

图3 仪表板表皮包覆工艺流程

a.表皮裁剪。表皮的裁剪是按照骨架形状尺寸，经过多轮的包覆工艺探索，确定最终裁片的尺寸，通过激光切割实现的裁片处理。由于仪表板复杂的结构，尖角、拐角位置应力过大，需对表皮边缘固定位置进行预裁剪处理，实现应力的释放。为减少了个体差异引起的包覆效果不一致，提高包覆产品的一致性，通过机械加工进行预裁剪。

b.表皮缝纫。仪表板表皮是通过裁剪的2块TPO表皮拼接而成，接合线的针距参数为10针/25 mm，由专用的缝纫机完成。装饰线中的双缝线，针距参数为5针/25 mm，双缝线的距离为8 mm。

c.工艺温度。TPO表皮、3Dmesh、仪表板骨架在常温下喷胶即可，为保证胶水活性，需在50～60℃下进行烘干处理。模具的模压温度为70～100℃，模压时间根据产品形状和模压温度来调节。

4.TPO表皮包覆仪表板性能

4.1 制品性能

根据仪表板的制品性能相关标准，对仪表板上盖板进行短期耐热、长期耐热、耐冷热循环、耐寒冲击等试验，其试验结果如表5所示。

表5 TPO表皮仪表板制品性能

仪表板是内饰中最为重要的装饰件之一，阳光能够透过玻璃直接照射在仪表板表面，在长期照射下，高温引起表皮颜色的变化也是用户非常关心的问题。汽车在海南暴晒的情况下，车内温度最高可达80℃，仪表板上表面最高温度可达105℃。为了对比PVC表皮和TPO表皮在高温下其表皮颜色的变化，选取长50 mm、宽50 mm的TPO和PVC表皮放置在试验箱中，为加速试验，选取试验温度为120℃，每隔7天、14天、21天取出样件，通过色差仪测量表皮的色差，具体色差值如图4所示。为更准确判断仪表板表皮色差变化，对包覆TPO表皮仪表板和PVC表皮仪表板进行试验，120℃/21天后观察仪表板的表皮颜色变化，TPO表皮颜色变化甚微，PVC表皮颜色变化明显。试验前后对比照片如图5所示。

图4 TPO表皮和PVC表皮色差数值

图5 120℃/21天后表皮颜色比对

热老化后TPO表皮的色差变化值要明显小于PVC，这是因为PVC分子链受激发后产生链式脱HCL反应，且脱出的HCL具有催化效果，会加速脱去更多的HCl，在主链上形成多烯序列-(C=C)n-，当n达到8时，就会形成发色基团，该基团吸收可见光中的蓝光，使样品会显黄，造成PVC更易发生光/热降解且伴随颜色变化[2]，因此TPO表皮的耐光老化后色差变化小。

从试验结果上看，开发的TPO表皮不仅能满足材料性能，还具有耐老化后的色差变化小优点，而且制品性能全都符合标准要求。

4.2 量产应用

经过前期材料开发，材料试验验证及制品性能验证，TPO表皮包覆的仪表板成功在某车型上应用。应用的TPO表皮密度为0.9 g/cm3，按车型包覆仪表板面积为0.42 m2计算，TPO包覆表皮质量约为0.42 kg，PVC表皮密度为1.2 g/cm3，包覆质量为0.55 kg。TPO表皮与PVC表皮相比，在仪表板上应用能减重0.13 kg，实现23%降重。