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汽车内饰专用热塑性弹性体 安心把控排放和气味

来源:荣格国际汽车设计及制造     发布时间:2019-06-13
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简介

对汽车内饰排放物质的敏感问题,自 20 世纪 80 年代初 期起便是人们探讨的话题。该问题主要由新车挡风玻璃内形 成的不必要凝结物引起。因此,人们最初关注的是如何获得 具体的雾化值。随后几年,内饰组件的相关要求变得更加广 泛和复杂。各种分析测试标准也逐步推出,以确保产品符合 排放标准。对汽车制造商和消费者而言,气味问题更加关键。 关于各大会议所讨论的气味问题的地区差异性,总体的评价 与 KRAIBURG TPE 的内部体验基本一致:在亚洲,没有气 味是优先考虑事项;而在欧洲,人们主要关注的是单个物质 和机动车舱内的整体排放情况。在北美,关于气味和排放物 质的争论要相对缓和一些。

由于热塑性弹性体 (TPE) 的材料性能好、应用范围广、 且加工成本低,因此这些材料在 20 世纪 90 年代得到了快速 发展。它们被应用于许多个领域,包括汽车内饰零部件。因此, 对 KRAIBURG TPE 而言,满足汽车制造商的要求十分重要。 三年多以前,公司启动了一个项目,以获取关于汽车内饰材 料的排放和气味值的全面信息,并深入了解这些材料的影响 因素。

 

排放测量和气味评估——项复杂挑战

测试材料的排放行为与测定普通材料的机械性能等数据 有很大不同。除 DIN、VDA 等各种标准外,汽车制造商也纷 纷建立了自己的标准。其中一些标准在规范上十分相似。目 前有超过 15 个标准可用来测定雾化行为,但它们都与 DIN 75201 相关。随着大量类似方法的出现,有一点需要考虑到,即根据测量参数的不同,每次排放测试所得的排放物质结果也 会不同。因此,符合 VDA 278 标准的动态热脱分析、VDA 277 标准的静态顶空分析,以及 ISO 12219 中规定的各种箱式方法, 均不能相互比较,也不能以任何方式转换测试值。看似相近的 测试方法往往在条件作用类型、测试温度或持续时间上有所不 同,因此得出的结果也是不可比较的。在某些测试中,设备的 校准和采样具有决定性作用,对测量结果有着重要的影响。

评估气味甚至比测量排放物质更重要。迄今为止,所有以 客观方法代替纯主观人类嗅觉的尝试都不是很有效。由训练有 素的小组按照 VDA 270 标准进行的评估方法至今仍保持其最先 进的地位。尽管经过强化训练和精确的小组选择,气味评估结 果仍可能存在显著差异。因此对于评估同一种材质,不同的实 验室或汽车制造商可能会得出不同的气味等级,这是很常见的。 在某种程度上,这种情况可能会由当地嗅觉或男女嗅觉不同而 引起。令 TPE 的汽车内饰认证更加困难的是,汽车制造商并不 采用统一的规范。

KRAIBURG TPE 经研究得出的基本结论包括,各种测试 结果在排放和气味之间并无相关性。不建议根据排放测试结果 来推测气味测试结果,反之亦然。不过,排放测试结果和气味 测试结果有个共同点,即它们均依赖于样本历史。这一点很 重要,随着测试方法的选择,该方法自 2019 年 1 月起已获得 ISO 12219-8 标准的认定。为了获得可比较的结果,我们要解 决以下问题:是否对塑料颗粒、样品板、单个组件或一群组件 进行测试?样品是如何包装的?它是如何存储的,在什么条件 下被加工成样品或组件?测量结果的重现性和可比性主要取决 于样品历史。

携手合作——imat-uve 与 KRAIBURG TPE

KRAIBURG TPE 于几年前开始深入研究汽车内饰的排放和 气味这一议题。考虑到这一特殊领域的复杂性,公司决定与外 部合作伙伴进行合作。我们与独立测试机构 imat-uve 联手合作, 从根本上对该问题进行了研究和分析。imat-uve 是一家创新型 开发工程公司,能在整个流程链向客户提供支持。这包括项目 鉴定、设计和开发,直至测试材料、组件和系统。

Imat-uve 和 KRAIBURG TPE 的合作使我们能从材质和加工(包括测量设备 和方法)的角度,全面分析排放物质和气味的影响。研究结果 为两家公司创造了双赢的局面。 Imat-uve 的专业知识向来都十分关键,尤其是在分析复杂测 试和测试结果方面。这使我们能找到有效的解决方案,消除错 误的分析。通过与 imat-uve 的密切合作,我们确定了影响排放 和气味的因素,并在标准化测试条件下对特定 TPE 产品组合进 行了测试。在此过程中,我们对来自德国、美国和马来西亚的 KRAIBURG TPE 生产基地的所有材料进行了比较。Imat-uve 在 德国和中国的测试基地也进行了比较。

除了为 KRAIBURG TPE 内饰材料生成有充分依据的排放数 据外,此次合作也在结合所用原材料的基础上,对各种测试方法和测试结果进行了详细的了解。对汽车内饰专用热塑性弹 性体(图 1)的排放和气味行为生成了深刻认知。除了通过审 批的内饰产品,在这一复杂的领域提供特定的客户支持也极 具附加值,可以节约时间和成本。

图 1:TPE 在汽车内饰中的应用前景

分析所有影响因素

所有测试得出的一个基本结果是,用于 TPE 材料和制造 组件的原材料的排放和气味水平可能会在整个产业链中发生 变化。这表示每一位参与成员都有一定责任,从原材料供应 商到 TPE 制造商,再到组件供应商,以及执行审批流程的汽 车制造商的测试实验室。为了能够可靠地提供优质的低排放 和低气味材料,整个产业链都要意识到这一点。

因此,KRAIBURG TPE 采用了一种全面的方法。该方法 包括原材料分析、全球生产材料的筛选、客户方零件的加工 以及各汽车制造商的发行。

◆ 原材料的影响

汽车内饰专用的 KRAIBURG TPE 材料主要是 TPS,即基 于苯乙烯嵌段共聚物 (SBC) 的热塑性弹性体。TPS 是由原料 混合物制成的化合物,包括弹性体 (SEBS)、热塑性塑料 (PP)、 填料、着色剂和稳定剂等各种材料。每种原料都有特定的性 能, 可 影 响 成 品 TPS 化 合物的排放 和气味行为。 在第一步,我 们分析了单 一的原料,以 便得出关于 成 品 TPS 化 合物的结论。 苯乙烯嵌段共聚物和聚丙烯,以及所用的着色剂,都有显著 的影响。基于这一深度分析,KRAIBURG TPE 如今对其原材料的排放和气味水平有了详细了解。

表 1:各种原材料颗粒按照 ISO 12219-3 所测得的 排放值

例如,根据 ISO 12219-3 对不同类型的苯乙烯 - 乙烯 - 丁 二烯 - 苯乙烯 (SEBS) 和聚丙烯 (PP) 进行的微室排放测试的测 试结果就有显著差异。为 TPS 化合物选择正确的 SEBS,不仅 会影响 TPS 材料的总碳排放 (TVOC),也会影响其苯乙烯的排 放。选用的 PP 也会影响 TVOC 值。关键物质,如甲醛或苯、 甲苯、二甲苯和乙苯(总称 BTXE)等芳香烃,可在微室测试 中测定。总体而言,上述物质在 KRAIBURG TPE 的 TPS 材料 中含量很低。

KRAIBURG TPE 会特别注意几乎不含游离单体苯乙烯的 SBC 原料的使用。苯乙烯含量大于等于 1% 的化合物一定会被 鉴定为有害物质。SBC 原料中残留的单体苯乙烯含量一般为 0.0001% (1 ppm),是被强制鉴定为有害物质的含量的万分之 一。使用几乎不含苯乙烯的 SBC 原料可生产出非常纯的 TPS 成品,如表 2 所示。苯乙烯几乎检测不到,其比例远远低于规定的排放限值。

表 2:TPS 化合物的苯乙烯含量符合 ISO 12219-4 和 VDA 278 标 准,限值来自 DBL 5430 (2017-12) *ND:无法检测,低于检测限值

此外,各种 SEBS 和 PP 也根据 VDA 278、VDA 270 和 DIN 75201-B 进行了测试(表 3)。这些方法是许多知名汽车 制造商规范的一部分。

表 3:按照 VDA 278、DIN 75201-B 和 VDA 270 B-3 对原料颗粒测 得的排放值

VDA 278 测试方法对聚合物的测试结果有显著影响。与 PP 相比,SEBS 的雾化性能明显更好。两种 PP 类别的 VDA 270 B-3 气味测试都产生了显著的气味值——4.0。PP 类别的 生产方式尤其具有决定性作用,可以显著影响产品的性能和 价格。SEBS 原料没有进行气味测试,因为它们不能以纯聚合 物的形式加工。由于粉末具有多孔结构,因此以粉末的形式 评估单一原料几乎没有意义。

◆ 化合过程的影响

除了对气味和排放水平影响最大的 TPS 共混物原料外, 其共混过程也起着重要作用。在共混过程中,不同原料会在 切变和温度的影响下均匀混合,形成 TPS 化合物。该过程 通常由双螺杆挤出机完成。在理想情况下,TPS 共混物的生 产过程中不会发生化学反应。然而在化合过程中,高能量的 输入可能会导致不可控的化学反应,从而产生潜在的排放物 质和气味。这一情况也适用于其他 TPE 类别。生产线的配 置和过程参数的选择也会对气味和排放水平产生积极或消极 的影响。

TPS 制造商所面临的挑战是,要在满足所有材料性能的 同时,为每种特定配方找到最佳的过程设置和原料。这正是 KRAIBURG TPE 近年来一直在研究的问题,并且能识别最重 要的影响因素和相关参数。基于这一技术,KRAIBURG TPE 已经建立了一个以市场为导向、用于内饰领域的产品组合。 在优化现有系列的基础上,新知识也将用于为汽车内饰领域 开发新的 TPS 定制系列 (FG/SF 系列)。

表 4 显示了吞吐量和能量输入对汽车内饰的典型 TPS 材 料的影响。较小的吞吐量可对测试材料的排放(VDA 278 和 VDA 277)和气味 (VDA 270 B-3) 产生积极影响。气味评估的 测量公差至少为气味等级的一半。

表 4:过程参数在化合过程中对排放和气味行为的影响

在生产过程中影响原料的能量输入也对排放行为有着显 著影响。因此要在化合过程中避免原料的降解。增加能量输 入可以降低根据 VDA 278 和 VDA 277 测得的排放水平。尽管 雾化值的变化在测量设备的范围内,但结合其他测试结果便 可以清楚地看出具体过程参数的影响。

◆ 零件制造过程的影响

影响低排放、低气味零部件生产的另一个因素是其生产 工艺。对 TPE 材料而言,主要是注塑成型流程。与化合过程 相似,所选的工艺参数也起着至关重要的作用。目前,TPE 零件的模具主要关注零件的光学质量。在排放和气味水平方 面的影响往往被低估,只有在随后的测试中才会发现。在这 种情况下,样品历史再次扮演了关键角色。KRAIBURG TPE 可通过提供加工方面的建议和经验数据来支持其客户。为了 使零件达到最佳的排放和气味行为,应对某些温度设置、停 留时间和切变率等进行观察。

◆ KRAIBURG TPE 测试合格的内饰产品组合

KRAIBURG TPE 为汽车内饰领域提供了若干产品系列, 可以满足大多数汽车制造商的排放和气味行为标准。已全球 推广的产品组合包括适用于多部件注塑的化合物。例如,有 可与 PP、PC、ABS 和 PA 等各种热塑性塑料粘接的定制设计 产品系列。

在项目过程中,我们对全球所有在德国、马来西亚和美 国的生产基地生产的内饰材料按照 VDA 278 和 VDA 270 B-3 标准在 imat-uve 的德国和中国实验室中进行了测试。我们对 每个产品系列的硬度范围进行了测试,包括 50、60、70 和 80 邵氏硬度 (ShA)。所有测试都是在内部按照标准注塑工艺生产 的测试板上进行的。样品通过标准的无排放的样品袋装运。 这些样品均由 imat-uve 实验室完全处理。这样可以使样品历 史保持一致,以确保测试结果的可比性和重现性。

表 5:KRAIBURG TPE 汽车内饰产品组合概览

表 6 中的 VDA 278和 VDA 270 B-3 测试概述显示了所有 产品系列的测试结果。总体而言,KRAIBURG TPE 三大生产 基地的所有 内饰产品系 列均符合大 多数汽车制 造商的排放 行 为 标 准。 表 6 显示了 产品系列中排放和气味的最小值和最大值。 尽管初看时这些差距很明显,但这些数据都十分合理,因为它 们来自不同的生产基地,广泛的硬度范围(50 到 80 ShA), 多种颜色(黑色和自然色),以及最重要的一点,产品系列 的最大值仍低于汽车制造商目前所要求的排放限值。 气味等级在 3.0 或 3.5 时通常会通过审核,但气味等级大 于等于 4.0 时则容易被视为临界值。

表 6:KRAIBURG TPE 黑色和自然色全硬度范围 (50 到 80 ShA)内饰产品组合的全球排放和气味 范围(由德国 imat-uve 测试)

气味行为在本质上取决于 配方,因此也就取决于所用的原料。值得一提的是最新研发 的表面经过优化的 FG/SF 系列。在 imat-uve,该系列的所有材 料在所有硬度级别都被评为 3.0。尽管我们有很多关于 TPS 化 合物的评估和测试结果,但我们仍需注意,零件的最终尺寸 也具有重要影响。例如,仪表板在汽车内部气味总量中所占 的比例(表面积)要比内嵌垫或波轮大得多。

该项目的另一个重要方面是测试来自不同实验室的结果的 可比性。为此,我们在不同的实验室对马来西亚生产基地生产 的材料进行了测试。表 7 中的概述表明,根据 VDA 278 进行的 测试所得的值几乎相同,尤其是在考虑 ± 20% 的测量公差时。

表 7:在不同的 imat-uve 实验室对 KRAIBURG TPE 马来西亚生产基 地生产的材料进行测试的结果概览

根据 VDA 270 B-3 进行的气味评估所得的结果则截然不 同。所得的偏差高达 ± 1.0,因此我们应时刻慎重对待气味评估。 例如,建议重新测试最初在受控条件下被定为 4.0 的零部件。

◆ 内饰材料“气味图”

现在的汽车内饰包含各种独立的组件,而这些组件由不 同的材料和材料组合制成。所有散发气味的组件共同促成了 车内的整体气味印象。 因此每一位参与增值链的人员在评估材质和组件的气味 时都面临一定挑战。每种材质都有其独特的气味,并影响着 车内最终的气味印象。

因此对 KRAIBURG TPE 而言,在了解 自身 TPS 材料的同时,全面了解竞争对手的 TPE 和其他材料类别的排放和气味行为也是非常重要的。

表 8 展示了不同材料按照 VDA 270 所测得的气味评级示 例。测试样品的 A、B、C 变体是根据典型零件的尺寸选择的; 变体 3 的贮存条件保持恒定。大部分材料的气味评级都在 3.0 和 4.0 之间。

表 8:汽车内饰气味图

◆ Imat-uve 的“高精度标准材料”

即使是训练有素的气味小组,在对各种不同的材料类型 进行气味测试时也面临着巨大的挑战。目前还没提到的一个 影响是鼻子的某种“调节”功能。通过观察可以发现,经常 只对特定材料类别进行评估的测试人员在评估新的或很少接 触的材料类别时,反应会更敏感。

为了兼顾这一问题,我们与 imat-uve 合作推出了可能的 解决方案。每种材料类别都有特定的气味。如果特定材料类 别的气味范围可以标准化, 则气味小组可以专注于单个 特定的材料类别。

图 2:imat-uve 的“高精度标准 材料”TPE 包装

Imat-uve 的“高精度标 准材料”就是基于这一理念 开发的。这也适用于 TPE 材 料, 并 且 包 含 KRAIBURG TPE 专门制造的各种气味类 别的材料。材料包装可以从 imat-uve 网店处购买。在那 里得到的分数会反馈回来进行验证。用户可以立即收到相关 的范围值,并在出现偏差时重新订购材料。

◆ 展望:“超低排放化合物”可能实现吗?

通过对工艺参数的精确调整和原料的优化,可以进一步降 低排放和气味。KRAIBURG TPE 通过这种方法开发出了一种几 乎不会雾化的材料,该材料具有极低的排放值,气味行为评级 只有 2.5。这款优化材料就非常接近理想中的超低排放化合物。

表 9:标准 TPS 类型和 KRAIBURG TPE 优化 TPS 类型的对比

◆ 客户和主机厂 (OEM) 的福利

所获得的知识可用于为客户和汽车制造商提供针对性支 持和专业建议,不论是关于材料的选择、鉴定和验证,还是 关于异常状况。所获得的大量数据有助于快速识别不现实的 测试结果,或者有利于必要纠正措施的提议和推行。创建排 放和气味图在这种情况下也十分有用。我们所获得的专业知 识,从原料的选取和化合过程到模具公司的加工,不仅使我 们能够提供自身产品组合中的材料,也能让我们根据个人客 户的需求而开发定制解决方案。

 

 

□ 来源:KRAIBURG TPE

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