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汽车内饰行业-有机硅皮革与传统皮革的性能对比分析

作者:handler时间:2023-07-14 15:48590 次浏览

信息摘要:

近年来,随着生活水平提高和消费观念升级,人们对汽车的需求已不再是简单的代步工具,而是上升为智能舒适的“移动空间”。汽车座舱的舒适性自然获得了消费者的重点关注,甚至成为购车的重要考量。汽车座舱舒适性的评价维度很多,例如内饰装饰、空间、噪声、振动、操控、灯光、智能交互、气味等,其中精美的内饰装饰是确保舒适性的关键。汽车常见的内饰装饰材料通常有塑料、纤维面料、皮革、橡胶、木材、复合板材、毛毡等。皮革作为使用面积最大,且日常最频繁触碰到的软包覆材料,对汽车的舒适性有着至关重要的影响。早期,汽车内饰包覆用的皮革主要以动物真皮革为主。真皮质感高级、奢华、透气性好,但原料资源稀缺、利用率低、价格昂贵,且生产工艺不环保、环境污染大。因此,随着人造革的出现,真皮革的部分应用逐渐被替代。PVC革作为第一代人造革,因其综合性能优良、价格便宜,在汽车座椅、门板、主/副仪表板、立柱等内饰包覆上获得了广泛应用。

然而,PVC革本身手感偏硬、皮感差,需要添加大量增塑剂改善柔韧性[6]。PVC革在日常使用中,受光照、高温等多重影响,增塑剂容易挥发或迁移,会产生老化问题和刺激性异味,同时也会对人体健康产生危害。因此,PVC革目前的应用主要局限在低端或低配车型市场。PU革作为第二代人造革,因其手感丰满、柔软、机械性能优良,且不需要添加任何增塑剂,较PVC革更舒适、安全环保,但由于其价格高,目前主要应用在中高端车型市场。然而,PU革制备过程需要使用大量DMF(二甲基甲酰胺)溶剂,该物质具有明显的生殖毒性,成品中残留的DMF溶剂在日常使用中挥发出来,会对消费者的身体健康产生一定的危害。此外,PU革制品也存在一定的耐光老化、耐水解不足等问题。因此,PU革在当前应用中也存在一定的局限性和需要优化提升的地方。尽管近些年随着高分子技术的迅猛发展,特别是加工技术的不断革新,已衍生出许多其他皮革或功能皮革,比如超纤革、仿麂皮、香味皮革、抗菌革、负离子革、隔热革、透光表皮、导电皮革等。但这些皮革都是基于PVC或PU基础革衍生而来,虽然存在新的功能和体验,但从材料组成和应用角度来看,仍然未发生根本变化,且也存在很多不足之处,很难满足多样的市场需求和不断变化升级的需要。近些年,随着新材料、新工艺的不断涌现,以有机硅分子为原材料发展来的有机硅皮革,作为新一代人造皮革具有诸多独特性能和特点,但由于目前处于开发完成到推广阶段,市场应用比较少,仅在如高合等车型座椅、门板上少量使用。目前,关于有机硅皮革与其他常用传统人造皮革(如PVC革、PU革)性能比较研究很少,市场缺乏对该皮革材料突出特性的认识,从而不利于该材料在市场端的应用推广。本文从手感、回弹性、抗污性、耐光老化、耐热老化、耐水解、耐溶剂、耐折、气味、阻燃等方面比较了有机硅皮革与传统PVC革和PU革的差异,从而有利于让更多人认识有机硅皮革突出的特性,推动其量产应用,也为行业提供指导方向。

 

对比分析实验方法及分析:

A:实验方法:

(1)手感:用手直接触摸,然后根据主观感受进行评价。

(2)回弹性:将试样表面向内弯曲180°,在弯折处加载19.8N,在室温下保持24h,卸下负载观察样品。

(3)抗污性:选用(2.5±0.1)g雀巢速溶咖啡与(240±5)mL的水混合,加热至(70±10)℃;0.05g口红。让污染物在试样上保留30min,然后取一块150mm×150mm的擦拭布,将擦拭布浸在去离子水中,浸湿后轻轻扭干,然后用擦拭布在样品表面擦拭,直到擦拭布表面无颜色转移,按GB/T250评定皮革摩擦后表面的灰度等级。

(4)耐光照老化:按照SAEJ2412测试,在不同光照辐照量分别为430、830、1240kJ下测量3种皮革表面色差变化。

(5)耐水解性:试样吊挂在恒温恒湿器中湿热老化,温度为(70±2)℃,相对湿度为95%,恒温恒湿0~10周后,测量3种皮革表面色差变化。

(6)耐溶剂性:在试样表面分别滴1mL人工汗液、0.5%肥皂水、95号汽油、风窗洗涤液、石油醚、乙醇、清洗剂、柑橘类芳香剂,放置5min后用棉布吸干,然后在温度(23±2)℃、相对湿度(50±10)%下放置24h后,目测评定试样表面区域的变化。

(7)耐折性:常温25℃,低温-30℃,运动速度100次/min,测试极限耐折次数。

(8)耐热老化:100℃条件下,分别热老化100、300和500h,测量3种皮革表面色差变化。

(9)气味:70℃/24h,1L瓶子,湿法,试样尺寸为100mm×200mm。

(10)阻燃性能:按照GB8410进行试验。

分析评价:

1.手感评价

通过直接用手触摸,主观评价了3种不同皮革的手感差异,PVC革手感偏硬、干涩,皮感差;PU革手感丰满、柔软,皮感好。因此,PU革手感要明显优于PVC革。然而,相比PU革,有机硅皮革不仅手感柔软,而且滑爽细腻、亲肤,皮感更优,舒适性和体验性更佳。

2.回弹性评价

皮革常作为卷材运输,在堆放或储存过程中容易产生难以恢复的压痕,影响成型美观。根据耐折叠性测试可以评价皮革材料的回弹性好坏。180°对折压痕恢复情况,有机硅皮革表面折痕非常轻微,PU革折痕严重,PVC革折痕明显,这表明有机硅皮革要比其他两种人造革具有更好的压缩回弹性,更耐折叠堆放。

有机硅皮革优异的回弹性主要归因于分子链中主链柔顺性很好。因此,有机硅皮革在实际包覆应用中,特别是座椅零件,受坐压或者挤压产生的变形可以快速恢复,不容易产生永久性的褶皱,能够保持比较好的外形美观。

3.抗污性评价

采用两种典型污染试剂(咖啡和口红)对3种皮革进行抗污性测试,试验结果有机硅皮革可以达到4~5级的抗污效果,而PU革和PVC革均只能达到3级抗污水平。因此,有机硅皮革比PU革和PVC革具有更优异的抗污性能。

从分子结构及机制上分析,PU革和PVC革抗污性差的主要原因是PU和PVC分子链中均含有大量的极性基团,这些基团可以与污渍分子产生比较强的分子间作用力,从而形成稳定的吸附结构。由于有机硅分子链中不含极性基团,表面张力和表面能低,污渍分子不易牢固附着。通常,在汽车内饰设计中,由于浅色内饰更彰显尊贵、高档、大气和奢华,在高端豪华车中应用比较广泛。然而,浅色内饰有个致命的缺陷:不耐脏污和不易清洁。

因此,传统人造皮革为满足抗污和清洁要求,表面需要经过特殊处理,目前主流的方法一般是通过含氟或含硅材料形成惰性的表面涂层,由于其分子结构非常稳定,表面能低,可以有效阻隔脏污与传统革中极性基团结合,从而提升抗污性。这不仅增加了工艺的复杂性和成本,而且对其他性能可能产生不利影响。然而,有机硅皮革不需任何表面处理,本身就具有优异的抗污性和易清洁性。因此,有机硅皮革在汽车内饰,特别是浅色内饰装饰中具有先天优势。

4.耐光照老化评价

色差随光照辐照量的变化曲线如图1所示。随着光照辐照量增加,PVC革色差呈现明显上升趋势,PU革色差呈现轻微上升趋势,而有机硅皮革色差几乎未发生变化。当光照辐照量为430kJ时,有机硅皮革和PU革色差变化分别为0.525、0.906,未发生明显变化;而PVC革色差变化为2.571,出现较明显变化,明显大于前两者。当光照辐照量为830kJ时,PU革出现明显变化,色差变化为2.21;此时PVC革已出现严重变化,色差变化为8.76。随着光照辐照量进一步增加,达到1240kJ时,PU革出现较严重恶化,色差变化为4.36;PVC革出现严重恶化,色差变化为16.7;而此时有机硅皮革色差变化仅为0.96。结果表明,在耐光照老化性能方面,有机硅皮革要远优于其他两种传统皮革,PVC革最差,PU革仍需提升。有机硅皮革优异的耐光照老化性能主要归因于分子主链中Si—O键键能大,发生断裂需要吸收更多的光辐照能量。

 

5.耐水解性评价

色差随耐水解时间的变化曲线如图4所示。随着水解时间增加,PU革色差呈现明显快速上升趋势,PVC革色差呈现轻微上升趋势,有机硅皮革色差几乎未发生变化。水解两周时,有机硅皮革、PU革、PVC革色差变化依次分别为0.175、1.183、0.353。随着水解时间的进一步增加,达到10周时,有机硅皮革、PU革、PVC革色差变化分别为0.175、2.82、0.756,此时PU革要明显大于有机硅皮革和PVC革。结果表明,在耐水解性能方面,有机硅皮革最优,其次为PVC革,PU革最差。有机硅皮革优异的耐水解性能主要归因于分子主链中Si—O键键能大,不易水解发生断裂。

 

 

6.耐溶剂性评价

3种不同皮革分别接触以下不同溶剂后,耐溶剂性试验结果见表3,其评价结果如图5所示。结果表明,有机硅皮革接触不同溶剂后,皮革表面均未出现异常;然而,PU革接触石油醚后,皮革面有晕染痕迹,接触乙醇和柑橘类芳香剂后,皮革表面发雾并有轻微形变;PVC革接触汽油后,皮革面发雾,其余均未出现异常。因此,有机硅皮革的耐溶剂性能要优于PU革和PVC革。

 


 

 

7.耐折性评价

耐折性通常可以直观反应皮革柔韧性的好坏。座椅包覆皮革由于长时间要承受反复坐压和弯折,对皮革耐折性都有较高的要求。一般大部分主机厂,对PU革和PVC革的耐折技术指标要求为常温下10万次,低温下3万次。表4为有机硅皮革极限耐折性评价结果,常温(25℃)下可以达到25万次,低温(-30 ℃)下可以达到12万次,远高于PU革和PVC革的技术指标要求。因此,有机硅皮革具有优异的耐折性,可以轻松满足主机厂的技术标准和使用要求。然而,普通PU革由于分子链中含有大量极性和刚性基团,分子链间相互作用力强,空间位阻大,分子链旋转受限大,耐折性较低,需要进行特殊表面处理来提高耐折性。PVC革本身柔韧性比较差,特别是在低温环境下,会变硬变脆。因此,往往需要添加高比例的增塑剂改善柔韧性,从而满足耐折要求。增塑剂的添加对PVC革柔韧性会产生明显的提升,然而,随着日常使用过程受热老化、光老化等多重影响,增塑剂会慢慢迁移或挥发,柔韧性会变差,对应的耐折性也会下降。此外,增韧剂通常是邻苯甲酸醋类,对人体健康的危害也比较大。然而,有机硅皮革不需要添加任何增塑剂,也不需要特殊处理,本身就具有优异的耐折性,主要原因是:一方面,Si--0-Si键长和键角比较大,空间上容易自由旋转,使得分子主链的柔性比较大;另一方面,玻璃化温度很低,低温下依然处于高弹态,保持良好的柔韧性。

 

8.耐热老化评价

色差随热老化时间的变化曲线如图6所示。随着热老化时间的增加,3种皮革的色差变化均呈现上升趋势但PU革要明显大于有机硅皮革和PVC革。热老化100h时,有机硅皮革、PU革、PVC革色差变化分别为0.498、0.886、0.476,有机硅皮革与PVC革相当,均明显小于PU革:热老化300h时,有机硅皮革、PU革、PVC革色差变化分别为1.091、1.714、0.942,有机硅皮革略大于PVC革,但均明显小于PU革:热老化500h时,有机硅皮革、PU革、PVC革色差变化分别为1.477、2.42、1.367,有机硅皮革略大于PVC革,但均明显小于PU革。结果表明,在耐热老化方面,PVC革略优于有机硅皮革,但两者均要明显优于PU革。PVC革优异的耐热老化性能主要归因于添加的各种改性助剂,如热稳定剂等,而有机硅皮革主要是由于Si--0键键能大,发生断裂需要吸收更多热量。

 

 

9.气味评价

在1L瓶子里及70℃、24h湿法条件下对有机硅皮革、PU革和PVC革进行气味评价,得到气味评价结果均为6.0级。尽管单从测试数据来看,3种皮革并无差异。然而,通过比较工艺流程可发现,PU革的成型工艺有多种,气味表现好的主要为环保工艺生产的无溶剂PU革;PVC革需要采用环保型增塑剂和水性表面处理工艺,而且一致性波动较大。此外,PU革和PVC革为保证气味稳定性,通常下线后还会增加高温烘烤除味后处理工序。因此,达到同样的气味等级,PU革和PVC革需要更高和更复杂的工艺条件和流程,而有机硅皮革本身无异味,正常工艺条件就可以达到,且一致性波动小。因此,有机硅皮革在改善和解决车内空气异味方面也具有独特的优势。阻燃性能评价

 

10.阻燃性能评价

结果见表5。有机硅皮革、PU革、PVC革阻燃性能测试结果分别为0、41.7、0mm/min。结果表明,有机硅皮革和PVC革阻燃性能要明显优于PU革。PVC革良好的阻燃性能主要是由于本体树脂中含有大量卤素阻燃基团和添加的阻燃剂。此外,尽管PVC革阻燃性能较好,但PVC革燃烧过程中会释放剧毒二喂英和含氯化合物,对生态环境污染和人体健康危害非常大。然而,有机硅皮革不需要添加任何阻燃剂,本身就可以实现良好的阻燃效果,可能主要归因于:一方面,有机硅皮革中Si-0键键能大,断裂过程会吸收大量热量,降低了周围燃烧温度:另一方面,有机硅皮革燃烧过程中不仅不会释放可燃气体,而且会形成碳化硅阻隔层,阻隔氧气。因此,有机硅皮革不仅具有优异的阻燃性能,而且更加环保安全。

 

 

有机硅皮革作为新一代皮革,由于其原料、生产工艺、材料性能相比于早期的PVC革、PU革都有很大的突破和变化,能给用户带来更好的体验,更加绿色、环保、低碳,未来在汽车行业市场应用潜力很大。然而有机硅皮革在当前应用中仍然存在许多问题:

 

① 目前还处于开发到应用的导入期,技术还不够完全成熟,市场应用比较少;

 

② 属于新技术,有此技术的材料厂家很少,价格非常昂贵,成本压力非常大;

 

③ 金属催化反应体系对环境的要求高,因此生产线专线专用,生产周期长;

 

④ 受限于有机硅材料的惰性,无法实现有机硅皮革的修色和改色工艺,生产过程及批次间颜色稳定控制要求极高;

 

⑤ 反应型液体,颜色切换过程烦琐,颜色选择受限大,不适宜小批量加工;

 

⑥ 伸长率、弹力有限,不适合生产伸长率要求太高的产品;

 

⑦ PU革、PVC革材料内部都是有发泡空隙的,有机硅皮革合成反应没有发泡,结构比较紧密,普通的缝线工艺针穿刺的时候会比较费力,涉及缝线的工艺需要优化;

 

优化改进方向

 

尽管目前应用中还存在许多实际问题需要解决,然而随着环保、低碳、消费理念的升级,多元化的市场需求不断释放,有机硅皮革有望在高端豪华汽车市场受到重视。因此需要深入开展以下几个方面:1加强基础理论研究和应用相结合,推动技术不断成熟:2降低成本;3优化生产工艺,提高生产效率,扩宽应用种类和范围;4配套后加工工艺升级优化,增强后加工适应性。

 

结论

 

(1)在汽车内饰包覆应用中,尽管PVC革手感偏硬,皮感较差,但价格便宜,成本优势很大,目前在低端或低配车型市场仍然是主流:PU革手感丰满、柔软、舒适,皮感好,应用上可替代PVC革,但由于价格要比PVC革贵很多,成本上无明显优势,因此,目前主要应用于中高端车型市场。

 

(2)PU革和PVC革在应用中都存在一些性能不足,需要进一步优化提升等问题。PVC革存在着不耐光老化、安全环保性差、异味大、不耐脏污等缺陷;PU革存在着有毒DME溶剂残留、耐水解和耐光老化欠缺不耐脏污等缺陷。

 

(3)相比PU革和PVC革,有机硅皮革在手感、回弹性、抗污性、耐光老化、耐热老化、耐水解、耐溶剂、耐折、气味、阻燃等方面都具有非常突出的先天性优势,要优于其他两种传统皮革。

 

(4)有机硅皮革作为高性能皮革,其独特的性能和体验感在高端豪华车型上有望获得一定的应用。然而,目前也存在着一些应用问题,如技术不够成熟、成本高、工艺需要优化等。因此,需要材料、零部件供应商和主机厂加强合作,继续深入应用研究。