Сравнение и анализ на свойствата на материалите, често използвани за автомобилни седалки

Бяха сравнени структурите и производствените процеси на естествена кожа, полиуретанова (PU) микрофибърна синтетична кожа и поливинилхлоридна (PVC) синтетична кожа, а свойствата на материала бяха тествани, сравнени и анализирани. Резултатите показват, че по отношение на механиката, цялостните характеристики на PU микрофибърната синтетична кожа са по-добри от тези на естествената кожа и PVC синтетичната кожа; по отношение на характеристиките на огъване, характеристиките на PU микрофибърната синтетична кожа и PVC синтетичната кожа са сходни, а характеристиките на огъване са по-добри от тези на естествената кожа след стареене във влажна топлина, висока температура, климатични промени и при ниска температура; по отношение на износоустойчивостта, износоустойчивостта на PU микрофибърната синтетична кожа и PVC синтетичната кожа е по-добра от тази на естествената кожа; по отношение на други свойства на материала, паропропускливостта на естествената кожа, PU микрофибърната синтетична кожа и PVC синтетичната кожа намалява, а размерната стабилност на PU микрофибърната синтетична кожа и PVC синтетичната кожа след термично стареене е подобна и по-добра от тази на естествената кожа.

Автомобилни седалки

Като важна част от интериора на автомобила, тъканите на автомобилните седалки пряко влияят върху шофирането. Естествена кожа, полиуретанова (PU) микрофибърна синтетична кожа (наричана по-долу PU микрофибърна кожа) и поливинилхлоридна (PVC) синтетична кожа са всички често използвани материали за тъкани на седалките.
Естествената кожа има дълга история на приложение в човешкия живот. Благодарение на химичните свойства и тройно-спиралната структура на самия колаген, тя има предимствата на мекота, устойчивост на износване, висока якост, висока абсорбция на влага и водопропускливост. Естествената кожа се използва най-вече в тъканите на седалките на модели от среден до висок клас в автомобилната индустрия (предимно телешка кожа), които могат да съчетаят лукс и комфорт.
С развитието на човешкото общество, предлагането на естествена кожа е трудно да отговори на нарастващото търсене на хората. Хората започнаха да използват химически суровини и методи за производство на заместители на естествената кожа, т.е. изкуствена синтетична кожа. Появата на PVC синтетичната кожа може да се проследи до 20-ти век. През 30-те години на миналия век това е първото поколение изделия от изкуствена кожа. Материалните ѝ характеристики са висока якост, устойчивост на износване, устойчивост на сгъване, устойчивост на киселини и основи и др., а освен това е ниска цена и лесна за обработка. PU микрофибърната кожа е успешно разработена през 70-те години на миналия век. След напредъка и усъвършенстването на съвременните технологични приложения, като нов вид изкуствена синтетична кожа, тя се използва широко в производството на луксозни дрехи, мебели, топки, интериор на автомобили и други области. Материалните характеристики на PU микрофибърната кожа са, че тя наистина симулира вътрешната структура и текстура на естествената кожа, има по-добра издръжливост от естествената кожа, повече предимства по отношение на цената на материала и е екологична.
Експериментална част
PVC синтетична кожа
Материалната структура на синтетичната кожа от PVC се разделя основно на повърхностно покритие, плътен PVC слой, слой от PVC пяна, PVC лепилен слой и полиестерна основна тъкан (виж Фигура 1). При метода с разделителна хартия (метод на трансферно покритие), PVC суспензията първо се остъргва, за да се образува плътен PVC слой (повърхностен слой) върху разделителната хартия, и постъпва в първата пещ за пластифициране и охлаждане на гела; второ, след второто остъргване, върху плътния PVC слой се образува слой от PVC пяна, след което се пластифицира и охлажда във втората пещ; трето, след третото остъргване се образува PVC лепилен слой (долен слой), който се свързва с основната тъкан и постъпва в третата пещ за пластифициране и разпенване; и накрая, след охлаждане и оформяне, се отлепва от разделителната хартия (виж Фигура 2).

_20241119115304_
ПВЦ

Естествена кожа и PU микрофибърна кожа
Структурата на материала от естествена кожа включва зърнест слой, влакнеста структура и повърхностно покритие (виж Фигура 3(a)). Производственият процес от сурова кожа до синтетична кожа обикновено се разделя на три етапа: подготовка, дъбене и довършителни работи (виж Фигура 4). Първоначалното намерение на дизайна на PU микрофибърната кожа е наистина да симулира естествена кожа по отношение на структурата на материала и външния вид, текстура. Структурата на материала на PU микрофибърната кожа включва главно PU слой, основна част и повърхностно покритие (виж Фигура 3(b)). Сред тях, основната част използва снопове микрофибри с подобна структура и характеристики на сноповете колагенови влакна в естествената кожа. Чрез специална обработка се синтезира нетъкан текстил с висока плътност с триизмерна мрежова структура, комбиниран с PU пълнежен материал с отворена микропореста структура (виж Фигура 5).

ПУ
кожа
PU МИКРОФИБЪРНА КОЖА

Подготовка на пробата
Пробите идват от основните доставчици на платове за автомобилни седалки на вътрешния пазар. По две проби от всеки материал - естествена кожа, PU микрофибърна кожа и PVC синтетична кожа - са приготвени от 6 различни доставчици. Пробите са наречени естествена кожа 1# и 2#, PU микрофибърна кожа 1# и 2#, PVC синтетична кожа 1# и 2#. Цветът на пробите е черен.
Тестване и характеризиране
В комбинация с изискванията за материали, използвани в превозните средства, горните проби са сравнени по отношение на механични свойства, устойчивост на сгъване, износоустойчивост и други свойства на материала. Конкретните изпитвани елементи и методи са показани в Таблица 1.

Таблица 1 Специфични изпитвани елементи и методи за изпитване на характеристиките на материалите

Не. Класификация на производителността Тестови елементи Име на оборудването Метод на изпитване
1 Основни механични свойства Якост на опън/удължение при скъсване Машина за изпитване на опън Zwick DIN EN ISO 13934-1
Сила на разкъсване Машина за изпитване на опън Zwick DIN EN ISO 3377-1
Статично удължение/остатъчна деформация Скоба за окачване, тежести PV 3909 (50 N/30 мин)
2 Съпротивление при сгъване Тест за сгъване Тестер за огъване на кожа DIN EN ISO 5402-1
3 Устойчивост на износване Устойчивост на цвета при триене Тестер за триене на кожа DIN EN ISO 11640
Износване на сачмена плоча Тестер за абразия Martindale VDA 230-211
4 Други свойства на материала Водопропускливост Тестер за влага на кожа DIN EN ISO 14268
Хоризонтално забавяне на горенето Хоризонтално измервателно оборудване за забавяне на горенето TL. 1010
Размерна стабилност (степен на свиване) Високотемпературна фурна, камера за климатични промени, линийка -
Емисия на миризма Високотемпературна фурна, устройство за събиране на миризми VW50180

Анализ и дискусия
Механични свойства
Таблица 2 показва данните от изпитванията на механичните свойства на естествена кожа, PU микрофибърна кожа и PVC синтетична кожа, където L представлява посоката на основата на материала, а T представлява посоката на вътъка на материала. От Таблица 2 може да се види, че по отношение на якостта на опън и удължението при скъсване, якостта на опън на естествената кожа както в посоката на основата, така и в посоката на вътъка е по-висока от тази на PU микрофибърната кожа, показвайки по-добра здравина, докато удължението при скъсване на PU микрофибърната кожа е по-голямо, а жилавостта е по-добра; докато якостта на опън и удължението при скъсване на PVC синтетичната кожа са по-ниски от тези на другите два материала. По отношение на статичното удължение и остатъчната деформация, якостта на опън на естествената кожа е по-висока от тази на PU микрофибърната кожа, показвайки по-добра здравина, докато удължението при скъсване на PU микрофибърната кожа е по-голямо, а жилавостта е по-добра. По отношение на деформацията, постоянната деформация на PU микрофибърната кожа е най-малка както в посока на основата, така и на вътъка (средната постоянна деформация в посока на основата е 0,5%, а средната постоянна деформация в посока на вътъка е 2,75%), което показва, че материалът има най-добри показатели за възстановяване след разтягане, което е по-добро от естествената кожа и PVC синтетичната кожа. Статичното удължение се отнася до степента на удължаване, деформация на материала при условия на напрежение по време на сглобяването на калъфа на седалката. В стандарта няма ясно изискване и се използва само като референтна стойност. По отношение на силата на разкъсване, стойностите на трите образци на материала са сходни и могат да отговорят на изискванията на стандарта.

Таблица 2 Резултати от изпитвания на механични свойства на естествена кожа, PU микрофибърна кожа и PVC синтетична кожа

Проба Якост на опън/MPa Удължение при скъсване/% Статично удължение/% Постоянна деформация/% Сила на разкъсване/N
Л Т Л Т Л Т Л Т Л Т
Естествена кожа 1# 17.7 16.6 54.4 50.7 19.0 11.3 5.3 3.0 50 52.4
Естествена кожа 2# 15.5 15.0 58.4 58.9 19.2 12.7 4.2 3.0 33.7 34.1
Стандарт от естествена кожа ≥9.3 ≥9.3 ≥30.0 ≥40.0     ≤3.0 ≤4.0 ≥25.0 ≥25.0
PU микрофибърна кожа 1# 15.0 13.0 81.4 120.0 6.3 21.0 0,5 2.5 49.7 47.6
PU микрофибърна кожа 2# 12.9 11.4 61.7 111.5 7.5 22.5 0,5 3.0 67.8 66.4
Стандартна PU микрофибърна кожа ≥9.3 ≥9.3 ≥30.0 ≥40.0     ≤3.0 ≤4.0 ≥40.0 ≥40.0
PVC синтетична кожа I# 7.4 5.9 120.0 130,5 16.8 38.3 1.2 3.3 62.5 35.3
PVC синтетична кожа 2# 7.9 5.7 122.4 129.5 22.5 52.0 2.0 5.0 41.7 33.2
Стандарт от PVC синтетична кожа ≥3.6 ≥3.6         ≤3.0 ≤6.0 ≥30.0 ≥25.0

Като цяло, пробите от PU микрофибърна кожа имат добра якост на опън, удължение при скъсване, трайна деформация и сила на разкъсване, а цялостните механични свойства са по-добри от тези на пробите от естествена кожа и PVC синтетична кожа.
Съпротивление при сгъване
Състоянията на пробите за изпитване на устойчивост на сгъване са специално разделени на 6 типа, а именно начално състояние (нестареене), състояние на стареене от влажна топлина, състояние на ниска температура (-10℃), състояние на стареене от ксенонова светлина (PV1303/3P), състояние на стареене от висока температура (100℃/168h) и състояние на стареене от климатични промени (PV12 00/20P). Методът на сгъване е да се използва инструмент за огъване на кожа, за да се фиксират двата края на правоъгълната проба по дължина върху горните и долните скоби на инструмента, така че пробата да е под ъгъл 90° и да се огъва многократно с определена скорост и ъгъл. Резултатите от тестовете за производителност на сгъване на естествена кожа, PU микрофибърна кожа и PVC синтетична кожа са показани в Таблица 3. От Таблица 3 може да се види, че пробите от естествена кожа, PU микрофибърна кожа и PVC синтетична кожа са сгънати 100 000 пъти в начално състояние и 10 000 пъти в състояние на стареене под ксенонова светлина. Те могат да поддържат добро състояние без пукнатини или избелване от напрежение. В други различни състояния на стареене, а именно стареене под влажна топлина, стареене при висока температура и стареене под влияние на климатични промени на PU микрофибърна кожа и PVC синтетична кожа, пробите могат да издържат на 30 000 теста на огъване. След 7500 до 8500 теста на огъване, в пробите от естествена кожа, подложени на стареене под влажна топлина и стареене при висока температура, започват да се появяват пукнатини или избелване под напрежение, като степента на стареене под влажна топлина (168 часа/70℃/75%) е по-ниска от тази на PU микрофибърна кожа. Влакнеста кожа и PVC синтетична кожа (240 часа/90℃/95%). По подобен начин, след 14 000~15 000 теста на огъване, в кожата, подложена на стареене под влияние на климатични промени, се появяват пукнатини или избелване под напрежение. Това е така, защото съпротивлението на кожата на огъване зависи главно от естествения слой на зърната и структурата на влакната на оригиналната кожа и нейните характеристики не са толкова добри, колкото тези на химическите синтетични материали. Съответно, изискванията за материални стандарти за кожа също са по-ниски. Това показва, че коженият материал е по-„деликатен“ и потребителите трябва да бъдат по-внимателни или да обръщат внимание на поддръжката по време на употреба.

Таблица 3 Резултати от тестовете за сгъване на естествена кожа, PU микрофибърна кожа и PVC синтетична кожа

Проба Първоначално състояние Състояние на стареене от влажна топлина Състояние на ниска температура Състояние на стареене на ксенонова светлина Състояние на стареене при висока температура Състояние на стареене, причинено от изменение на климата
Естествена кожа 1# 100 000 пъти, без пукнатини или избелване от стрес 168 ч/70 ℃/75% 8 000 пъти, започнаха да се появяват пукнатини, избелване от напрежение 32 000 пъти, започнаха да се появяват пукнатини, без избелване от стрес 10 000 пъти, без пукнатини или избелване от стрес 7500 пъти, започнаха да се появяват пукнатини, без избелване от стрес 15 000 пъти, започнаха да се появяват пукнатини, без избелване от стрес
Естествена кожа 2# 100 000 пъти, без пукнатини или избелване от стрес 168 ч/70 ℃/75% 8 500 пъти, започнаха да се появяват пукнатини, избелване от напрежение 32 000 пъти, започнаха да се появяват пукнатини, без избелване от стрес 10 000 пъти, без пукнатини или избелване от стрес 8000 пъти, започнаха да се появяват пукнатини, без избелване от стрес 4000 пъти, започнаха да се появяват пукнатини, без избелване от стрес
PU микрофибърна кожа 1# 100 000 пъти, без пукнатини или избелване от стрес 240 ч/90 ℃/95% 30 000 пъти, без пукнатини или избелване от напрежение 35 000 пъти, без пукнатини или избелване от стрес 10 000 пъти, без пукнатини или избелване от стрес 30 000 пъти, без пукнатини или избелване от стрес 30 000 пъти, без пукнатини или избелване от стрес
PU микрофибърна кожа 2# 100 000 пъти, без пукнатини или избелване от стрес 240 ч/90 ℃/95% 30 000 пъти, без пукнатини или избелване от напрежение 35 000 пъти, без пукнатини или избелване от стрес 10 000 пъти, без пукнатини или избелване от стрес 30 000 пъти, без пукнатини или избелване от стрес 30 000 пъти, без пукнатини или избелване от стрес
PVC синтетична кожа 1# 100 000 пъти, без пукнатини или избелване от стрес 240 ч/90 ℃/95% 30 000 пъти, без пукнатини или избелване от напрежение 35 000 пъти, без пукнатини или избелване от стрес 10 000 пъти, без пукнатини или избелване от стрес 30 000 пъти, без пукнатини или избелване от стрес 30 000 пъти, без пукнатини или избелване от стрес
PVC синтетична кожа 2# 100 000 пъти, без пукнатини или избелване от стрес 240 ч/90 ℃/95% 30 000 пъти, без пукнатини или избелване от напрежение 35 000 пъти, без пукнатини или избелване от стрес 10 000 пъти, без пукнатини или избелване от стрес 30 000 пъти, без пукнатини или избелване от стрес 30 000 пъти, без пукнатини или избелване от стрес
Стандартни изисквания за естествена кожа 100 000 пъти, без пукнатини или избелване от стрес 168 ч/70 ℃/75% 5 000 пъти, без пукнатини или избелване от напрежение 30 000 пъти, без пукнатини или избелване от стрес 10 000 пъти, без пукнатини или избелване от стрес Няма изисквания Няма изискване
Стандартни изисквания за PU микрофибърна кожа 100 000 пъти, без пукнатини или избелване от стрес 240 ч/90 ℃/95% 30 000 пъти, без пукнатини или избелване от напрежение 30 000 пъти, без пукнатини или избелване от стрес 10 000 пъти, без пукнатини или избелване от стрес 30 000 пъти, без пукнатини или избелване от стрес 30 000 пъти, без пукнатини или избелване от стрес

 

Като цяло, сгъваемостта на пробите от кожа, PU микрофибърна кожа и PVC синтетична кожа е добра в начално състояние и в състояние на стареене от ксенонова светлина. В състояние на стареене от влажна топлина, ниска температура, висока температура и климатични промени, сгъваемостта на PU микрофибърната кожа и PVC синтетичната кожа е сходна, което е по-добро от това на кожата.
Устойчивост на износване
Тестът за устойчивост на износване включва тест за устойчивост на цвета при триене и тест за износване от сачмена плоча. Резултатите от теста за износоустойчивост на кожа, PU микрофибърна кожа и PVC синтетична кожа са показани в Таблица 4. Резултатите от теста за устойчивост на цвета при триене показват, че пробите от кожа, PU микрофибърна кожа и PVC синтетична кожа са в начално състояние, напоено с дейонизирана вода, напоено с алкална пот, а когато са напоени с 96% етанол, устойчивостта на цвета след триене може да се поддържа над 4.0, а цветното състояние на пробата е стабилно и не избледнява поради повърхностното триене. Резултатите от теста за износване от сачмена плоча показват, че след 1800-1900 пъти износване, кожената проба има около 10 повредени дупки, което е значително различно от износоустойчивостта на пробите от PU микрофибърна кожа и PVC синтетична кожа (и двете нямат повредени дупки след 19 000 пъти износване). Причината за повредените дупки е, че зърнестият слой на кожата е повреден след износване и нейната износоустойчивост е доста различна от тази на химическите синтетични материали. Следователно, слабата износоустойчивост на кожата също изисква от потребителите да обръщат внимание на поддръжката по време на употреба.

Таблица 4 Резултати от изпитвания за износоустойчивост на естествена кожа, PU микрофибърна кожа и PVC синтетична кожа
Проби Устойчивост на цвета при триене Износване на сачмена плоча
Първоначално състояние Състояние, напоено с дейонизирана вода Алкално състояние, напоено с пот 96% етанол, напоено състояние Първоначално състояние
(2000 пъти триене) (500 пъти триене) (100 пъти триене) (5 пъти триене)
Естествена кожа 1# 5.0 4.5 5.0 5.0 Около 1900 пъти 11 повредени дупки
Естествена кожа 2# 5.0 5.0 5.0 4.5 Около 1800 пъти 9 повредени дупки
PU микрофибърна кожа 1# 5.0 5.0 5.0 4.5 19 000 пъти Няма повърхностно повредени отвори
PU микрофибърна кожа 2# 5.0 5.0 5.0 4.5 19 000 пъти без дупки и повреди по повърхността
PVC синтетична кожа 1# 5.0 4.5 5.0 5.0 19 000 пъти без дупки и повреди по повърхността
PVC синтетична кожа 2# 5.0 5.0 5.0 4.5 19 000 пъти без дупки и повреди по повърхността
Стандартни изисквания за естествена кожа ≥4,5 ≥4,5 ≥4,5 ≥4.0 1500 пъти износване. Не повече от 4 дупки с повреди.
Стандартни изисквания за синтетична кожа ≥4,5 ≥4,5 ≥4,5 ≥4.0 19000 пъти износване. Не повече от 4 дупки с повреди.

Като цяло, образците от естествена кожа, PU микрофибърна кожа и PVC синтетична кожа имат добра устойчивост на цветовете при триене, а PU микрофибърната кожа и PVC синтетичната кожа имат по-добра устойчивост на износване от естествената кожа, което може ефективно да предотврати износването.
Други свойства на материала
Резултатите от тестовете за водопропускливост, хоризонтално забавяне на горенето, размерно свиване и ниво на мирис на проби от естествена кожа, PU микрофибърна кожа и PVC синтетична кожа са показани в Таблица 5.

Таблица 5 Резултати от тестове на други свойства на материалите от естествена кожа, PU микрофибърна кожа и PVC синтетична кожа
Проба Водопропускливост/(mg/10cm²·24h) Хоризонтално забавяне на горенето/(мм/мин) Размерно свиване/% (120℃/168 h) Ниво на миризма
Естествена кожа 1# 3.0 Незапалим 3.4 3.7
Естествена кожа 2# 3.1 Незапалим 2.6 3.7
PU микрофибърна кожа 1# 1.5 Незапалим 0.3 3.7
PU микрофибърна кожа 2# 1.7 Незапалим 0,5 3.7
PVC синтетична кожа 1# Не е тествано Незапалим 0.2 3.7
PVC синтетична кожа 2# Не е тествано Незапалим 0,4 3.7
Стандартни изисквания за естествена кожа ≥1.0 ≤100 ≤5 ≤3,7 (отклонение приемливо)
Стандартни изисквания за PU микрофибърна кожа Няма изискване ≤100 ≤2 ≤3,7 (отклонение приемливо)
Стандартни изисквания за PVC синтетична кожа Няма изискване ≤100 Няма изискване ≤3,7 (отклонение приемливо)

Основните разлики в тестовите данни са водопропускливостта и размерното свиване. Водопропускливостта на кожата е почти два пъти по-висока от тази на PU микрофибърната кожа, докато PVC синтетичната кожа почти няма водопропускливост. Това е така, защото триизмерният мрежов скелет (нетъкан текстил) в PU микрофибърната кожа е подобен на естествената структура от снопове колагенови влакна на кожата, като и двете имат микропорести структури, което прави и двете водопропускливи. Освен това, площта на напречното сечение на колагеновите влакна в кожата е по-голяма и по-равномерно разпределена, а делът на микропорестото пространство е по-голям от този на PU микрофибърната кожа, така че кожата има най-добра водопропускливост. По отношение на размерното свиване, след термично стареене (120℃/1) степента на свиване на пробите от PU микрофибърна кожа и PVC синтетична кожа след термично стареене (68 часа) е подобна и значително по-ниска от тази на естествената кожа, а размерната им стабилност е по-добра от тази на естествената кожа. Освен това, резултатите от тестовете за хоризонтално забавяне на горенето и ниво на миризма показват, че пробите от естествена кожа, PU микрофибърна кожа и PVC синтетична кожа могат да достигнат сходни нива и да отговорят на изискванията на стандарта за материали по отношение на забавяне на горенето и миризма.
Като цяло, паропропускливостта на образците от естествена кожа, PU микрофибърна кожа и PVC синтетична кожа намалява съответно. Степента на свиване (размерна стабилност) на PU микрофибърната кожа и PVC синтетичната кожа след термично стареене е подобна и по-добра от тази на естествената кожа, а хоризонталната огнеустойчивост е по-добра от тази на естествената кожа. Свойствата на запалване и мирис са сходни.
Заключение
Структурата на напречното сечение на PU микрофибърната кожа е подобна на тази на естествената кожа. PU слоят и основната част на PU микрофибърната кожа съответстват на зърнестия слой и на влакнестата тъканна част на последния. Материалните структури на плътния слой, пенещия слой, лепилния слой и основната тъкан на PU микрофибърната кожа и PVC синтетичната кожа очевидно се различават.
Материалното предимство на естествената кожа е, че има добри механични свойства (якост на опън ≥15MPa, удължение при скъсване >50%) и водопропускливост. Материалното предимство на PVC синтетичната кожа е устойчивостта на износване (без повреди след 19 000 пъти износване на дъската) и е устойчива на различни условия на околната среда. Частите имат добра издръжливост (включително устойчивост на влага и топлина, висока температура, ниска температура и променлив климат) и добра размерна стабилност (свиване на размерите <5% при 120℃/168h). PU микрофибърната кожа има материалните предимства както на естествената кожа, така и на PVC синтетичната кожа. Резултатите от тестовете за механични свойства, производителност на сгъване, устойчивост на износване, хоризонтално забавяне на горенето, размерна стабилност, ниво на миризма и др. могат да достигнат най-доброто ниво на естествената естествена кожа и PVC синтетичната кожа, като същевременно имат определена водопропускливост. Следователно, PU микрофибърната кожа може по-добре да отговори на изискванията за приложение на автомобилни седалки и има широки перспективи за приложение.


Време на публикуване: 19 ноември 2024 г.