汽車座椅用軟質(zhì)聚氨酯泡沫的進(jìn)展

1、汽車座椅用軟質(zhì)聚氨酯泡沫的進(jìn)展 李志峰 孫 軍 于善平 丁慧敏（長春富維 江森自控汽車飾件系統(tǒng)有限公司技術(shù)中心 長春 ）摘 要 ：從汽車座椅的靜態(tài)舒適性 動(dòng)態(tài)舒適性及環(huán)保性方面入手 ，以多元醇為主線 ，介紹了汽車 座椅用聚氨酯泡沫的發(fā)展歷程及發(fā)展趨勢 關(guān)鍵詞 ：汽車座椅 ；聚氨酯泡沫 ；靜態(tài)舒適性 ；動(dòng)態(tài)舒適性 ；環(huán)保中圖分類號(hào) ： 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 ： 文章編號(hào) ：（） 聚氨酯泡沫的最基礎(chǔ)反應(yīng) （異氰酸酯與醇的反 應(yīng) ）由 年在實(shí)驗(yàn)室發(fā)現(xiàn) ，年 在實(shí)驗(yàn)室首次 研 發(fā) 出 軟 質(zhì) 聚 氨 酯 泡 沫 （），年世界上第一座 生產(chǎn)工廠 在德國建立 ，但直到 年才有商業(yè)化 生 產(chǎn) 年汽車座椅開始使用 ，由

2、于聚 氨酯泡沫生產(chǎn)成本較低 ，同時(shí) 緩沖及減震特 性可以根據(jù)客戶的不同需要進(jìn)行調(diào)整 ，聚氨酯泡沫 逐漸成為汽車座椅用首選材料 ，年全球聚氨酯 硬泡和軟泡的產(chǎn)量為 萬 ，其中中國聚氨酯泡沫 塑料產(chǎn)量為 萬 用于汽車座椅主要是由于其緩沖及減震 特性可以滿足汽車座椅靜態(tài)及動(dòng)態(tài)舒適性要求 ，隨 著汽車工業(yè)的發(fā)展 ，對(duì)汽車座椅舒適性的要求不斷 提高 ，聚氨酯工業(yè)也隨之攻克了一個(gè)又一個(gè)技術(shù)難 題 ，滿足汽車工業(yè)不斷提高的要求 本綜述從汽車 座椅靜態(tài)舒適性 動(dòng)態(tài)舒適性及環(huán)保性等方面總結(jié) 了汽車座椅用聚氨酯泡沫材料的發(fā)展歷程 軟質(zhì)聚氨酯泡沫在靜態(tài)舒適性方面的進(jìn)展 汽車座椅靜態(tài)舒適性 是指汽車座椅與人體的 匹配

3、關(guān)系是否可以為乘員提供舒適的坐姿條件 座 椅的靜態(tài)舒適性與座椅的尺寸參數(shù) 表面質(zhì)量及調(diào)節(jié) 特性有關(guān) 聚氨酯泡沫對(duì)汽車座椅靜態(tài)舒適性的影 響主要有座椅對(duì)人體的支撐性 包裹性 汽車座椅的 點(diǎn)及人體臀部靜壓分布等 ，它對(duì)靜態(tài)舒適性的改善 主要通過制備聚氨酯泡沫的多元醇的改進(jìn)來實(shí)現(xiàn) 在聚氨酯工業(yè)發(fā)展初期 ，拜耳公司利用德國雄 厚的煤工業(yè)基礎(chǔ) ，以苯或甲苯為原料開發(fā)出端羥基 聚酯多元醇 由它制備的聚氨酯泡沫具有機(jī)械性能 好 耐油 耐磨性能優(yōu)等優(yōu)點(diǎn) ，但耐水解性差 ，在潮濕 環(huán)境下容易失效 世紀(jì) 年代美國杜邦公司開 發(fā)出以石油裂解化合物為原材料的聚醚多元醇 ，年 公司和 公司 開發(fā)出以聚醚多 元醇為原料的

4、聚氨酯泡沫 ，與聚酯多元醇相比 ，聚醚 多元醇價(jià)格較低 ，同時(shí)聚醚多元醇泡沫耐水解性和 低溫柔韌性好 ，現(xiàn)在 的聚氨酯泡沫塑料是由聚 醚多元醇制備得到 聚醚多元醇通常使用的聚醚多元醇由環(huán)氧丙烷和起始劑在 催化劑存在下聚合得到 ，起始劑為含有活潑氫的化 合物 ，常用的起始劑有甘油 季戊四醇 木糖醇等 ，其 中 使用的聚醚多元醇的起始劑主要為甘油 ，起始劑的作用為 ：（）控制聚醚多元醇的相對(duì)分子 質(zhì)量 ，起始劑的加入量大 ，得到的聚醚多元醇的相對(duì) 分子質(zhì)量小 ，反之 ，加入的起始劑量小 ，則得到的聚 醚多元醇的相對(duì)分子質(zhì)量大 ；（）利用起始劑所含 活潑氫原子數(shù)來控制聚醚多元醇的官能度 高活性聚醚多

5、元醇早期聚氨酯泡沫制品均采用熱熟化工藝 ，為了提 高生產(chǎn)效率 降低成本 ，在研究催化劑的同時(shí)也對(duì)聚 醚多元醇進(jìn)行了深入的研究 研究發(fā)現(xiàn) ，由環(huán)氧丙烷 制備得到的聚醚多元醇的羥基均為仲羥基 ，如果仲羥 基轉(zhuǎn)變?yōu)椴u基 ，聚醚多元醇的反應(yīng)活性可提高 倍 后期研究發(fā)現(xiàn) ，用環(huán)氧乙烷作為原料制備的多元 醇為伯羥基聚醚多元醇 ，基于此開發(fā)出環(huán)氧乙烷改性 的高伯羥基含量的聚醚多元醇 ，用此伯羥基聚醚多元 醇制備聚氨酯泡沫所需反應(yīng)溫度降低 ，此生產(chǎn)工藝稱 為冷熟化工藝 ，所得泡沫的回彈性及其它力學(xué)性能都 得到極大提升 ，尤其泡沫的回彈性能優(yōu)異 ，因此所得 泡沫稱為高回彈泡沫 （泡沫 ）聚氨酯的生產(chǎn)工藝中 ，

6、并不能使用全部端基為 伯羥基的聚醚多元醇 ，因?yàn)槎嘶珵椴u基的多元 醇與異氰酸酯的相容性差 ，不利于反應(yīng)進(jìn)行 ；即使在 反應(yīng)體系中加入計(jì)算量的環(huán)氧乙烷 ，由于位阻 體系 內(nèi)部各種反應(yīng)的競爭及工藝條件的限制 ，不能得到 全部端基為伯羥基的聚醚多元醇 現(xiàn)生產(chǎn) 泡沫 中所使用的高活性聚醚的兩端是用環(huán)氧乙烷封端制 得的 ，其伯羥基質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 接枝聚醚多元醇雖然高活性聚醚多元醇制備得到的高回彈聚氨 酯泡沫基本物性與傳統(tǒng)聚醚多元醇制備得到的聚氨 酯泡沫相比有很大提高 ，但是泡沫的壓陷硬度較低 ，對(duì)產(chǎn)品的舒適性有很大影響 提高產(chǎn)品的壓陷硬度 的方 法 有 以 下 種 ：提 高 異 氰 酸 酯 指 數(shù) 使

7、用 純 ，和加入填料 提高異氰酸酯指數(shù)雖然可以 提高泡沫的硬度 ，但異氰酸酯的價(jià)格很高 ，增加了生 產(chǎn)的成本 ，同時(shí)增加水含量 ，有燒芯危險(xiǎn) ；生產(chǎn)純 ，的生產(chǎn)成本也較高 ；在配方中只有增加填 料是最簡單的方法 ，最初添加碳酸鈣 白炭黑 滑石 粉和石膏粉等無機(jī)微粒 ，產(chǎn)品的硬度雖然有所增加 ，但產(chǎn)品的密度增加 ，部分產(chǎn)品性能下降 ，使用壽命下 降 在加工方面 ，加入的無機(jī)微粒與聚醚有明顯 的界面 ，分散不均勻 ，容易沉淀 此體系的分散穩(wěn)定 性及計(jì)量輸送等都不適用于大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn) 世紀(jì) 年代初 ，公司推出聚合物聚醚多 元醇 ，這種新型有機(jī)聚合物填充聚醚多元醇完全 克服了無機(jī)填料的缺點(diǎn) ，它不僅

8、可以和無機(jī)離子一 樣分散 ，聚合物粒子和分散介質(zhì)部分發(fā)生化學(xué)反應(yīng) 形成穩(wěn)定的分散介質(zhì) ，使聚合物多元醇不易發(fā)生相 分離 在泡沫發(fā)泡過程中 ，這些粒子均勻分布在泡 孔壁上 ，提高開孔性 ，改善了發(fā)泡工藝性 同時(shí)聚合 物多元醇的引入提高了泡沫的硬度和壓陷負(fù)荷性 能 ，這對(duì)于改善聚氨酯泡沫制品抗壓縮形變性能具 有重要作用 聚合物聚醚多元醇的引入完善了高回 彈聚氨酯泡沫和冷熟化生產(chǎn)工藝 聚合物聚醚多元醇是用基礎(chǔ)聚醚多元醇 高活 性聚醚多元醇或者分子鏈中含有不飽和鍵的聚醚多 元醇為母體 ，與乙烯基單體進(jìn)行一次或者兩次聚合 得到 ，聚合物多元醇體系含有聚醚多元醇母體 聚合 物微粒及乙烯基單體與聚醚多元醇母

9、體生成的接枝 共聚物 在聚合物聚醚多元醇體系中少量存在的接 枝共聚物對(duì)體系的穩(wěn)定性有很大的貢獻(xiàn) ，研究發(fā)現(xiàn) 僅含有 丙烯腈聚醚接枝共聚物的聚合物多元 醇分散相 ，在室溫下保存 年也不會(huì)發(fā)生相分離 聚合物多元醇中乙烯基單體體系的選擇可根據(jù) 烯類聚合物和聚醚多元醇的相容性及生成的接枝聚 合物的數(shù)量而定 ，現(xiàn)在常用的單體有 ：苯乙烯和丙烯 腈 早期使用的乙烯基單體是丙烯腈 ，丙烯腈制備 的聚合物聚醚多元醇制備的產(chǎn)品長時(shí)間放置容易變 色 為了解決聚氨酯泡沫產(chǎn)品易變色開發(fā)出了苯乙 烯 丙烯腈混合單體制備的聚合物多元醇 ，現(xiàn)在汽車 座椅用聚氨酯泡沫中主要使用苯乙烯 丙烯腈混合 單體制備的聚合物多元醇 聚氨

10、酯泡沫在座椅動(dòng)態(tài)舒適性方面的進(jìn)展汽車動(dòng)態(tài)舒適性主要評(píng)價(jià)汽車在行駛過程中汽 車座椅對(duì)車身傳遞的震動(dòng)的響應(yīng)情況 人體的各個(gè) 部位都有比較敏感的振動(dòng)頻率范圍 ，處于這些范圍 內(nèi)的振動(dòng)環(huán)境會(huì)讓人感覺很不舒服 圖 是人體各 個(gè)部位比較敏感的振動(dòng)頻率范圍 圖 人體各部位的自然頻率從圖 可 以 看 出 ，人 體 的 自 然 頻 率 是 汽車車身的自然頻率是 ，因 此有乘 員 乘 坐 的 汽 車 座 椅 的 自 然 頻 率 應(yīng) 控 制 在 ，這樣座椅就與車身隔絕了 汽車座椅是由各種各樣的零件組成的 ，但是座 椅的堅(jiān)硬件或者結(jié)構(gòu)件 （如靠背骨架 座盆 調(diào)角器 和調(diào)節(jié)器等 ）對(duì)汽車座椅的動(dòng)態(tài)舒適性影響很小 ，研究

11、數(shù)據(jù)表明 ，如果改變汽車座椅堅(jiān)硬區(qū)域和結(jié)構(gòu) 件附近的自然頻率 ，座椅的自然頻率沒有太大的變 化 如果要調(diào)節(jié)座椅的自然頻率在 范 圍內(nèi) ，金屬件對(duì)汽車座椅的自然頻率影響較小 ，因此 聚氨酯工業(yè) 第 卷就只能借助汽車座椅的非結(jié)構(gòu)件 （面套 發(fā)泡件和 懸浮機(jī)構(gòu) ）面套 發(fā)泡件和懸浮機(jī)構(gòu)組成一個(gè)組 合彈簧 ，提供舒適性和隔絕作用 現(xiàn)在很多座椅沒 有懸浮件只有面套和發(fā)泡件 江森公司早期的研究 發(fā)現(xiàn) ，有懸浮機(jī)構(gòu)的組合彈簧體系 ，面套起 的作用 ，泡沫件起 的作用 ，懸浮機(jī) 構(gòu)起 的作用 現(xiàn)在的大部分汽車座椅 不再使用懸浮機(jī)構(gòu) ，同樣考慮面套和泡沫件對(duì)舒適 性和振動(dòng)的隔絕作用 ，其中面套起 的作 用 ，泡

12、沫件起 的作用 ，由此可見 ，泡沫對(duì) 于汽車座椅的動(dòng)態(tài)舒適性有很大的貢獻(xiàn) ，調(diào)整泡沫 自然頻率可以改善汽車座椅的動(dòng)態(tài)舒適性 現(xiàn)在汽車工業(yè)大規(guī)模使用的聚醚多元醇是由甘 油作為起始劑 ，環(huán)氧丙烷和環(huán)氧乙烷為反應(yīng)物 ，制備 得到的三官能團(tuán)聚醚多元醇 由于環(huán)氧丙烷在聚合 過程中發(fā)生副反應(yīng) ，生成一端為不飽和雙鍵的聚醚多 元醇 ，因此生成的聚醚多元醇的官能度降低 （不飽和 度較高 ）不飽和雙鍵不能參與形成氨酯鍵的反應(yīng) ，用此含有不飽和雙鍵的聚醚多元醇和異氰酸酯反應(yīng) 生成的聚氨酯泡沫 ，會(huì)產(chǎn)生結(jié)構(gòu)缺陷 ，這些缺陷部位 在聚氨酯泡沫受力時(shí)會(huì)降低泡沫的整體性能 研究發(fā)現(xiàn) ，使用甘油作為起始劑 ，但結(jié)構(gòu)有所不

13、同的低不飽和度的三官能度聚醚多元醇制備的聚氨 酯泡沫產(chǎn)品 （簡稱 泡沫 ）中交聯(lián)密度較高 ，產(chǎn)品 與傳統(tǒng) 泡沫相比具有以下幾方面的優(yōu)點(diǎn) ：對(duì)振 動(dòng)有很好的隔絕效果 ；應(yīng)力松弛效果明顯 這有助 于降低 點(diǎn) （指二維或三維人體模型樣板中人體軀 干與大腿連接點(diǎn)即胯點(diǎn) ）的移動(dòng) ；更低的應(yīng)力疲勞 ，提高產(chǎn)品的使用壽命 ；更好的支撐效果 ；泡沫產(chǎn)品的 受力分布比較均勻 ，可以降低振動(dòng)的傳遞 泡沫 的自身 頻 率 與 泡 沫 相 比 ，從 降 低 至 ，理想的泡沫自身頻率也是在 ，因此 泡沫對(duì)人體不適的振動(dòng)頻率具有較強(qiáng)的隔 絕性 在高速公路路面?zhèn)鬟f到車身的振動(dòng)頻率 的頻率范圍內(nèi) ，泡沫對(duì)振動(dòng)的過濾與 泡沫

14、相比 ，提高了 ，因此用 泡沫制備的 座椅具有較好的動(dòng)態(tài)舒適性 同時(shí)由于 泡沫內(nèi) 部具有均一的泡孔 ，其產(chǎn)品的力學(xué)性能優(yōu)越 ，所需的 泡沫厚度可以更薄 ，傳統(tǒng) 泡沫制備的座椅坐墊 的厚度需要 ，而用 泡沫后可以減薄 ，降低至 因此使用 泡沫對(duì)于車身減重具 有重要意義 汽車座椅用聚氨酯泡沫在環(huán)保性方面的進(jìn)展 低揮發(fā)性助劑 汽車制造商對(duì)車用材料的要求逐年提高 ，除了 材料機(jī)械性能 阻燃性 乘坐舒適性等指標(biāo) ，材料對(duì) 車內(nèi)環(huán)境如車體內(nèi)的氣味和霧度等的影響被列為新 標(biāo)準(zhǔn) 汽車座椅采用的 ，在生產(chǎn)過程中使用 叔胺類催化劑 ，可產(chǎn)生氨臭味 ，當(dāng)車內(nèi)溫度較高時(shí)可 揮發(fā) ，部分揮發(fā)物凝聚在車玻璃上 ，使玻璃模

15、糊 （即 霧化 ）所以為了降低聚氨酯泡沫的氣味 ，聚氨酯 行業(yè)近年來開發(fā)了低揮發(fā)催化劑 低揮發(fā)性胺類催化劑或無揮發(fā)性催化劑通常是 相對(duì)分子質(zhì)量較高 （高沸點(diǎn) ）或者反應(yīng)性催化劑 反應(yīng)性催化劑分子內(nèi)含羥基等活性氫基團(tuán) ，在泡沫 反應(yīng)成型過程中結(jié)合到聚氨酯樹脂中 ，從而無揮發(fā) 性 國外的一些專業(yè)聚氨酯助劑生產(chǎn)公司 ，如美國 氣體產(chǎn)品公司 日本東漕化工 德國 公司 美 國 聚氨酯助劑公司都有低揮發(fā)性 反應(yīng)性 催化劑出售 其中美國氣體產(chǎn)品公司的反應(yīng)性低散 發(fā)催化 劑 牌 號(hào) 有 ：等 日本東漕化工的 ，也是反應(yīng)性催化劑 采用反應(yīng)性催化劑的揮發(fā)性與傳統(tǒng)非反應(yīng)性催 化劑相比大大降低 ，但催化劑相比催化活性

16、也降低 ，因此體系中催化劑的加入量較大 生物基聚氨酯泡沫隨著全球油價(jià)上漲及資源的匱乏 ，人們又開始 把聚氨酯泡沫的原料來源轉(zhuǎn)到生物原料上 ，很多生 物材料如蓖麻油 大豆油 棕櫚油 等經(jīng)酯 交換反應(yīng)可以制備生物基多元醇 ，由于其來源比較 環(huán)保 ，同時(shí)聚氨酯泡沫可以生物降解 ，各國公司及研 究機(jī)構(gòu)開始投入大量的精力開發(fā)這類材料 ，年 美國 公司開發(fā)了由大豆油制備得到的多元醇 ，其應(yīng)用范圍幾乎與聚醚多元醇相同 ，年產(chǎn)能 多萬 國內(nèi)近年廠家也開始生產(chǎn)生物基聚醚 ，如廣州海珥瑪植物油脂有限公司可以提供軟泡 半 硬泡及硬泡用大豆油多元醇 歐美等國對(duì)回收材料的使用有法律要求 ，汽車 工業(yè)已經(jīng)大規(guī)模使用生物基

17、聚醚多元醇 由于我國 沒有強(qiáng)制要求 ，并且可以提供生物基聚醚多元醇的 期 李志峰 ，等 汽車座椅用軟質(zhì)聚氨酯泡沫的進(jìn)展廠家較少 ，所以生物基聚醚多元醇的使用尚未普及 ，隨著國家法律法規(guī)的逐漸完善 ，今后 年內(nèi)生 物基聚醚多元醇將是我國聚氨酯工業(yè)的新增長點(diǎn) 多硬度聚氨酯泡沫多硬度聚氨酯泡沫是高回彈聚氨酯泡沫的一個(gè) 分支 ，現(xiàn)在汽車工業(yè)已經(jīng)大規(guī)模使用 優(yōu)化的支撐 性和長時(shí)乘坐舒適性能可以通過座椅的不同區(qū)域使 用不同的硬度獲得 汽車座椅坐墊的不同部位對(duì)身 體的支撐力要求不同 ，因此可以在汽車坐墊的不同 部位設(shè)計(jì)不同的硬度 ，這樣在靜態(tài)及動(dòng)態(tài)條件下坐 墊可以為身體提供較好的支撐 早期的研究發(fā) 現(xiàn) ，汽

18、車坐墊對(duì)人體皮膚的壓力要小于 ，如果高于此值 ，不利于人體血液循環(huán) ，導(dǎo)致駕駛員產(chǎn)生 疲勞 同時(shí)要求汽車座椅在轉(zhuǎn)彎時(shí)對(duì)駕駛員或者乘 客提供較好的側(cè)邊支撐力防止側(cè)滑 ，這需要汽車坐 墊及靠背的側(cè)翼具有較高的硬度 乘坐者直接坐在被硬度較高泡沫包圍的軟質(zhì)泡 沫上時(shí)舒適性會(huì)明顯提高 ，這些較硬泡沫的硬度是 軟質(zhì)泡沫的 倍 ，因此垂直多硬度泡沫被開發(fā)出 來 ，此種多硬度聚氨酯泡沫制品的優(yōu)點(diǎn)是可以提供 舒適性指數(shù)大于 的泡沫制品 現(xiàn)在國際上普遍實(shí) 行的工藝方案是先澆注高密度聚氨酯泡沫 ，然后在 高密度聚氨酯泡沫上方放置無紡布 ，最后在無紡布 上澆注低密度聚氨酯泡沫 此生產(chǎn)工藝雖然制備的 產(chǎn)品性能優(yōu)越但是生產(chǎn)工序繁多 ，生產(chǎn)效率較低 結(jié)束語我國汽車用聚氨酯泡沫的發(fā)展已基本滿足汽車 工業(yè)的發(fā)展 ，但在動(dòng)態(tài)舒適性泡沫及生物基泡沫發(fā) 展方面還有較大發(fā)展空間 今后需加大聚醚多元醇 的新品開發(fā) ，促進(jìn)我國汽車用聚氨酯產(chǎn)業(yè)的發(fā)展 ，以 增加我國內(nèi)飾件生產(chǎn)廠家的全球競爭力 參 考 文 獻(xiàn)，：，：，（）：，：，朱長春 ，翁漢元 ，呂國會(huì) ，等 國內(nèi)外聚氨酯工業(yè)最新發(fā)展?fàn)顩r 深圳 ：中國聚氨酯工業(yè)協(xié)會(huì)第十六次年會(huì)論文