汽车座椅常用面料的材料性能对比及分析

摘要

对比了天然真皮､聚氨酯(PU)超细纤维合成革和聚氯乙烯(PVC)合成革的结构和生产工艺,对材料性能进行了测试､对比及分析｡结果表明:在力学方面,PU超细纤维合成革的综合性能更好,优于真皮和PVC合成革;在弯折性能方面,PU超细纤维合成革和PVC合成革性能相近,湿热､高温､气候交变老化后,以及低温状态下弯折性能优于真皮;在耐磨性能方面,PU超细纤维合成革和PVC合成革的抗磨损破洞能力优于真皮;在其他材料性能方面,真皮､PU超细纤维合成革和PVC合成革的透水气性能依次下降,PU超细纤维合成革和PVC合成革经热老化后的尺寸稳定性相近且优于真皮。

关键词：汽车座椅;真皮;超细纤维合成革;PU;PVC;材料性能

作者：岳成,鲁家豹

上汽大众汽车有限公司,上海

汽车座椅面料作为汽车内饰的重要部分,直接影响用户的驾乘体验｡天然真皮､聚氨酯(PU)超细纤维合成革(以下简称PU超纤革)和聚氯乙烯(PVC)合成革都是常用的座椅面料材料｡

天然真皮在人类生活中的应用历史悠久,由于胶原蛋白自身的化学性质和三股螺旋结构而具备柔软､耐磨､强度高､高吸湿和透水气性等优点｡天然真皮在汽车行业中多应用于中高端车型座椅面料(多为牛皮),可以兼具奢华感与舒适感｡

随着人类社会的发展,天然真皮供应量难以满足人们日益增长的需求量,人们开始使用化学原料和方法制造天然真皮的替代品,即人工合成革｡PVC合成革的问世最早追溯到20世纪（参数丨图片）30年代,是人工皮革的第一代产品,其材料特点为强度高､耐磨､耐折､耐酸碱性等,并且成本低廉､加工方便[1]｡PU超纤革于20世纪70年代开发成功,经过近代技术应用的进步与完善,作为新型人工合成革材料,被广泛应用于高档服饰､家具､球类､汽车内饰等领域[2]｡PU超纤革的材料特点是真正模拟天然皮革的内部结构与质感品质,且相比真皮耐久性能更好,更具材料成本优势和环境友好性｡

实验部分

PVC合成革

PVC合成革的材料结构主要分为表面涂层､PVC致密层､PVC发泡层､PVC黏结层和涤纶基布(见图1)｡在离型纸法(转移涂层法)工艺中,PVC浆料首先经过第一次刮涂,在离型纸上形成PVC致密层(面层),并进入第一烘箱凝胶塑化及冷却;其次,经过第二次刮涂,在PVC致密层基础上形成PVC发泡层,然后经第二烘箱塑化及冷却;再次,经过第三次刮涂形成PVC黏结层(底层),并与基布贴合,共同进入第三烘箱塑化及发泡;最后在冷却成型后与离型纸剥离[3](见图2)｡

天然真皮与PU超纤革

天然真皮材料结构包括粒面层､纤维组织和表面涂层(见图3(a))｡从原料皮到合成革的生产工艺大体分为准备､鞣制､整理3个工段[4](见图4)｡PU超纤革的设计初衷是在材料结构和外观质感上真正模拟天然皮革[5-8]｡PU超纤革的材料结构主要包括PU层､贝斯部分以及表面涂层(见图3(b))｡其中,贝斯部分采用了与天然皮革中束状胶原纤维结构和性能相似的束状超细纤维,通过特殊的工艺处理,加工合成了三维网络结构的高密度无纺布,结合具有开式微孔结构的PU填充材料制成[9-10](见图5)｡

样品准备

样品来源于国内市场上主流的汽车座椅面料供应商｡真皮､PU超纤革和PVC合成革每种材料准备2种样品,来自6家不同供应商｡样品命名为真皮1#和2#､PU超纤革1#和2#､PVC合成革1#和2#｡样品颜色均为黑色｡

测试与表征

结合整车应用对于材料的要求,对以上样品分别进行力学性能､耐折叠性能､耐磨性能等材料性能对比,具体测试项目和方法见表1｡

分析与讨论

力学性能

表2是真皮､PU超纤革和PVC合成革的力学性能测试数据,其中L表示材料经向,T表示材料纬向｡由表2可以看出:在拉伸强度和断裂伸长率方面,天然真皮在材料经向与纬向的拉伸强度均高于PU超纤革,表现出更好的强度,而PU超纤革的断裂伸长率更大､韧性更好;而PVC合成革拉伸强度和断裂伸长率均不及另外2种材料｡在静态伸长和永久变形方面,PU超纤革的永久变形量在材料经向和纬向均为最小值(经向永久变形量均值为0.5%,纬向永久变形量均值为2.75%),说明该材料受拉伸作用力后的恢复性能最好,要优于真皮和PVC合成革｡静态伸长率表示在座椅面套装配过程中,材料受力条件下的伸长形变程度,标准中无明确要求,仅作为参考值｡在撕裂力方面,3种材料样品数值相近,均能够满足标准要求｡

总体来说,PU超纤革样品同时具有良好的拉伸强度､断裂伸长率､永久变形量及撕裂力,综合力学性能优于真皮和PVC合成革样品｡

耐折叠性能

耐折叠试验样品的状态具体来说分为6种,分别为初始态(未老化态)､湿热老化态､低温态(-10℃)､氙气灯光照老化态(PV1303/3P)､高温老化态(100℃/168h)和气候交变老化态(PV1200/20P)｡折叠方法是利用皮革曲绕仪,将长方形样品的长度方向两端分别固定在仪器的上下夹具上,使样品呈90°,并以一定速度和角度进行重复弯折｡

真皮､PU超纤革和PVC合成革的折叠性能测试结果见表3｡由表3可以看出:真皮､PU超纤革和PVC合成革样品在初始态100000次折叠试验

后､氙气灯光照老化后状态10000次折叠后,均能保持无裂纹或应力发白的良好状态｡其他不同的老化后状态,即PU超纤革和PVC合成革的湿热老化后状态､高温老化后状态､气候交变老化后状态,样品均能承受30000次弯折试验｡而真皮的湿热老化后状态和高温老化后状态样品经过7500~8500次弯折试验后,开始出现裂纹或应力发白,且湿热老化严苛程度(168h/70℃/75%)低于PU超纤革和PVC合成革(240h/90℃/95%)｡类似的,真皮的气候交变老化后状态经过14000~15000次弯折试验后出现裂纹或应力发白｡这是因为真皮的耐弯折性能主要依靠原皮天然的粒面层和纤维组织,性能表现不及化学合成材料｡相应的,真皮的材料标准要求也更低｡这体现出真皮材质更为“娇贵”,用户使用过程中需要更加谨慎或者注意保养｡

总体来说,在初始态和氙气灯光照老化态,真皮､PU超纤革和PVC合成革样品的折叠性能均表现良好｡而湿热老化态､低温态､高温老化态及气候交变老化态,PU超纤革和PVC合成革的折叠性能相近,要优于真皮｡

耐磨性能

耐磨试验包括摩擦色牢度试验和球板磨耗试验,真皮､PU超纤革和PVC合成革的耐磨性能测试结果见表4｡摩擦色牢度试验结果表明:真皮､PU超纤革和PVC合成革样品在初始态､去离子水浸湿状态､碱性汗液浸湿状态和96%乙醇浸湿状态下,摩擦后的色牢度均能保持在4.0以上,样品颜色状态稳定,不会由于表面摩擦导致褪色｡而球板磨耗试验结果表明:真皮样品在经过1800~1900次磨损后,出现10个左右破损洞,与PU超纤革和PVC合成革样品的耐磨损性能(均为19000次磨损后无破损洞)差别明显｡破损洞产生的原因是真皮粒面层受到磨损后被破坏,其耐磨损性能与化学合成材料差别较大｡因此真皮较弱的耐磨性能也需要用户在使用过程中注意保养｡

总体来说,真皮､PU超纤革和PVC合成革样品均具有良好的摩擦色牢度,而PU超纤革和PVC合成革抗磨损破洞能力优于真皮,可以有效防止磨损破洞产生｡

其他材料性能

对于真皮､PU超纤革和PVC合成革样品的透水气性､水平阻燃､尺寸收缩率和气味等级测试结果见表5｡

试验数据对比区别主要在透水气性和尺寸收缩率｡真皮的透水气性接近PU超纤革的2倍,而PVC合成革几乎没有透水气性｡这是由于PU超纤革中的三维网络骨架(无纺布)与真皮的天然束状胶原纤维结构类似,都具有微孔结构,使得两者具有一定的透水气性｡进一步来说,真皮的胶原纤维截面积更大且分布更均匀,微孔空间比例大于PU超纤革,因此真皮透水气性最好｡而在尺寸收缩率方面,热老化后(120℃/168h)的PU超纤革和PVC合成革样品收缩率相近,且明显小于真皮,尺寸稳定性均比真皮好｡另外,水平阻燃和气味等级的测试结果显示,真皮､PU超纤革和PVC合成革样品可以达到相近的水平,在阻燃性能与气味性能方面,都可以满足材料标准要求｡

总体来说,真皮､PU超纤革和PVC合成革样品的透水气性能依次下降｡PU超纤革和PVC合成革经热老化后的收缩率(尺寸稳定性)相近且优于真皮,水平阻燃和气味性能相近｡

结语

PU超纤革与天然真皮的材料截面结构相似,前者的PU层和PU超纤革贝斯部分分别对应后者的粒面层和纤维组织部分｡PU超纤革与PVC合成革致密层､发泡层､黏结层和基布的材料结构差异明显｡

天然真皮的材料优势是具有良好的力学性能(拉伸强度≥15MPa,断裂伸长率>50%)和透水气性｡PVC合成革的材料优势是耐磨(经19000次球板磨耗无破损),对不同环境条件具有良好的耐久性(包括耐湿热､耐高温､耐低温､耐气候交变),尺寸稳定性好(120℃/168h条件下尺寸收缩率<5%)｡PU超纤革兼具真皮与PVC合成革的材料优势,在力学性能､折叠性能､耐磨性能､水平阻燃､尺寸稳定性､气味等级等方面的测试结果均可达到天然真皮与PVC合成革的最佳水平,同时具有一定的透水气性｡因此,PU超纤革能够更好地满足汽车座椅的应用要求,具有广阔的应用前景｡

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