摘要：以聚氨酯座椅泡沫為研究對象,利用柱狀圖、故障樹圖、魚骨圖等質(zhì)量工具，分析了座椅泡沫的氣味來源。通過更換聚醚多元醇、增加MDI比例、選用反應(yīng)型催化劑、增加懸掛通風(fēng)后處理工藝等措施，提升座椅泡沫氣味狀態(tài)。結(jié)果表明：氣味提升方案有效，且能夠穩(wěn)定地維持在氣味6級以上，達(dá)到了相應(yīng)的氣味要求。同時(shí)，這些提升方案可以同步橫展至其他聚氨酯泡沫材料。
引言
聚氨酯材料是目前唯一一種在膠黏劑、纖維、塑料、橡膠、涂料、功能高分子等多維度應(yīng)用的材料[1]。在汽車車身及內(nèi)外部飾件中，如翼子板、引擎蓋、座椅、頂棚及門板材料等，有著廣泛的應(yīng)用。據(jù)統(tǒng)計(jì)車輛中聚氨酯用量為15～30 kg/輛，隨著聚氨酯應(yīng)用逐漸加強(qiáng)，預(yù)計(jì)我國汽車行業(yè)聚氨酯材料年消費(fèi)量約70萬t[2]。聚氨酯材料在隨型、加工便利性、輕量化等方面取得了多樣化的突破，但由于其高分子材料的特性，氣味和揮發(fā)性有機(jī)物(VOC)成為其限制因素。近年來隨著人們對健康安全的關(guān)注度越來越高，先后出臺了一系列相關(guān)的行業(yè)及國家標(biāo)準(zhǔn)。2011年頒布實(shí)施了推薦性國家標(biāo)準(zhǔn) GB/T 27630—2011《乘用車內(nèi)空氣質(zhì)量評價(jià)指南》，這促使國內(nèi)總裝廠對汽車座椅的揮發(fā)性有機(jī)物、舒適性能提出了更高的要求；而2020年7月1日開始實(shí)施的，將乘用車內(nèi)VOC的標(biāo)準(zhǔn)并入GB 18352.6—2016中進(jìn)行管控，要求嚴(yán)格控制八大揮發(fā)性有機(jī)化合物[3]。
通過不同分子量、不同官能團(tuán)的分子鏈結(jié)構(gòu)，聚氨酯材料可以呈現(xiàn)不同形態(tài)、性能和功能。同時(shí)，由于聚氨酯的反應(yīng)過程是異氰酸酯和多元醇的酯化反應(yīng)，異氰酸酯同時(shí)又能與水等反應(yīng)生產(chǎn)二氧化碳?xì)怏w。因此，可以將其應(yīng)用擴(kuò)展至泡沫材料領(lǐng)域。在汽車零件中，聚氨酯泡沫主要應(yīng)用于座椅泡沫、前圍隔音墊泡沫、地毯泡沫。綜合性能要求、應(yīng)用占比，聚氨酯材料在車內(nèi)最主要的應(yīng)用就是座椅泡沫。
1、座椅氣味狀態(tài)分析
汽車座椅可以分為前排座椅和后排座椅，后排座椅又可以細(xì)分為折疊式和非折疊式座椅。座椅由多種機(jī)構(gòu)和材料組成，是汽車內(nèi)飾中主要的組成部分。座椅包括面套、泡沫、骨架、注塑件和其他附件。座椅面套是由織物或皮革縫制而成;泡沫為聚氨酯發(fā)泡;骨架是由多種不同強(qiáng)度的金屬材料加工焊接而成;注塑件包括座椅背板、座椅側(cè)飾板，由ABS、PP、PA等材料注塑生產(chǎn);其他附件包括開關(guān)、加熱墊等子零件，根據(jù)配置不同而存在多種變化和組合。
座椅對車內(nèi)氣味狀態(tài)的影響較大，座椅面套、座椅泡沫、座椅注塑件均對座椅的氣味狀態(tài)有貢獻(xiàn)。文中采用柱狀圖分析工具，收集了氣味提升前不同供應(yīng)商的不同批次座椅氣味狀態(tài)，如圖1所示。由圖可以看出，C廠家的座椅氣味狀態(tài)存在一定波動(dòng)，需要對其座椅氣味狀態(tài)進(jìn)行分析和提升。
圖1 不同供應(yīng)商的不同批次座椅氣味狀態(tài)
2、座椅氣味來源分析
2.1 故障樹圖分析
采用故障樹圖的方式，對C廠家座椅氣味問題的來源和成因進(jìn)行分析。圖2為座椅氣味來源的故障樹圖分析。
圖2 座椅氣味來源的故障樹圖分析
故障樹圖分析可針對涉及座椅氣味的全因子進(jìn)行拆解分析。通過對座椅子零件的氣味狀態(tài)排查和味型分析，形成匯總信息。氣味測試方法采用公司內(nèi)部標(biāo)準(zhǔn)，評價(jià)等級為1～10級，等級越高氣味越好。氣味評價(jià)測試溫度為70 ℃，干法，測試容器為1 L玻璃瓶。氣味采用主觀評價(jià)，樣品按照要求裁剪后，放置于玻璃瓶中密封烘烤，最后由經(jīng)過培訓(xùn)的氣味評價(jià)員進(jìn)行嗅辨并給出氣味等級評價(jià)。
表1為座椅子零件的氣味狀態(tài)。由表可以看出，氣味狀態(tài)不良且味型與座椅一致的為座椅泡沫。
表1 座椅子零件的氣味狀態(tài)
由于涉及聚氨酯的座椅泡沫性能要求較高，不僅需要滿足短時(shí)間的強(qiáng)度、回彈等要求，還需要滿足長周期下的壓縮回彈、耐熱、耐濕等老化性能。因此，座椅泡沫對原材料和配方的要求也不同于前圍、地毯、頂棚等其他發(fā)泡材料。這種原材料和配方的差異，導(dǎo)致了不同座椅供應(yīng)商的不同開發(fā)方向，對座椅泡沫的氣味提升提出了更高的要求，也影響了行業(yè)內(nèi)座椅泡沫氣味的交流和橫展。
2.2 魚骨圖分析
圖3是采用魚骨圖的質(zhì)量分析工具，從人機(jī)料法環(huán)測的角度，分別篩選座椅泡沫的氣味影響因素。
圖3 座椅泡沫氣味來源的魚骨圖分析
3、座椅泡沫的加工過程
座椅泡沫的生產(chǎn)工藝(圖4)與其他聚氨酯材料相近，都是由A料和B料按照一定比例混合，在一定溫度條件下，通過酯化反應(yīng)聚合而成。其中A料主要是聚醚多元醇、硅油、穩(wěn)定劑和催化劑等多種助劑;B料主要是異氰酸酯，可以是MDI、TDI的其中一種或兩種的混合物。
圖4 座椅泡沫的生產(chǎn)工藝
4、座椅泡沫各材料組成氣味分析
4.1 聚醚多元醇對聚氨酯泡沫材料氣味的影響
聚醚多元醇是以低相對分子質(zhì)量多元醇、多元胺或含活潑氫的化合物為起始劑，與氧化烯烴在催化劑作用下開環(huán)聚合而成[4]。聚醚多元醇純品無特殊異味，但在多元醇合成過程中，原材料和助劑的殘留，反應(yīng)的副產(chǎn)物等導(dǎo)致成品的異味問題。聚醚多元醇作為聚氨酯泡沫材料的主體構(gòu)成，原料中所占比例較大，降低聚醚多元醇中的氣味物質(zhì)是改善聚氨酯泡沫材料氣味屬性的重要措施之一。聚醚多元醇?xì)馕秮碓从蟹磻?yīng)副產(chǎn)物丙烯氧基聚醚、精制過程中分解的醛類、氧化后的聚醚氧化物等[5]。當(dāng)前主要通過催化體系、聚合及后處理工藝等方法對其氣味進(jìn)行改進(jìn)。
針對C廠家座椅泡沫，聚醚多元醇廠家提供了提純后的N系列排號。
4.2 大量應(yīng)用改性 MDI 來替代傳統(tǒng)的 TDI
聚氨酯泡沫B料為異氰酸酯，異氰酸酯主要有TDI材料和MDI材料。TDI是甲苯二異氰酸酯，具有一定毒性;MDI是苯基甲烷二異氰酸酯，相對更加環(huán)保。在聚氨酯泡沫的實(shí)際使用中，各個(gè)座椅廠家逐步發(fā)現(xiàn)MDI合成的聚氨酯泡沫，在氣味方面有一定優(yōu)勢。同時(shí)，經(jīng)過改性的MDI能夠便于發(fā)泡材料的存放和混合，各個(gè)座椅廠家逐步增加了MDI的應(yīng)用比例。
針對C廠家座椅泡沫，經(jīng)過對比驗(yàn)證，將MDI與總體異氰酸酯的占比提高10%。
4.3 催化劑的選用
叔胺類催化劑是聚氨酯泡沫材料所必需的，其決定著發(fā)泡反應(yīng)過程，泡沫材料的硬度和孔性都取決于這類催化劑[6]。叔胺類催化劑根據(jù)結(jié)構(gòu)可分為脂肪族叔胺如雙二甲胺基乙基醚(BDMAEE)，芳香族叔胺如N-甲基嗎啉(NEM)和雜環(huán)叔胺如三乙烯二胺(TEDA)。工業(yè)上通常選擇多種類型的叔胺催化劑，復(fù)配提升催化效果。但大多數(shù)叔胺類催化劑不參與反應(yīng)，反應(yīng)完成后，在泡沫多孔結(jié)構(gòu)中游離的叔胺類催化劑會揮發(fā)產(chǎn)生氨臭味，影響汽車玻璃的霧化和有嚴(yán)重的新車異味現(xiàn)象。當(dāng)前主要通過低揮發(fā)性胺類催化劑和自催化聚醚多元醇來解決催化劑殘留導(dǎo)致的異味問題。
反應(yīng)型催化劑是含有活性氫原子的胺類化合物，易與異氰酸酯結(jié)合，與泡沫大分子交聯(lián)結(jié)合鏈的一部分，減小了催化劑的散發(fā)。采用反應(yīng)型催化劑,用水代替物理發(fā)泡劑發(fā)泡的方法合成了聚氨酯方向盤,其力學(xué)性能和氣味均能達(dá)到要求。
針對C廠家座椅泡沫，將非反應(yīng)型催化劑更換為反應(yīng)型催化劑。
4.4 脫模劑的選用
聚氨酯泡沫材料中有多種材料構(gòu)成與膠黏劑成分相似，在發(fā)泡過程中少量泡沫成分會附著于模具內(nèi)表面，因此需要使用脫模劑，便于泡沫制品和模具的分離[7]。聚氨酯泡沫脫模劑有內(nèi)脫模劑和外脫模劑兩種類型。內(nèi)脫模劑會影響發(fā)泡效果，且仍需要外脫模劑配合使用;外脫模劑應(yīng)用更為重要，外脫模劑一般由介質(zhì)和脫?；钚晕镔|(zhì)組成，介質(zhì)一般是有機(jī)溶劑或水，脫模活性物質(zhì)常見的有硅油、蠟及油脂等?，F(xiàn)用的外脫模劑中使用的有機(jī)溶劑(如鹵代烴及脂肪烴等)，存在較大污染，且存在異味問題，因此以水為介質(zhì)的水基脫模劑受到人們極大關(guān)注[8]。雖然水性脫模劑用水作載體，可極大地降低脫模劑的 VOC，然而，與傳統(tǒng)的含有機(jī)溶劑的脫模劑相比，水性脫模劑的缺點(diǎn)是水分在工藝時(shí)間內(nèi)不能完全揮發(fā)。殘留水分與異氰酸酯化合物反應(yīng)，會出現(xiàn)消泡的現(xiàn)象，同時(shí)在模腔內(nèi)生成非常堅(jiān)硬的聚脲化合物，必須通過復(fù)雜的清洗才能除去積垢。水性脫模劑可有效減少生產(chǎn)過程中 VOC 的排放，因而在汽車自結(jié)皮等內(nèi)飾件領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。
通過對比驗(yàn)證，水性脫模劑在現(xiàn)有模具和發(fā)泡體系下，無法滿足外觀和批量使用要求。針對C廠家座椅泡沫提升，重新尋源并作對比驗(yàn)證，將原有非低氣味脫模劑更換為低氣味脫模劑。
4.5 后處理工藝
通過聚氨酯泡沫材料自身的提升，對座椅泡沫的氣味改善已具有一定優(yōu)勢。雖然座椅泡沫的氣味一致，仍存在管控風(fēng)險(xiǎn)。由于泡沫是一種多孔材料，座椅泡沫更是一種開孔泡沫，材料內(nèi)部存在氣味連通的通道，因此，座椅泡沫采用通風(fēng)處理的氣味提升效果較好。
目前，隨著國內(nèi)用戶對健康用車和車內(nèi)氣味狀態(tài)的不斷關(guān)注，各個(gè)主機(jī)廠和車內(nèi)主要?dú)馕蛾P(guān)重件都將氣味作為基建技改提升的重要考量。因此，在C廠家的氣味提升方案中，也將座椅懸掛鏈通風(fēng)作為后處理工藝納入其中。不同時(shí)間的懸掛鏈通風(fēng)處理，可以有效地使座椅泡沫自帶的小分子揮發(fā)，減少其對材料的氣味影響。同時(shí)，在懸掛通風(fēng)的過程中，也是座椅泡沫不斷熟化的過程，可以將熟化過程中新產(chǎn)生的小分子異味一并排出。
表2是針對不同時(shí)間懸掛后的泡沫氣味狀態(tài)的對比?？梢钥闯觯瑧覓?4～48 h是最優(yōu)的后處理工藝方案。根據(jù)C廠家的實(shí)際懸掛鏈長度和產(chǎn)能安排，最終鎖定懸掛不少于24 h的后處理要求。
表2 通風(fēng)懸掛時(shí)間對氣味性的影響
5、方案驗(yàn)證
圖5為氣味改進(jìn)后的座椅泡沫SPC分析。
圖5 氣味改進(jìn)后的座椅泡沫SPC分析
通過以上的氣味提升方案，采用SPC統(tǒng)計(jì)過程質(zhì)量分析工具，收集了多批次C廠家的氣味結(jié)果。由圖可以看出，氣味提升方案有效，且能夠穩(wěn)定地維持在氣味6級以上，達(dá)到了相應(yīng)的氣味要求。
通過C廠家的座椅泡沫氣味提升，也同步驗(yàn)證了聚氨酯泡沫材料的氣味提升方案。具體如下：
(1)采用純化的聚醚多元醇材料;
(2)適當(dāng)調(diào)高M(jìn)DI的占比;
(3)換用反應(yīng)型催化劑;
(4)采用低氣味脫模劑;
(5)增加一定時(shí)間的通風(fēng)后處理。
通過該方案管控的座椅泡沫提升后，相應(yīng)的整椅和整車氣味狀態(tài)也有明顯提升，實(shí)現(xiàn)了車內(nèi)異味的規(guī)避。通過這些方案的驗(yàn)證，可以橫展至其他車內(nèi)聚氨酯泡沫的氣味提升。如前圍隔音墊和地毯的聚氨酯泡沫，使用的材料部分與座椅泡沫相似，可以在一定程度上借鑒引用。
6、結(jié)束語
本文在聚氨酯座椅泡沫材料氣味提升中運(yùn)用了柱狀圖、故障樹圖、魚骨圖、流程圖、SPC等多種質(zhì)量工具，為質(zhì)量工具作為車內(nèi)空氣的開發(fā)和管控提供了一定的應(yīng)用實(shí)例。在柱狀圖中，充分對比了不同廠家的座椅氣味狀態(tài)，找出了故障問題的對象——座椅氣味;利用故障樹圖，對座椅的不同材料及工藝進(jìn)行拆解分析，結(jié)合子零件的測試排查結(jié)果，鎖定了核心氣味因素——座椅泡沫;通過魚骨圖和流程圖將座椅泡沫的氣味影響因素充分展開，便于后續(xù)有針對性地做提升方案。最終形成了改善后座椅泡沫的一致性管控。
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