摘要：以聚氨酯座椅泡沫为研究对象,利用柱状图、故障树图、鱼骨图等质量工具，分析了座椅泡沫的气味来源。通过更换聚醚多元醇、增加MDI比例、选用反应型催化剂、增加悬挂通风后处理工艺等措施，提升座椅泡沫气味状态。结果表明：气味提升方案有效，且能够稳定地维持在气味6级以上，达到了相应的气味要求。同时，这些提升方案可以同步横展至其他聚氨酯泡沫材料。
引言
聚氨酯材料是目前唯一一种在胶黏剂、纤维、塑料、橡胶、涂料、功能高分子等多维度应用的材料[1]。在汽车车身及内外部饰件中，如翼子板、引擎盖、座椅、顶棚及门板材料等，有着广泛的应用。据统计车辆中聚氨酯用量为15～30 kg/辆，随着聚氨酯应用逐渐加强，预计我国汽车行业聚氨酯材料年消费量约70万t[2]。聚氨酯材料在随型、加工便利性、轻量化等方面取得了多样化的突破，但由于其高分子材料的特性，气味和挥发性有机物(VOC)成为其限制因素。近年来随着人们对健康安全的关注度越来越高，先后出台了一系列相关的行业及国家标准。2011年颁布实施了推荐性国家标准 GB/T 27630—2011《乘用车内空气质量评价指南》，这促使国内总装厂对汽车座椅的挥发性有机物、舒适性能提出了更高的要求；而2020年7月1日开始实施的，将乘用车内VOC的标准并入GB 18352.6—2016中进行管控，要求严格控制八大挥发性有机化合物[3]。
通过不同分子量、不同官能团的分子链结构，聚氨酯材料可以呈现不同形态、性能和功能。同时，由于聚氨酯的反应过程是异氰酸酯和多元醇的酯化反应，异氰酸酯同时又能与水等反应生产二氧化碳气体。因此，可以将其应用扩展至泡沫材料领域。在汽车零件中，聚氨酯泡沫主要应用于座椅泡沫、前围隔音垫泡沫、地毯泡沫。综合性能要求、应用占比，聚氨酯材料在车内最主要的应用就是座椅泡沫。
1、座椅气味状态分析
汽车座椅可以分为前排座椅和后排座椅，后排座椅又可以细分为折叠式和非折叠式座椅。座椅由多种机构和材料组成，是汽车内饰中主要的组成部分。座椅包括面套、泡沫、骨架、注塑件和其他附件。座椅面套是由织物或皮革缝制而成;泡沫为聚氨酯发泡;骨架是由多种不同强度的金属材料加工焊接而成;注塑件包括座椅背板、座椅侧饰板，由ABS、PP、PA等材料注塑生产;其他附件包括开关、加热垫等子零件，根据配置不同而存在多种变化和组合。
座椅对车内气味状态的影响较大，座椅面套、座椅泡沫、座椅注塑件均对座椅的气味状态有贡献。文中采用柱状图分析工具，收集了气味提升前不同供应商的不同批次座椅气味状态，如图1所示。由图可以看出，C厂家的座椅气味状态存在一定波动，需要对其座椅气味状态进行分析和提升。
图1 不同供应商的不同批次座椅气味状态
2、座椅气味来源分析
2.1 故障树图分析
采用故障树图的方式，对C厂家座椅气味问题的来源和成因进行分析。图2为座椅气味来源的故障树图分析。
图2 座椅气味来源的故障树图分析
故障树图分析可针对涉及座椅气味的全因子进行拆解分析。通过对座椅子零件的气味状态排查和味型分析，形成汇总信息。气味测试方法采用公司内部标准，评价等级为1～10级，等级越高气味越好。气味评价测试温度为70 ℃，干法，测试容器为1 L玻璃瓶。气味采用主观评价，样品按照要求裁剪后，放置于玻璃瓶中密封烘烤，最后由经过培训的气味评价员进行嗅辨并给出气味等级评价。
表1为座椅子零件的气味状态。由表可以看出，气味状态不良且味型与座椅一致的为座椅泡沫。
表1 座椅子零件的气味状态
由于涉及聚氨酯的座椅泡沫性能要求较高，不仅需要满足短时间的强度、回弹等要求，还需要满足长周期下的压缩回弹、耐热、耐湿等老化性能。因此，座椅泡沫对原材料和配方的要求也不同于前围、地毯、顶棚等其他发泡材料。这种原材料和配方的差异，导致了不同座椅供应商的不同开发方向，对座椅泡沫的气味提升提出了更高的要求，也影响了行业内座椅泡沫气味的交流和横展。
2.2 鱼骨图分析
图3是采用鱼骨图的质量分析工具，从人机料法环测的角度，分别筛选座椅泡沫的气味影响因素。
图3 座椅泡沫气味来源的鱼骨图分析
3、座椅泡沫的加工过程
座椅泡沫的生产工艺(图4)与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，在一定温度条件下，通过酯化反应聚合而成。其中A料主要是聚醚多元醇、硅油、稳定剂和催化剂等多种助剂;B料主要是异氰酸酯，可以是MDI、TDI的其中一种或两种的混合物。
图4 座椅泡沫的生产工艺
4、座椅泡沫各材料组成气味分析
4.1 聚醚多元醇对聚氨酯泡沫材料气味的影响
聚醚多元醇是以低相对分子质量多元醇、多元胺或含活泼氢的化合物为起始剂，与氧化烯烃在催化剂作用下开环聚合而成[4]。聚醚多元醇纯品无特殊异味，但在多元醇合成过程中，原材料和助剂的残留，反应的副产物等导致成品的异味问题。聚醚多元醇作为聚氨酯泡沫材料的主体构成，原料中所占比例较大，降低聚醚多元醇中的气味物质是改善聚氨酯泡沫材料气味属性的重要措施之一。聚醚多元醇气味来源有反应副产物丙烯氧基聚醚、精制过程中分解的醛类、氧化后的聚醚氧化物等[5]。当前主要通过催化体系、聚合及后处理工艺等方法对其气味进行改进。
针对C厂家座椅泡沫，聚醚多元醇厂家提供了提纯后的N系列排号。
4.2 大量应用改性 MDI 来替代传统的 TDI
聚氨酯泡沫B料为异氰酸酯，异氰酸酯主要有TDI材料和MDI材料。TDI是甲苯二异氰酸酯，具有一定毒性;MDI是苯基甲烷二异氰酸酯，相对更加环保。在聚氨酯泡沫的实际使用中，各个座椅厂家逐步发现MDI合成的聚氨酯泡沫，在气味方面有一定优势。同时，经过改性的MDI能够便于发泡材料的存放和混合，各个座椅厂家逐步增加了MDI的应用比例。
针对C厂家座椅泡沫，经过对比验证，将MDI与总体异氰酸酯的占比提高10%。
4.3 催化剂的选用
叔胺类催化剂是聚氨酯泡沫材料所必需的，其决定着发泡反应过程，泡沫材料的硬度和孔性都取决于这类催化剂[6]。叔胺类催化剂根据结构可分为脂肪族叔胺如双二甲胺基乙基醚(BDMAEE)，芳香族叔胺如N-甲基吗啉(NEM)和杂环叔胺如三乙烯二胺(TEDA)。工业上通常选择多种类型的叔胺催化剂，复配提升催化效果。但大多数叔胺类催化剂不参与反应，反应完成后，在泡沫多孔结构中游离的叔胺类催化剂会挥发产生氨臭味，影响汽车玻璃的雾化和有严重的新车异味现象。当前主要通过低挥发性胺类催化剂和自催化聚醚多元醇来解决催化剂残留导致的异味问题。
反应型催化剂是含有活性氢原子的胺类化合物，易与异氰酸酯结合，与泡沫大分子交联结合链的一部分，减小了催化剂的散发。采用反应型催化剂,用水代替物理发泡剂发泡的方法合成了聚氨酯方向盘,其力学性能和气味均能达到要求。
针对C厂家座椅泡沫，将非反应型催化剂更换为反应型催化剂。
4.4 脱模剂的选用
聚氨酯泡沫材料中有多种材料构成与胶黏剂成分相似，在发泡过程中少量泡沫成分会附着于模具内表面，因此需要使用脱模剂，便于泡沫制品和模具的分离[7]。聚氨酯泡沫脱模剂有内脱模剂和外脱模剂两种类型。内脱模剂会影响发泡效果，且仍需要外脱模剂配合使用;外脱模剂应用更为重要，外脱模剂一般由介质和脱模活性物质组成，介质一般是有机溶剂或水，脱模活性物质常见的有硅油、蜡及油脂等。现用的外脱模剂中使用的有机溶剂(如卤代烃及脂肪烃等)，存在较大污染，且存在异味问题，因此以水为介质的水基脱模剂受到人们极大关注[8]。虽然水性脱模剂用水作载体，可极大地降低脱模剂的 VOC，然而，与传统的含有机溶剂的脱模剂相比，水性脱模剂的缺点是水分在工艺时间内不能完全挥发。残留水分与异氰酸酯化合物反应，会出现消泡的现象，同时在模腔内生成非常坚硬的聚脲化合物，必须通过复杂的清洗才能除去积垢。水性脱模剂可有效减少生产过程中 VOC 的排放，因而在汽车自结皮等内饰件领域得到了广泛的应用。
通过对比验证，水性脱模剂在现有模具和发泡体系下，无法满足外观和批量使用要求。针对C厂家座椅泡沫提升，重新寻源并作对比验证，将原有非低气味脱模剂更换为低气味脱模剂。
4.5 后处理工艺
通过聚氨酯泡沫材料自身的提升，对座椅泡沫的气味改善已具有一定优势。虽然座椅泡沫的气味一致，仍存在管控风险。由于泡沫是一种多孔材料，座椅泡沫更是一种开孔泡沫，材料内部存在气味连通的通道，因此，座椅泡沫采用通风处理的气味提升效果较好。
目前，随着国内用户对健康用车和车内气味状态的不断关注，各个主机厂和车内主要气味关重件都将气味作为基建技改提升的重要考量。因此，在C厂家的气味提升方案中，也将座椅悬挂链通风作为后处理工艺纳入其中。不同时间的悬挂链通风处理，可以有效地使座椅泡沫自带的小分子挥发，减少其对材料的气味影响。同时，在悬挂通风的过程中，也是座椅泡沫不断熟化的过程，可以将熟化过程中新产生的小分子异味一并排出。
表2是针对不同时间悬挂后的泡沫气味状态的对比。可以看出，悬挂24～48 h是最优的后处理工艺方案。根据C厂家的实际悬挂链长度和产能安排，最终锁定悬挂不少于24 h的后处理要求。
表2 通风悬挂时间对气味性的影响
5、方案验证
图5为气味改进后的座椅泡沫SPC分析。
图5 气味改进后的座椅泡沫SPC分析
通过以上的气味提升方案，采用SPC统计过程质量分析工具，收集了多批次C厂家的气味结果。由图可以看出，气味提升方案有效，且能够稳定地维持在气味6级以上，达到了相应的气味要求。
通过C厂家的座椅泡沫气味提升，也同步验证了聚氨酯泡沫材料的气味提升方案。具体如下：
(1)采用纯化的聚醚多元醇材料;
(2)适当调高MDI的占比;
(3)换用反应型催化剂;
(4)采用低气味脱模剂;
(5)增加一定时间的通风后处理。
通过该方案管控的座椅泡沫提升后，相应的整椅和整车气味状态也有明显提升，实现了车内异味的规避。通过这些方案的验证，可以横展至其他车内聚氨酯泡沫的气味提升。如前围隔音垫和地毯的聚氨酯泡沫，使用的材料部分与座椅泡沫相似，可以在一定程度上借鉴引用。
6、结束语
本文在聚氨酯座椅泡沫材料气味提升中运用了柱状图、故障树图、鱼骨图、流程图、SPC等多种质量工具，为质量工具作为车内空气的开发和管控提供了一定的应用实例。在柱状图中，充分对比了不同厂家的座椅气味状态，找出了故障问题的对象——座椅气味;利用故障树图，对座椅的不同材料及工艺进行拆解分析，结合子零件的测试排查结果，锁定了核心气味因素——座椅泡沫;通过鱼骨图和流程图将座椅泡沫的气味影响因素充分展开，便于后续有针对性地做提升方案。最终形成了改善后座椅泡沫的一致性管控。
参考文献：
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