汽车内饰：热塑性聚烯烃弹性体(TPO)搪塑表皮性能及工艺研究

汽车内饰热塑性聚烯烃弹性体（TPO）搪塑表皮性能及工艺研究

关键词：汽车内饰表皮；搪塑TPO；搪塑PVC；绿色环保

为解决汽车内饰搪塑PVC 表皮在抗老化、耐低温、环保等方面的缺陷，介绍了一种新型的搪塑TPO 表皮，通过对比分析搪塑TPO 表皮和搪塑PVC 表皮的性能及其成型工艺特点，搪塑TPO 表皮具有密度小、低气味、低VOC、耐低温、耐老化等优异的特性，也需要更长的凝胶和塑化时间。在轻量化和绿色环保的趋势下，搪塑TPO 表皮将在汽车内饰制造领域得到更加广泛的应用。

搪塑成型工艺最开始是为聚氯乙烯（PVC）类材料设计开发的，其广泛地应用于汽车内饰领域，可以生产出纹理和结构复杂的零件（如仪表板、门护板等零件）。但PVC 在抗老化、耐低温等方面存在缺陷。TPO 作为一种新型的热塑性聚烯烃弹性体材料可用搪塑工艺成型。TPO 具有密度小、低气味、低VOC、耐低温、耐老化等优异的特性，可以满足汽车内饰复杂设计、轻量化以及绿色环保的要求。

01汽车内部装饰表皮成型工艺

车内部零件（仪表板/门护板等）装饰表皮成型工艺主要有真空吸塑（阳摸和阴模）、聚氨酯喷涂（PU Spray）和搪塑（Slush molding）等。搪塑具有设计自由度高、制品美观、手感舒适、无内应力、材料成本低等优点，目前在欧美车系中应用比较普遍。日、韩系车型仪表板/门护板以TPO 真空吸塑为主，聚氨酯喷涂工艺由于成本高，只在部分高端车型上有应用。各种表皮成型工艺的特点如表1 所示。

表1 汽车内饰表皮成型工艺对比

项目阳摸吸塑阴模吸塑PU喷涂PVC搪塑

设计自由度复杂纹理低中等高高尖角低中等高高标识/刻字低中等高高

成型过程

效率高中等中等低模具成本低中等中等高模具寿命高高高低

成型材料技术难度低低高中等成本低低高中等

总成本低中等高中等

02搪塑原理

搪塑工艺是对模具加热，将用于制造表皮的粉末状材料与受热的模具型腔面接触塑化、烧结等, 最终得到与模具型腔形状及纹理一致的表皮成型过程[1]。搪塑过程主要分如下几个步骤(图1)。

对带皮纹的搪塑模具进行加热；

加热后的模具与装有粉末材料的粉料箱合膜；c.旋转或者边旋转边加热模具，粉料箱中的材

料落入模具内表面受热后凝胶化并形成塑料膜；

模具与粉料箱分开；

加热模具，使材料进一步塑化均匀；f.冷却模具；

取出搪塑表皮。

图1 搪塑工艺流程

搪塑工艺的优势在于整个加工过程都在一个无应力作用的摸具中，搪塑粉受热在自身重力和模具的旋转作用下均匀地熔融覆盖在模具内表面上[2]。模具的设计形状不受限制，适合复杂的三维设计并可以保证稳定的表面纹理，从而使汽车内饰在美观性和舒适度上比其他软质内饰材料更有优势。

03搪塑TPO 材料

与一般成型工艺相比，搪塑对原材料的流动性能、力学性能、热稳定性能以及熔融性能等方面都有严格要求。传统的搪塑工艺均采用聚氯乙烯（PVC）粉末材料，其具有良好的复型能力并且成本相对低廉，在汽车内饰上应用非常广泛。但是PVC 材料普遍存在耐光老化、耐热老化、耐低温性能以及耐胺性能差，并且其气味重、VOC 高、增塑剂易迁移且材料不可回收，行业内一直在积极寻找更加优良的替代材料方案，其中热塑性聚烯烃弹性体（TPO）材料就是其中之一。主要对搪塑PVC 表皮和搪塑 TPO 表皮的材料性能以及工艺特点进行分析。

TPO（聚烯烃类热塑性弹性体）由橡胶和聚烯烃混合而成，它既具有橡胶材料的特性，又具有热塑性树脂的性能，是 100%可以回收的热塑性弹性体。TPO 是仅次于苯乙烯类热塑性弹性体（TPS）的第二大类 TPE（热塑性弹性体）材料，广泛应用于电线电缆、家用电器、汽车制造业、医疗等领域。TPO 材料具有优异的耐热性、耐光性和耐寒性，并且其密度低、气味小、VOC 含量低，在汽车行业应用比较普遍。TPO 在汽车装饰表皮中以真空吸塑成型工艺为主，搪塑 TPO 才刚刚起步。2008 年北美，搪塑 TPO 第一次被用于Saab 9-7X 仪表板，该零件相对于搪塑 PVC 减重 20%，且挥发性有机化合物（VOC）和雾化的性能更好。目前国内吉利汽车已开始进行搪塑TPO 样件试制，通用、福特和神龙汽车也对其进行了材料验证。

TPO 搪塑粉的制造程序如图2 所示[3]。PVC 搪塑粉的微观结构类似于球形，而 TPO 搪塑粉的微观结构不太规则（图3），因此TPO 粉末的流动性没有PVC 粉末好，其成型性也较差、脱模困难。但经过不断改进，TPO 搪塑表皮外观已经可以和 PVC搪塑表皮相媲美。

图2 TPO 搪塑粉生产流程

（a）搪塑PVC粉（b）搪塑TPO粉

图3 微观示意

04搪塑TPO 表皮的性能

汽车内饰用覆盖材料不仅要求质量轻、美观精致、手感舒适，并且对安全性能（低硬度、低脆性），环保性能（无毒、低气味），使用性能（耐热性、耐寒性、抗渗透、光稳定性、抗划痕、抗胺）都有较高的要求[4]。PVC 材料已经应用多年，原材料来源相对广泛，价格相对低廉。TPO 是一种新型的热塑性聚烯烃弹性体材料，在国外汽车制造中已有少量应用。这里选用了颜色、纹理厚度相同的恩坦华搪塑TPO 表皮和三菱化学搪塑PVC 表皮进行部分材料性能对比。如表 2 所示,TPO 在轻量化、可回收、低温韧性、雾化方面的性能优于PVC。

表2 搪塑TPO 表皮和搪塑PVC 表皮性能对比表

材料物性搪塑TPO搪塑PVC

密度/g·cm^-30.9 1.2

邵氏A硬度6871

雾化（100 ℃/3 h）雾化指数99%雾化指数97.1%

可回收性可回收不可回收

玻璃化转变温度/℃-34-27

近几年第三方调研数据显示，“车内有令人不愉悦的气味”

问题排名持续第一。因车内气味问题造成的车辆召回事件也时有发生，车内环境品质已成为影响消费者购车的主要因素之一。气味等级按大众标准分为 6 级（1 级为无气味/觉察不到；2 级为强度较弱/用力嗅才能觉察到；3 级为中等强度/气味分明；4 级为高强度/气味突出；5 级为很高的强度/气味很重；6 级为难以忍受/不得不拿开）。将 20 cm3 的搪塑

PVC 表皮和 TPO 表皮样品分别放入密封的玻璃瓶中在烘箱内加热至 80 ℃， 保温 2 h 后放在恒湿恒温间 1 h 后用于气味实验。两者的试验

结果表3 所示，TPO 表皮的气味明显优于PVC 表皮。

表3 搪塑TPO 表皮和搪塑PVC 表皮气味等级对比表

样品名称气味等级不可接受率搪塑PVC 3.5级20%搪塑TPO

3.0级

0%

挥发性有机化合物（VOC）

随着我国汽车保有量的急剧攀升以及消费者健康意识的不断增强，车内空气质量正越来越多地被全社会关注。尤其是环保部决定将国标

GB/T 27630《乘用车内空气质量评价指南》修订为强制标准后， 消费者的绿色环保意识和维权意识空前提升。利用热解吸/气相色谱法/质谱

测定法联合测定搪塑PVC 、TPO 表皮材料释放出的VOC 含量结果如表4 所示， TPO 表皮的苯系物和TVOC 含量低于PVC 表皮，因此搪塑

TPO 表皮在汽车内饰上使用更加环保。

表4 搪塑TPO 表皮和搪塑PVC 表皮VOC 对比表mg/kg

VO C 物质样件甲醛乙醛丙烯醛苯甲苯乙苯二甲苯苯乙烯TVO C （C166）~C

搪塑PVC 0.04---0.060.20.2-63搪塑TPO

0.02

-------28

热老化

将搪塑 TPO 表皮和 PVC 表皮放入烘箱中进行120 ℃/21 天的热老化试验，分别测试老化前后的断裂强度 、断 裂伸长率以及玻璃化转变温度（Tg ）。图 4 显示了搪塑 TPO 表皮和 PVC 表皮经过热老化后断裂强度和断裂伸长率的变化情况；图5 为 2 种材料的玻璃化转变温度变化情况。PVC 在老化过程中大分子链会发生脱氯化氢（HCL ）反应，分子主链上会产生不稳定的不饱和键，同时部分增塑剂会迁移到材料表面并挥发掉，所以 PVC 表皮老化后明显变脆，断裂强度和伸长率均出现了明显降低。120 ℃/21 天热老化后的搪塑 TPO 和PVC 表皮外观如图 6 所示，TPO 表皮外观保持较好，但 PVC 表皮边缘有明显翘曲。汽车在暴晒的情况下，车内温度可高达80 ℃，仪表板的温度可高达120

℃，因此搪塑TPO 表皮耐高温性能更优异。

图4 热老化后的断裂强度和伸长率的变化率

气味性

光老化

将搪塑PVC 表皮和TPO 表皮暴露在ATLAS司生产的氙弧灯（CI 3000）的光照及热辐射下300 h，通过模拟自然气候和日光照射等实验条件来测试材料的耐光老化性能，结果如表5 所示。PVC 本身易发生光/热降解且伴随颜色变化，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（吸收可见光中的蓝光，样品会显黄），因此TPO 表皮的耐光老化性能比PVC 表皮更优异。

图5 玻璃化转变温度随热老化天数的变化

图6 120 ℃老化三周后的搪塑TPO 和PVC 表皮外观

表6 搪塑TPO表皮和搪塑PVC表皮磨擦色牢度性能对比/级

样品名称灰度卡评级

搪塑PVC3/4级

搪塑TPO4/5级

摩擦色牢度

为评估搪塑 TPO 表皮的摩擦色牢度性能，采用CROCKMETER 摩擦色牢度仪、用干燥和浸润有化学介质的标准白布摩擦样件表面，并参照灰度卡对标准白布（沾色）和表皮样件（褪色）进行评级，实验结果如表 6 所示，搪塑 TPO 表皮耐乙醇性能不及搪塑PVC 表皮，但也在可接受范围。

05搪塑TPO 表皮的成

型

搪塑 TPO 表皮与搪塑 PVC 表皮成型工艺类似，可以共用成型设备，但是由于TPO 材料具有流动性较差，加工温度区间较窄，熔体粘度随温度变化较大等缺点，搪塑TPO 表皮成型难度较大，搪塑工艺参数也与PVC 有所不同，具体如下。

表2 搪塑TPO 表皮和搪塑PVC 表皮性能对比表

搪塑PVC搪塑TPO

褪色沾色褪色沾色干态4/54/54/54/5

水4/554/55

肥皂水4/554/55

稀释50%乙醇4/554/54/5

预加热- 模温，搪塑 TPO 需要更高的模具温度，模具温度比搪塑PVC 高20 ℃左右，TPO 的塑化温度在230～250 ℃。模具温度太高会导致表皮烤焦，温度太低搪塑粉没完全转化为熔化的薄膜，表皮会出现小孔。

成型和旋转，由于 TPO 材料密度低，同时 TPO 粉料熔体流动性比PVC 差，所以搪塑TPO 模具的转速要高于搪塑PVC，否则无法得到厚度均匀的搪塑表皮，参考转速为 16 r/min。具体转速设定需要根据设备及零件结构进行调整，如果转速太快粉末的流动会比较混乱，表皮上会出现波浪状图案，还可能粉末自身出现粘结，在角落里堆积。如果转速太慢，粉末不能及时落到粉盒里，造成加热时间过长，粉末形成凝块，造成制品厚度不均等缺陷。

冷却和脱模，搪塑 TPO 表皮脱模需要比 PVC更加低的温度，模具温度最好控制在 40～50 ℃。如果模具温度过高，表皮脱模时可能会出现变形和撕裂，导致后期发泡中表皮尺寸和位置出现发生变化；如果模具温度过低，表皮脱模时需要更大的拉力，导致表皮表面拉伤。

凝胶/塑化时间，PVC 粉在加热过程中会出现明显的凝胶化转变过程，该转变有利于 PVC 树脂在模具中成膜，所以单从工艺上来说 PVC 是搪塑工艺的最佳材料。而TPO 在搪塑过程中需要更长的凝胶和塑化时间。

06结束语

搪塑成型工艺被广泛地应用于汽车内饰领域，TPO 作为一种新型的热塑性聚烯烃弹性体材料用于搪塑工艺制备成汽车内饰用表皮，由于其成型温度高、周期长，工艺及材料成本高，耐化学介质和耐划伤性能不及搪塑PVC 等缺点，目前汽车内饰搪塑TPO还未广泛应用。但搪塑TPO表皮具有密度小、气味低、VOC含量少、耐热老化、耐光老化、耐低温且可回收利用等优点，在轻量化和绿色环保的趋势下具有很好的发展前景。随着材料及工艺技术水平的不断发展，搪塑TPO 表皮将在汽车内饰制造领域得到更加广泛的应用。

参考文献

[1] 王菲. 增塑PVC 材料的搪塑成型—结构—性能相关性的分析[D]. 山东: 山东大学，2013.

[2] 陈娟, 徐子航, 李学, 等. 聚氯乙烯搪塑粉塑化成型与温度的相关性[J]. 高分子材料科学与工程. 2014, 30(3)：128-133

[3] Sandip Patel, Norm Kakarala and Tom Ellis. Development of a Slush Molded TPO Instrument Panel Skin [J]. SAE TECHNICAL PAPER Series, 2005-1-1224.

[4] 赵亚如. 聚氯乙烯搪塑粉料的配方设计及性能优化[D]. 山东: 山东大学, 2017