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原文传递生物基TPO类汽车内饰材料的开发与评价

论文题名：	生物基TPO类汽车内饰材料的开发与评价
关键词：	汽车内饰;TPO合成革;生物基材料;背衬基布;仪表板
摘要：	在全球气候变化、温室效应日益严重的今天，碳排放已经成为全世界关注的焦点问题，世界各国都致力于发展低碳环保的循环经济，我国在联合国大会也提出“30·60”双碳政策，确立了实现二氧化碳净零排放的明确目标。但随着我国经济的快速发展，石油、煤炭、天然气等化石资源的需求量急剧增加，相应的石油衍生物也被大量生产和使用，这不仅损耗了不可再生的化石资源，随之而来的碳排放量也居高不下。因此，各行业节能减排、各产品绿色改革成为发展低碳经济的重中之重。　　热塑性弹性体类（TPO）汽车内饰属于软内饰体系中的合成革材料，主体部分由多种聚烯烃和橡胶熔融共混制备的致密层（表皮层）与发泡海绵或聚酯基布复合而成，具有密度小、可回收利用等优势，被广泛应用于汽车的仪表板、门板等部位。本文以汽车内饰材料低碳环保开发为目标，从TPO类汽车内饰的原材料、致密层改性、基布生物基化、加工工艺等多方面进行改良，旨在从源头上实现TPO类汽车内饰材料的环保升级。具体研究内容如下：　　（1）分别利用生物基聚烯烃（Bio-rTPO）和生物基三元乙丙橡胶（Bio-EPDM）代替传统石油基聚烯烃和橡胶，经过热压贴合工艺制备生物基TPO内饰致密层，并以量产石油基致密层为参照对象，对生物基化后的TPO内饰致密层的机械性能、热老化性能、气味等级、组成成分、微观结构等进行评价和表征，分析从原材料入手，对TPO内饰生物基化的可行性。实验结果表明：在不添加新成分的前提下，Bio-rTPO单独替代传统rTPO的内饰致密层与原石油基致密层性能相近，可完全取代石油基聚烯烃；而Bio-rTPO与Bio-EPDM两种成分同时取代后的TPO内饰致密层机械性能下降明显，主要原因可能是由于Bio-EPDM的熔融粘度与Bio-rTPO的熔融粘度不匹配，造成两种组分相容性不好，从而引起了复合后的致密层机械性能下降。针对生物基化后的TPO内饰致密层机械性能下降问题，后续需要对Bio-rTPO/Bio-EPDM共混体系进行优化和改性。　　（2）以Bio-rTPO/Bio-EPDM共混体系为研究对象，探究体系橡塑比（Bio-rTPO与Bio-EPDM的质量比）、改性材料种类对TPO内饰致密层性能的影响。橡塑比梯度试验结果表明：当橡塑比为35/65时，TPO内饰致密层具有较高的撕裂强度、较好的相容性和结晶能力，整体性能最为优异；在最佳橡塑比35/65的基础上，分别添加LLDPE塑料类、POE弹性体类材料对Bio-rTPO/Bio-EPDM共混体系进行改性，结果表明：改性后致密层的机械性能极大地得到改善，能够达到传统石油基内饰致密层的性能水平，且不同共混改性材料制备的TPO内饰致密层各具优点，能够适用于不同汽车座舱环境和不同内饰部位。　　（3）为了进一步改善TPO内饰致密层的综合性能，分别对石油基、生物基及改性后的生物基致密层进行物理辐照交联改性，运用高能电子束冲击使TPO内饰致密层高分子链段形成立体网状结构，优化TPO内饰表皮性能。分别探究了辐照交联处理后TPO内饰致密层的交联度、机械性能、熔融状态下的流变性能、热稳定性能、阻燃性能和气味等级等。实验结果表明：经过25KGy电子交联后，组分相容性好的石油基致密层和改性生物基内饰致密层的机械性能略有下降，主要原因可能是高能电子束打断了材料部分分子链段，使致密层机械性能下降，而链段重组带来的二者相容性提高对强度的影响不明显，因此整体表现为机械性能下降；相比之下，组分相容性较差的生物基内饰致密层机械性能明显上升，这主要是由于分子链断裂重组大大提高了生物基共混组分的相容性，使得生物基致密层的机械性能显著提高。　　此外，交联形成的网状结构使致密层的阻燃性能提高10%以上，热分解温度提高6-8℃，因此，内饰材料的安全系数增加。交联处理后致密层熔体粘度增加，产生明显的应力屈服行为，有利于保持致密层表面花纹形态。然而，在高能电子束冲击作用下，致密层内部小分子物质挥发加剧，同时空气中的氧气会被电离成臭氧，这都使致密层携带难闻的塑料异味，后续需要对致密层进行低气味处理。　　（4）对TPO内饰背衬基布的生物基化，分别采用全生物基可降解聚乳酸（PLA）短纤、生物基含量为43%的生物基尼龙（PA56）短纤和含有20%废弃咖啡渣的咖啡碳短纤为原料纺制针织用纱，将纱线沿纬向喂入针织机的织针上，使其顺序成圈且加以串套，织造为Interlock纬编双面针织基布，经溢流缸清洗去油去污，再经高温定型平整布面、固化性能，最终制备得到TPO内饰背衬基布。　　分别通过热定型、压花及热老化三道生产工艺验证生物基化面料的耐热性，从而评价其取代传统涤纶短纤基布的可行性。工程实践和实验结果表明：PLA、PA56短纤基布在热定型与高温压花过程中出现布面变黄、性能下降问题，无法作为内饰背衬层使用；相比之下，咖啡碳短纤基布具有优异的耐热性、较高的机械性能，布面无明显变化，可作为内饰背衬层使用。　　（5）将生物基化的TPO致密层分别与发泡海绵、咖啡碳基布进行热压贴合，制备得到TPO内饰成品，以现用的石油基TPO内饰成品为参考，按照汽车内饰性能标准进行性能对比，探究生物基化TPO内饰材料的可应用性。主要评价了TPO内饰成品的力学性能、老化性能、气味等级、阻燃性能、雾化性能和TVOC等。结果表明：各类生物基TPO内饰材料除干态气味等级较高外，其他性能皆满足标准要求，可以实现实际应用。实践应用过程中，对于干态气味等级高的问题可通过高温烘燥、低气味剂处理等加以解决。
作者：	崔双庆
专业：	材料与化工
导师：	高晶;马垚
授予学位：	硕士
授予学位单位：	东华大学
学位年度：	2023