汽车座椅用软质聚氨酯泡沫的进展

1、汽车座椅用软质聚氨酯泡沫的进展 李志峰 孙 军 于善平 丁慧敏（长春富维 江森自控汽车饰件系统有限公司技术中心 长春 ）摘 要 ：从汽车座椅的静态舒适性 动态舒适性及环保性方面入手 ，以多元醇为主线 ，介绍了汽车 座椅用聚氨酯泡沫的发展历程及发展趋势 关键词 ：汽车座椅 ；聚氨酯泡沫 ；静态舒适性 ；动态舒适性 ；环保中图分类号 ： 文献标识码 ： 文章编号 ：（） 聚氨酯泡沫的最基础反应 （异氰酸酯与醇的反 应 ）由 年在实验室发现 ，年 在实验室首次 研 发 出 软 质 聚 氨 酯 泡 沫 （），年世界上第一座 生产工厂 在德国建立 ，但直到 年才有商业化 生 产 年汽车座椅开始使用 ，由

2、于聚 氨酯泡沫生产成本较低 ，同时 缓冲及减震特 性可以根据客户的不同需要进行调整 ，聚氨酯泡沫 逐渐成为汽车座椅用首选材料 ，年全球聚氨酯 硬泡和软泡的产量为 万 ，其中中国聚氨酯泡沫 塑料产量为 万 用于汽车座椅主要是由于其缓冲及减震 特性可以满足汽车座椅静态及动态舒适性要求 ，随 着汽车工业的发展 ，对汽车座椅舒适性的要求不断 提高 ，聚氨酯工业也随之攻克了一个又一个技术难 题 ，满足汽车工业不断提高的要求 本综述从汽车 座椅静态舒适性 动态舒适性及环保性等方面总结 了汽车座椅用聚氨酯泡沫材料的发展历程 软质聚氨酯泡沫在静态舒适性方面的进展 汽车座椅静态舒适性 是指汽车座椅与人体的 匹配

3、关系是否可以为乘员提供舒适的坐姿条件 座 椅的静态舒适性与座椅的尺寸参数 表面质量及调节 特性有关 聚氨酯泡沫对汽车座椅静态舒适性的影 响主要有座椅对人体的支撑性 包裹性 汽车座椅的 点及人体臀部静压分布等 ，它对静态舒适性的改善 主要通过制备聚氨酯泡沫的多元醇的改进来实现 在聚氨酯工业发展初期 ，拜耳公司利用德国雄 厚的煤工业基础 ，以苯或甲苯为原料开发出端羟基 聚酯多元醇 由它制备的聚氨酯泡沫具有机械性能 好 耐油 耐磨性能优等优点 ，但耐水解性差 ，在潮湿 环境下容易失效 世纪 年代美国杜邦公司开 发出以石油裂解化合物为原材料的聚醚多元醇 ，年 公司和 公司 开发出以聚醚多 元醇为原料的

4、聚氨酯泡沫 ，与聚酯多元醇相比 ，聚醚 多元醇价格较低 ，同时聚醚多元醇泡沫耐水解性和 低温柔韧性好 ，现在 的聚氨酯泡沫塑料是由聚 醚多元醇制备得到 聚醚多元醇通常使用的聚醚多元醇由环氧丙烷和起始剂在 催化剂存在下聚合得到 ，起始剂为含有活泼氢的化 合物 ，常用的起始剂有甘油 季戊四醇 木糖醇等 ，其 中 使用的聚醚多元醇的起始剂主要为甘油 ，起始剂的作用为 ：（）控制聚醚多元醇的相对分子 质量 ，起始剂的加入量大 ，得到的聚醚多元醇的相对 分子质量小 ，反之 ，加入的起始剂量小 ，则得到的聚 醚多元醇的相对分子质量大 ；（）利用起始剂所含 活泼氢原子数来控制聚醚多元醇的官能度 高活性聚醚多

5、元醇早期聚氨酯泡沫制品均采用热熟化工艺 ，为了提 高生产效率 降低成本 ，在研究催化剂的同时也对聚 醚多元醇进行了深入的研究 研究发现 ，由环氧丙烷 制备得到的聚醚多元醇的羟基均为仲羟基 ，如果仲羟 基转变为伯羟基 ，聚醚多元醇的反应活性可提高 倍 后期研究发现 ，用环氧乙烷作为原料制备的多元 醇为伯羟基聚醚多元醇 ，基于此开发出环氧乙烷改性 的高伯羟基含量的聚醚多元醇 ，用此伯羟基聚醚多元 醇制备聚氨酯泡沫所需反应温度降低 ，此生产工艺称 为冷熟化工艺 ，所得泡沫的回弹性及其它力学性能都 得到极大提升 ，尤其泡沫的回弹性能优异 ，因此所得 泡沫称为高回弹泡沫 （泡沫 ）聚氨酯的生产工艺中 ，

6、并不能使用全部端基为 伯羟基的聚醚多元醇 ，因为端基全为伯羟基的多元 醇与异氰酸酯的相容性差 ，不利于反应进行 ；即使在 反应体系中加入计算量的环氧乙烷 ，由于位阻 体系 内部各种反应的竞争及工艺条件的限制 ，不能得到 全部端基为伯羟基的聚醚多元醇 现生产 泡沫 中所使用的高活性聚醚的两端是用环氧乙烷封端制 得的 ，其伯羟基质量分数为 接枝聚醚多元醇虽然高活性聚醚多元醇制备得到的高回弹聚氨 酯泡沫基本物性与传统聚醚多元醇制备得到的聚氨 酯泡沫相比有很大提高 ，但是泡沫的压陷硬度较低 ，对产品的舒适性有很大影响 提高产品的压陷硬度 的方 法 有 以 下 种 ：提 高 异 氰 酸 酯 指 数 使

7、用 纯 ，和加入填料 提高异氰酸酯指数虽然可以 提高泡沫的硬度 ，但异氰酸酯的价格很高 ，增加了生 产的成本 ，同时增加水含量 ，有烧芯危险 ；生产纯 ，的生产成本也较高 ；在配方中只有增加填 料是最简单的方法 ，最初添加碳酸钙 白炭黑 滑石 粉和石膏粉等无机微粒 ，产品的硬度虽然有所增加 ，但产品的密度增加 ，部分产品性能下降 ，使用寿命下 降 在加工方面 ，加入的无机微粒与聚醚有明显 的界面 ，分散不均匀 ，容易沉淀 此体系的分散稳定 性及计量输送等都不适用于大规模工业化生产 世纪 年代初 ，公司推出聚合物聚醚多 元醇 ，这种新型有机聚合物填充聚醚多元醇完全 克服了无机填料的缺点 ，它不仅

8、可以和无机离子一 样分散 ，聚合物粒子和分散介质部分发生化学反应 形成稳定的分散介质 ，使聚合物多元醇不易发生相 分离 在泡沫发泡过程中 ，这些粒子均匀分布在泡 孔壁上 ，提高开孔性 ，改善了发泡工艺性 同时聚合 物多元醇的引入提高了泡沫的硬度和压陷负荷性 能 ，这对于改善聚氨酯泡沫制品抗压缩形变性能具 有重要作用 聚合物聚醚多元醇的引入完善了高回 弹聚氨酯泡沫和冷熟化生产工艺 聚合物聚醚多元醇是用基础聚醚多元醇 高活 性聚醚多元醇或者分子链中含有不饱和键的聚醚多 元醇为母体 ，与乙烯基单体进行一次或者两次聚合 得到 ，聚合物多元醇体系含有聚醚多元醇母体 聚合 物微粒及乙烯基单体与聚醚多元醇母

9、体生成的接枝 共聚物 在聚合物聚醚多元醇体系中少量存在的接 枝共聚物对体系的稳定性有很大的贡献 ，研究发现 仅含有 丙烯腈聚醚接枝共聚物的聚合物多元 醇分散相 ，在室温下保存 年也不会发生相分离 聚合物多元醇中乙烯基单体体系的选择可根据 烯类聚合物和聚醚多元醇的相容性及生成的接枝聚 合物的数量而定 ，现在常用的单体有 ：苯乙烯和丙烯 腈 早期使用的乙烯基单体是丙烯腈 ，丙烯腈制备 的聚合物聚醚多元醇制备的产品长时间放置容易变 色 为了解决聚氨酯泡沫产品易变色开发出了苯乙 烯 丙烯腈混合单体制备的聚合物多元醇 ，现在汽车 座椅用聚氨酯泡沫中主要使用苯乙烯 丙烯腈混合 单体制备的聚合物多元醇 聚氨

10、酯泡沫在座椅动态舒适性方面的进展汽车动态舒适性主要评价汽车在行驶过程中汽 车座椅对车身传递的震动的响应情况 人体的各个 部位都有比较敏感的振动频率范围 ，处于这些范围 内的振动环境会让人感觉很不舒服 图 是人体各 个部位比较敏感的振动频率范围 图 人体各部位的自然频率从图 可 以 看 出 ，人 体 的 自 然 频 率 是 汽车车身的自然频率是 ，因 此有乘 员 乘 坐 的 汽 车 座 椅 的 自 然 频 率 应 控 制 在 ，这样座椅就与车身隔绝了 汽车座椅是由各种各样的零件组成的 ，但是座 椅的坚硬件或者结构件 （如靠背骨架 座盆 调角器 和调节器等 ）对汽车座椅的动态舒适性影响很小 ，研究

11、数据表明 ，如果改变汽车座椅坚硬区域和结构 件附近的自然频率 ，座椅的自然频率没有太大的变 化 如果要调节座椅的自然频率在 范 围内 ，金属件对汽车座椅的自然频率影响较小 ，因此 聚氨酯工业 第 卷就只能借助汽车座椅的非结构件 （面套 发泡件和 悬浮机构 ）面套 发泡件和悬浮机构组成一个组 合弹簧 ，提供舒适性和隔绝作用 现在很多座椅没 有悬浮件只有面套和发泡件 江森公司早期的研究 发现 ，有悬浮机构的组合弹簧体系 ，面套起 的作用 ，泡沫件起 的作用 ，悬浮机 构起 的作用 现在的大部分汽车座椅 不再使用悬浮机构 ，同样考虑面套和泡沫件对舒适 性和振动的隔绝作用 ，其中面套起 的作 用 ，泡

12、沫件起 的作用 ，由此可见 ，泡沫对 于汽车座椅的动态舒适性有很大的贡献 ，调整泡沫 自然频率可以改善汽车座椅的动态舒适性 现在汽车工业大规模使用的聚醚多元醇是由甘 油作为起始剂 ，环氧丙烷和环氧乙烷为反应物 ，制备 得到的三官能团聚醚多元醇 由于环氧丙烷在聚合 过程中发生副反应 ，生成一端为不饱和双键的聚醚多 元醇 ，因此生成的聚醚多元醇的官能度降低 （不饱和 度较高 ）不饱和双键不能参与形成氨酯键的反应 ，用此含有不饱和双键的聚醚多元醇和异氰酸酯反应 生成的聚氨酯泡沫 ，会产生结构缺陷 ，这些缺陷部位 在聚氨酯泡沫受力时会降低泡沫的整体性能 研究发现 ，使用甘油作为起始剂 ，但结构有所不

13、同的低不饱和度的三官能度聚醚多元醇制备的聚氨 酯泡沫产品 （简称 泡沫 ）中交联密度较高 ，产品 与传统 泡沫相比具有以下几方面的优点 ：对振 动有很好的隔绝效果 ；应力松弛效果明显 这有助 于降低 点 （指二维或三维人体模型样板中人体躯 干与大腿连接点即胯点 ）的移动 ；更低的应力疲劳 ，提高产品的使用寿命 ；更好的支撑效果 ；泡沫产品的 受力分布比较均匀 ，可以降低振动的传递 泡沫 的自身 频 率 与 泡 沫 相 比 ，从 降 低 至 ，理想的泡沫自身频率也是在 ，因此 泡沫对人体不适的振动频率具有较强的隔 绝性 在高速公路路面传递到车身的振动频率 的频率范围内 ，泡沫对振动的过滤与 泡沫

14、相比 ，提高了 ，因此用 泡沫制备的 座椅具有较好的动态舒适性 同时由于 泡沫内 部具有均一的泡孔 ，其产品的力学性能优越 ，所需的 泡沫厚度可以更薄 ，传统 泡沫制备的座椅坐垫 的厚度需要 ，而用 泡沫后可以减薄 ，降低至 因此使用 泡沫对于车身减重具 有重要意义 汽车座椅用聚氨酯泡沫在环保性方面的进展 低挥发性助剂 汽车制造商对车用材料的要求逐年提高 ，除了 材料机械性能 阻燃性 乘坐舒适性等指标 ，材料对 车内环境如车体内的气味和雾度等的影响被列为新 标准 汽车座椅采用的 ，在生产过程中使用 叔胺类催化剂 ，可产生氨臭味 ，当车内温度较高时可 挥发 ，部分挥发物凝聚在车玻璃上 ，使玻璃模

15、糊 （即 雾化 ）所以为了降低聚氨酯泡沫的气味 ，聚氨酯 行业近年来开发了低挥发催化剂 低挥发性胺类催化剂或无挥发性催化剂通常是 相对分子质量较高 （高沸点 ）或者反应性催化剂 反应性催化剂分子内含羟基等活性氢基团 ，在泡沫 反应成型过程中结合到聚氨酯树脂中 ，从而无挥发 性 国外的一些专业聚氨酯助剂生产公司 ，如美国 气体产品公司 日本东漕化工 德国 公司 美 国 聚氨酯助剂公司都有低挥发性 反应性 催化剂出售 其中美国气体产品公司的反应性低散 发催化 剂 牌 号 有 ：等 日本东漕化工的 ，也是反应性催化剂 采用反应性催化剂的挥发性与传统非反应性催 化剂相比大大降低 ，但催化剂相比催化活性

16、也降低 ，因此体系中催化剂的加入量较大 生物基聚氨酯泡沫随着全球油价上涨及资源的匮乏 ，人们又开始 把聚氨酯泡沫的原料来源转到生物原料上 ，很多生 物材料如蓖麻油 大豆油 棕榈油 等经酯 交换反应可以制备生物基多元醇 ，由于其来源比较 环保 ，同时聚氨酯泡沫可以生物降解 ，各国公司及研 究机构开始投入大量的精力开发这类材料 ，年 美国 公司开发了由大豆油制备得到的多元醇 ，其应用范围几乎与聚醚多元醇相同 ，年产能 多万 国内近年厂家也开始生产生物基聚醚 ，如广州海珥玛植物油脂有限公司可以提供软泡 半 硬泡及硬泡用大豆油多元醇 欧美等国对回收材料的使用有法律要求 ，汽车 工业已经大规模使用生物基

17、聚醚多元醇 由于我国 没有强制要求 ，并且可以提供生物基聚醚多元醇的 期 李志峰 ，等 汽车座椅用软质聚氨酯泡沫的进展厂家较少 ，所以生物基聚醚多元醇的使用尚未普及 ，随着国家法律法规的逐渐完善 ，今后 年内生 物基聚醚多元醇将是我国聚氨酯工业的新增长点 多硬度聚氨酯泡沫多硬度聚氨酯泡沫是高回弹聚氨酯泡沫的一个 分支 ，现在汽车工业已经大规模使用 优化的支撑 性和长时乘坐舒适性能可以通过座椅的不同区域使 用不同的硬度获得 汽车座椅坐垫的不同部位对身 体的支撑力要求不同 ，因此可以在汽车坐垫的不同 部位设计不同的硬度 ，这样在静态及动态条件下坐 垫可以为身体提供较好的支撑 早期的研究发 现 ，汽

18、车坐垫对人体皮肤的压力要小于 ，如果高于此值 ，不利于人体血液循环 ，导致驾驶员产生 疲劳 同时要求汽车座椅在转弯时对驾驶员或者乘 客提供较好的侧边支撑力防止侧滑 ，这需要汽车坐 垫及靠背的侧翼具有较高的硬度 乘坐者直接坐在被硬度较高泡沫包围的软质泡 沫上时舒适性会明显提高 ，这些较硬泡沫的硬度是 软质泡沫的 倍 ，因此垂直多硬度泡沫被开发出 来 ，此种多硬度聚氨酯泡沫制品的优点是可以提供 舒适性指数大于 的泡沫制品 现在国际上普遍实 行的工艺方案是先浇注高密度聚氨酯泡沫 ，然后在 高密度聚氨酯泡沫上方放置无纺布 ，最后在无纺布 上浇注低密度聚氨酯泡沫 此生产工艺虽然制备的 产品性能优越但是生产工序繁多 ，生产效率较低 结束语我国汽车用聚氨酯泡沫的发展已基本满足汽车 工业的发展 ，但在动态舒适性泡沫及生物基泡沫发 展方面还有较大发展空间 今后需加大聚醚多元醇 的新品开发 ，促进我国汽车用聚氨酯产业的发展 ，以 增加我国内饰件生产厂家的全球竞争力 参 考 文 献，：，：，（）：，：，朱长春 ，翁汉元 ，吕国会 ，等 国内外聚氨酯工业最新发展状况 深圳 ：中国聚氨酯工业协会第十六次年会论文