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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:荣格国际塑料商情     发布时间:2019-08-29
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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侧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KRAIBURGTPE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)的材料应用范围广、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。它们被应用于多个领域,包括汽车内饰零部件。因此,对KRAIBURGTPE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。
 
控制排放和气体(© 2019 KRAIBURG TPE)
 
排放测量和气味评估———项复杂的挑战
 
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、VD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家公司标准可用来测定雾化行为,但它们都与DIN75201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VDA278标准的动态热脱分析、VDA277标准的静态顶空分析,以及ISO12219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中,在条件作用类型、测试温度或持续时间上往往有所不同,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VDA270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,这种情况可能会由地区和性别的嗅觉不同而引起。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。
 
KRAIBURGTPE经研究得出的基本结论包括,各种测试结果不能表明排放和气味之间具有相关性。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。样本历史和测试方法的选择起着重要作用,并自2019年1月起已获得ISO12219-8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KRAIBURGTPE
 
KRAIBURGTPE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KRAIBURGTPE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KRAIBURGTPE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KRAIBURGTPE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在汽车内饰领域的可能应用
 
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附加值产业链中发生变化。这表示每一位参与环节都有一定责任: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。整个附加值产业链都要意识到这一点,即确保提供可靠的高品质低排放和低气味材料。
 
因此,KRAIBURGTPE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交货。
 
原材料的影响
 
汽车内饰专用的KRAIBURGTPE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是由混合原料制成的化合物,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,KRAIBURGTPE如今对其原材料的排放和气味水平有了详细的了解。
 
例如,根据ISO12219-3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,如表1所示。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KRAIBURGTPE的TPS材料中含量很低。
 
表1 根据ISO 12219-3测得不同原料的微室排放值
 
KRAIBURGTPE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%(1ppm),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 根据ISO 12219-3和VDA 278分别测得TPS化合物中的苯乙烯含量,限值来源DBL 5430 (2017-12) 注:ND*代表不可检测,即低于检测值
 
此外,各种SEBS和PP也根据VDA278、VDA270和DIN75201-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 根据VDA 278、VDA 270和DIN 75201-B分别测得原料的颗粒排放值
 
VDA278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VDA270B-3气味测试结果显著,气味值高达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。理想情况下,TPS共混物在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。生产线的配置和工艺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工艺参数和原料。这正是KRAIBURGTPE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,KRAIBURGTPE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(VDA278和VDA277)和气味(VDA270B-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 共混过程中工艺参数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VDA278和VDA277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工艺参数的影响。
 
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。KRAIBURGTPE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。
 
KRAIBURGTPE测试合格的内饰产品组合
 
KRAIBURGTPE为汽车内饰领域提供了若干产品系列(表5),可以满足大多数汽车制造商的排放和气味行为标准。已在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。
 
表5 KRAIBURG TPE的内饰产品组合概览
 
在项目过程中,按照VDA278和VDA270B-3标准,我们对全球所有在德国、马来西亚和美国生产基地生产的内饰材料在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)。所有测试都是在按照标准注塑工艺生产的室内测试板上进行的。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6中的VDA278和VDA270B-3测试概述显示了所有产品系列的测试结果。总体而言,KRAIBURGTPE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,因为它们的生产基地、硬度范围(50到80ShA)和颜色(黑色和自然色)都不同。最重要的是,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。
 
表6 整体硬度范围在50ShA到80ShA之间,KRAIBURG TPE黑色和自然色内饰组合的全球排放和气味值(由imat-uve德国测试)
 
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。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VDA278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 不同实验室测得马来西亚产KRAIBURG TPE的测试结果概述
 
根据VDA270B-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KRAIBURGTPE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)。
 
表8 KRAIBURG TPE的标准TPS和优化TPS对比表
 
表9展示了不同材料按照VDA270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9 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,KRAIBURGTPE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。
 
imat-uve的“高精度标准材料”就是基于这一理念开发的(图2)。这也适用于TPE材料,并且包含KRAIBURGTPE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。
 
图2 imat-uve的“高精度标准材料”
 
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。KRAIBURGTPE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。
 
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异常的测试结果,或者建议采取必要的纠正措施。排放和气味图的创建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。
 

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