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、選用反應型催化劑、增加懸掛通風后處理工藝等措施，提升座椅泡沫氣味狀態。結果表明：氣味提升方案有效，且能夠穩定地維持在氣味6級以上，達到了相應的氣味要求。同時，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用的材料[1]。在汽車車身及內外部飾件中，如翼子板、引擎蓋、座椅、頂棚及門板材料等，有著廣泛的應用。據統計車輛中聚氨酯用量為15～30 kg/輛，隨著聚氨酯應用逐漸加強，預計我國汽車行業聚氨酯材料年消費量約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，氣味和揮發性有機物(VOC)成為其限制因素。近年來隨著人們對健康安全的關注度越來越高，先后出臺了一系列相關的行業及國家標準。2011年頒布實施了推薦性國家標準 GB/T 27630—2011《乘用車內空氣質量評價指南》，這促使國內總裝廠對汽車座椅的揮發性有機物、舒適性能提出了更高的要求；而2020年7月1日開始實施的，將乘用車內VOC的標準并入GB 18352.6—2016中進行管控，要求嚴格控制八大揮發性有機化合物[3]。
通過不同分子量、不同官能團的分子鏈結構，聚氨酯材料可以呈現不同形態、性能和功能。同時，由于聚氨酯的反應過程是異氰酸酯和多元醇的酯化反應，異氰酸酯同時又能與水等反應生產二氧化碳氣體。因此，可以將其應用擴展至泡沫材料領域。在汽車零件中，聚氨酯泡沫主要應用于座椅泡沫、前圍隔音墊泡沫、地毯泡沫。綜合性能要求、應用占比，聚氨酯材料在車內最主要的應用就是座椅泡沫。
1、座椅氣味狀態分析
汽車座椅可以分為前排座椅和后排座椅，后排座椅又可以細分為折疊式和非折疊式座椅。座椅由多種機構和材料組成，是汽車內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;泡沫為聚氨酯發泡;骨架是由多種不同強度的金屬材料加工焊接而成;注塑件包括座椅背板、座椅側飾板，由ABS、PP、PA等材料注塑生產;其他附件包括開關、加熱墊等子零件，根據配置不同而存在多種變化和組合。
座椅對車內氣味狀態的影響較大，座椅面套、座椅泡沫、座椅注塑件均對座椅的氣味狀態有貢獻。文中采用柱狀圖分析工具，收集了氣味提升前不同供應商的不同批次座椅氣味狀態，如圖1所示。由圖可以看出，C廠家的座椅氣味狀態存在一定波動，需要對其座椅氣味狀態進行分析和提升。
圖1 不同供應商的不同批次座椅氣味狀態
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行拆解分析。通過對座椅子零件的氣味狀態排查和味型分析，形成匯總信息。氣味測試方法采用公司內部標準，評價等級為1～10級，等級越高氣味越好。氣味評價測試溫度為70 ℃，干法，測試容器為1 L玻璃瓶。氣味采用主觀評價，樣品按照要求裁剪后，放置于玻璃瓶中密封烘烤，最后由經過培訓的氣味評價員進行嗅辨并給出氣味等級評價。
表1為座椅子零件的氣味狀態。由表可以看出，氣味狀態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
由于涉及聚氨酯的座椅泡沫性能要求較高，不僅需要滿足短時間的強度、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、頂棚等其他發泡材料。這種原材料和配方的差異，導致了不同座椅供應商的不同開發方向，對座椅泡沫的氣味提升提出了更高的要求，也影響了行業內座椅泡沫氣味的交流和橫展。
2.2 魚骨圖分析
圖3是采用魚骨圖的質量分析工具，從人機料法環測的角度，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，通過酯化反應聚合而成。其中A料主要是聚醚多元醇、硅油、穩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，反應的副產物等導致成品的異味問題。聚醚多元醇作為聚氨酯泡沫材料的主體構成，原料中所占比例較大，降低聚醚多元醇中的氣味物質是改善聚氨酯泡沫材料氣味屬性的重要措施之一。聚醚多元醇氣味來源有反應副產物丙烯氧基聚醚、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行改進。
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 大量應用改性 MDI 來替代傳統的 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，相對更加環保。在聚氨酯泡沫的實際使用中，各個座椅廠家逐步發現MDI合成的聚氨酯泡沫，在氣味方面有一定優勢。同時，經過改性的MDI能夠便于發泡材料的存放和混合，各個座椅廠家逐步增加了MDI的應用比例。
針對C廠家座椅泡沫，經過對比驗證，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，其決定著發泡反應過程，泡沫材料的硬度和孔性都取決于這類催化劑[6]。叔胺類催化劑根據結構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)和雜環叔胺如三乙烯二胺(TEDA)。工業上通常選擇多種類型的叔胺催化劑，復配提升催化效果。但大多數叔胺類催化劑不參與反應，反應完成后，在泡沫多孔結構中游離的叔胺類催化劑會揮發產生氨臭味，影響汽車玻璃的霧化和有嚴重的新車異味現象。當前主要通過低揮發性胺類催化劑和自催化聚醚多元醇來解決催化劑殘留導致的異味問題。
反應型催化劑是含有活性氫原子的胺類化合物，易與異氰酸酯結合，與泡沫大分子交聯結合鏈的一部分，減小了催化劑的散發。采用反應型催化劑,用水代替物理發泡劑發泡的方法合成了聚氨酯方向盤,其力學性能和氣味均能達到要求。
針對C廠家座椅泡沫，將非反應型催化劑更換為反應型催化劑。
4.4 脫模劑的選用
聚氨酯泡沫材料中有多種材料構成與膠黏劑成分相似，在發泡過程中少量泡沫成分會附著于模具內表面，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脫模劑和外脫模劑兩種類型。內脫模劑會影響發泡效果，且仍需要外脫模劑配合使用;外脫模劑應用更為重要，外脫模劑一般由介質和脫模活性物質組成，介質一般是有機溶劑或水，脫模活性物質常見的有硅油、蠟及油脂等。現用的外脫模劑中使用的有機溶劑(如鹵代烴及脂肪烴等)，存在較大污染，且存在異味問題，因此以水為介質的水基脫模劑受到人們極大關注[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，與傳統的含有機溶劑的脫模劑相比，水性脫模劑的缺點是水分在工藝時間內不能完全揮發。殘留水分與異氰酸酯化合物反應，會出現消泡的現象，同時在模腔內生成非常堅硬的聚脲化合物，必須通過復雜的清洗才能除去積垢。水性脫模劑可有效減少生產過程中 VOC 的排放，因而在汽車自結皮等內飾件領域得到了廣泛的應用。
通過對比驗證，水性脫模劑在現有模具和發泡體系下，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勢。雖然座椅泡沫的氣味一致，仍存在管控風險。由于泡沫是一種多孔材料，座椅泡沫更是一種開孔泡沫，材料內部存在氣味連通的通道，因此，座椅泡沫采用通風處理的氣味提升效果較好。
目前，隨著國內用戶對健康用車和車內氣味狀態的不斷關注，各個主機廠和車內主要氣味關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作為后處理工藝納入其中。不同時間的懸掛鏈通風處理，可以有效地使座椅泡沫自帶的小分子揮發，減少其對材料的氣味影響。同時，在懸掛通風的過程中，也是座椅泡沫不斷熟化的過程，可以將熟化過程中新產生的小分子異味一并排出。
表2是針對不同時間懸掛后的泡沫氣味狀態的對比。可以看出，懸掛24～48 h是最優的后處理工藝方案。根據C廠家的實際懸掛鏈長度和產能安排，最終鎖定懸掛不少于24 h的后處理要求。
表2 通風懸掛時間對氣味性的影響
5、方案驗證
圖5為氣味改進后的座椅泡沫SPC分析。
圖5 氣味改進后的座椅泡沫SPC分析
通過以上的氣味提升方案，采用SPC統計過程質量分析工具，收集了多批次C廠家的氣味結果。由圖可以看出，氣味提升方案有效，且能夠穩定地維持在氣味6級以上，達到了相應的氣味要求。
通過C廠家的座椅泡沫氣味提升，也同步驗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)適當調高MDI的占比;
(3)換用反應型催化劑;
(4)采用低氣味脫模劑;
(5)增加一定時間的通風后處理。
通過該方案管控的座椅泡沫提升后，相應的整椅和整車氣味狀態也有明顯提升，實現了車內異味的規避。通過這些方案的驗證，可以橫展至其他車內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、結束語
本文在聚氨酯座椅泡沫材料氣味提升中運用了柱狀圖、故障樹圖、魚骨圖、流程圖、SPC等多種質量工具，為質量工具作為車內空氣的開發和管控提供了一定的應用實例。在柱狀圖中，充分對比了不同廠家的座椅氣味狀態，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行拆解分析，結合子零件的測試排查結果，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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