无溶剂汽车超纤革阻燃性能的工艺探究

时间：2024-07-28

王霏霏，冯国飞，王晓磊

（山东同大海岛新材料股份有限公司，山东昌邑261300）

随着技术的发展和生活水平的提高，汽车成为人们日常出行的工具，汽车内饰所用的材料需求也日益增多。由于超纤革有高仿真的结构，是替代真皮的最佳原料，超细纤维合成革也在汽车革中广泛应用。汽车革对产品性能有较高的要求，在生产加工技术方面不断进行技术创新，无溶剂技术成功开发对超纤汽车革发展起到推动作用。

无溶剂的基本原理是采用预聚体混合涂布后在线快速反应成型。A料中的异氰酸酯与B料的多元醇按设定比例混合，涂布到离型纸后调整贴合状态与基布混合，后进入烘箱，低分子预聚体逐步反应形成高分子聚合物并成型，最后与离型纸剥离，得到带有花纹的超纤革[1]。

无溶剂汽车超纤革性能较常规贴面汽车革在耐磨性能、气味等指标方面有很大的提高。阻燃性能是汽车革产品的必备指标，无溶剂技术获得阻燃性能，主要是通过添加阻燃剂获得，在添加过程中需多方面因素综合考虑，本文主要从阻燃剂种类选择方法，添加量、阻燃效果以及无溶剂反应熟化情况等多方面进行分析，确定最佳阻燃剂和添加量。

1 实验部分

1.1 实验原料及仪器

1.1.1 实验原料

超细纤维合成革基布TD311S（工业品，山东同大海岛新材料股份有限公司）；聚碳H-310水性面料(工业品，台州宏得利树脂有限公司)；无溶剂A料4002A、无溶剂B料4002B、无溶剂助剂4002C（工业品，上海汇得科技股份有限公司）；阻燃剂WSA-8102（工业品，嘉兴市万斯安化工有限公司）。

1.1.2 试验仪器

电子天平（FA2004，上海舜宇恒平有限公司）；自动黏度测定仪（NCY-2，上海思尔达有限公司）；GT-AI-3000U60系统拉力机（上海高铁检测仪器有限公司）；汽车内饰物燃烧试验机（GT-7057-C，上海高铁检测仪器有限公司）。

1.2 试验方法

汽车革阻燃功能主要是通过添加阻燃剂获得，无溶剂技术阻燃性采用相同的方法，但添加阻燃剂对反应速度、熟化时间以及浆料的黏度均有影响。因此分别选择添加A料的10%、20%、30%、40%和50%五种比例进行对比，分析各种因素对产品的影响效果。

工艺：

（1）将A料和B料在烘箱中放置，调整AB料料温在40±1℃，将4002C按照比例添加到A料中搅拌均匀，测量A料的黏度。

（2）分别将A料重量10%、20%、30%、40%和50%的阻燃剂添加到A料中，搅拌均匀测量A料的黏度，以及分析浆料黏度大机生产的可行性。

（3）按照比例将B料添加到A料中，使用高速搅拌器转速1600 r/min，搅拌30 s对比反应时间，并进行贴合基布对比产品熟化时间。

（4）进行成品阻燃性以及剥离、断裂、撕裂强度和伸长率等物性指标的测试，确定最佳工艺。

1.3 性能测试

1.3.1 阻燃性测试

使用GT-7057-C汽车内饰物燃烧试验机（上海高铁检测仪器有限公司），按照标准GT/8410-2006（汽车内饰材料的燃烧特性）测试样品的阻燃性能。标准测试样大小为365mm×100mm，至少取样5块，取平均值[2]。

1.3.2 黏度指标测试

使用NCY-2自动黏度测定仪（上海思尔达有限公司）测试浆料的黏度。测试方法：被测浆料置于直径不少于70mm的烧杯或直筒形容器中，调节浆料温度25℃（一般恒温室中放置4 h），然后将选好的转子旋入螺旋杆，调整高度使转子浸入浆料中，直至转子液面标志与浆料面平行为止，调整仪器水平，开始测试直至读数稳定。当指针数值过高或者过低时，需更换转子和转速，使读数在刻度30～70之间最佳。

1.3.3 力学性能测试

使用GT-AI-3000U60系统拉力机（上海高铁检测仪器有限公司），按照QB/T3812.5—1999（皮革抗张强度和伸长率强度的测定）测试样品的力学性能。

其中，撕裂强度的测试试样大小为100mm×25mm，剪开长度为70mm；拉伸负荷及断裂伸长率测试试样大小为10mm×100mm，各取纵横两个方向的试样进行测试。剥离强度的测试方法为：将两块试样的干法膜面通过黏合剂黏合在一起，在轧车内挤压使涂层充分黏合，然后放于温度为120℃的烘箱内烘干，等待黏合剂充分固化后用具有固定尺寸的模具切取样品，冷却至室温后用拉力强力机进行测试[3]。

2 结果与讨论

2.1 阻燃剂的种类

阻燃剂是针对高分子材料设计的功能型助剂，按照使用方法分为添加型阻燃剂和反应型阻燃剂，在超纤汽车革中一般使用添加型阻燃剂。产生阻燃效果的原理有吸热作用、覆盖作用以及不燃气体的窒息作用等等，一般是通过若干机理共同作用达到阻燃目的。阻燃剂分类有很多，根据阻燃剂元素可分为磷系阻燃剂、卤系阻燃剂、氮系阻燃剂以及混合阻燃剂等，超纤革中常使用磷系以及混合系和卤素以及混合系阻燃剂，受环保要求的限制卤素阻燃剂使用量日益减少[4]。

无溶剂汽车革是通过AB料快速反应成型，对于阻燃剂的状态有要求，粉末状可改善无溶剂汽车革平整度，而液体在使用过程中容易对产品平整度、流平性产生影响。因此在无溶剂汽车革中，从环保的角度考虑选择磷系以及磷氮混合系阻燃剂，阻燃剂的状态选择粉末状。

2.2 添加量对比实验

添加阻燃剂的方法获得阻燃效果，需要考虑产品的阻燃效果与成本等方面的因素，因此添加量至关重要。粉末状阻燃剂会影响A料的粘度，在无溶剂生产过程中还要配合无溶剂设备的参数以及生产线的可操作性，同时反应速度相应会降低，熟化时间增长，最重要的是产品的阻燃效果。

2.2.1 黏度的变化

无溶剂技术的应用需要无溶剂设备配合，无溶剂设备的原理是将A料多元醇预聚体和B料异氰酸酯预聚体储存在恒温料罐中，经过计量泵准确测试流量后，通过管道输送到搅拌头，经过高速搅拌混合后，喷涂到离型纸上[5]。B料容易吸收空气中的水分，发生吸潮固化反应影响产品的性能，因此添加剂一般在A料中添加，不会对产品性能产生影响。无溶剂设备有最佳操作黏度和最佳吐出量，因此在添加过程中需要综合各方面因素进行选择。图1是分别添加A料总量10%、20%、30%、40%和50%的阻燃剂的黏度变化。

图1 不同添加量阻燃剂粘度变化

从图1可以看出，随着添加量的增多黏度呈现增长的趋势，添加量越多，黏度越高，流动性变差。无溶剂A料计量泵的最佳操作黏度为4000±1000 cps，因此添加量选择30%～40%。

2.2.2 反应时间的变化

无溶剂贴面产品的难度主要在于无溶剂技术应用时工艺制定、前期设备流量调试以及操作控制要点。工艺参数主要包含原料配比、助剂添加量、AB料流量设置。这些参数的关键就是反应时间，分为起发时间和熟化时间，起发时间是搅拌结束后开始出现发泡现象所需要的时间，熟化时间是指完全熟化也就是AB反应完全达到成品要求所需要的时间。

AB料反应的比例为100∶72，添加阻燃剂后为（100+阻燃剂）∶72，AB组分中官能团数量未发生变化，A料中添加阻燃剂组分发生变化，反应时间会发生变化。图2是不同添加量阻燃剂的起发时间和完全熟化时间变化对比。

图2 不同添加量阻燃剂的时间变化

加入阻燃剂后起发时间逐渐增长，反应速度相应降低，熟化时间增长，熟化效果达标。起发时间越长可操作性越好，同时反应时间越长，需要熟化的时间相应增加；起发时间段，反应速度较快，刀口处积料容易发生反应，操作难度大。熟化时间越长，车速越慢会降低生产效率，生产成本较高；时间太短会影响熟化效果，相应车速太快，操作难度相应提高。

综合各方面因素考虑起发时间40 s左右，熟化时间10min左右最佳，阻燃剂的添加量为30%。

2.2.3 阻燃效果对比

阻燃性检测原理是将试样水平夹持在U型支架上，在燃烧箱中用规定高度火焰点燃式样的自由端15 s后，确定试样上火焰是否熄灭或何时熄灭，以及试样燃烧的距离和燃烧该距离所用的时间[2]。表1是添加不同百分比阻燃剂阻燃性能的对比数据。

表1 不同阻燃剂添加量阻燃性能对比

从表1可以看出，阻燃剂添加10%～20%时阻燃性能等级为B级，30%时阻燃性能等级为A。阻燃剂添加越多阻燃效果越好，产品的阻燃性能越佳，在达到产品性能的同时，考虑到降低生产成本，因此添加量选择30%～40%即可。

2.2.4 力学性能指标的对比

力学性能指标主要包含剥离强度、断裂伸长率、撕裂强度和断裂强力等，表2是不同阻燃剂添加量的力学性能指标对比。

表2 不同阻燃剂添加量的力学性能对比

从表2可以看出，剥离强度随着添加量的增多呈现下降趋势，在30%～40%之间比较接近，稳定性较好，50%的时候剥离强度降低偏大；断裂强力、撕裂强度的变化在10 N以下，断裂伸长率的变化在10%左右。添加阻燃剂后剥离强度、断裂伸长率、断裂强力和撕裂强度未有明显变化。综合衡量剥离强度与其他力学指标的变化，添加量选择在30%～40%之间。