摘要：近几年，随着汽车市场竞争日益激烈，促使车企往更低价格、更高质量、更高性能方向上创新升级。通过对发动机舱隔热垫轻质聚合物发泡材料（PU）和传统材料的工艺调研，并从生产工艺、隔热效果和NVH 性能 3 个维度进行了对比。结果表明，采用轻质 PU 材料的发动机舱隔热垫不仅制造工艺简单，成本低廉，而且在隔热效果和 NVH 性能上要优于传统材料产品。
关键词：轻质PU 发动机舱隔热垫 隔热效果 NVH
1 前言
发动机舱隔热垫的主要作用是降低发动机噪声、保持发动机舱温度、防止机舱过热影响发动机舱漆面质量。目前，国内自主品牌汽车的发动机舱隔热垫大量采用玻璃棉作为填充物模压成型。聚合物发泡（PU）材料通过不同的发泡工艺，赋予了聚合物全新的优异性能，是新材料中的新生力量。而轻质 PU 材料凭借其轻量化、减振降噪、保温隔热的独特性能，在不同的垂直应用领域发挥着关键作用。
2 轻质PU与玻璃棉克重的对比
本文以市场上某一款车型的发动机舱隔热垫举例，该车型的发动机舱隔热垫采用的填充物材料便是传统的玻璃棉，将不同克重的轻质 PU 与其进行对比研究分析。另外，为更好地研究轻质 PU材料的特点，将半固化棉填充材料样品加入对比试验，详见表1。
3 轻质PU与玻璃/半固化棉工艺的对比
近几年，企业的人力资源成本负担越来越重，促使企业不断寻求通过产品可替代的材料和生产工艺来优化人力成本，确保中小企业利润持续发展。
发动机舱隔热垫结构为外层及隔热层，外层包覆在隔热层的外侧，通过热压成型工艺制成。轻质PU发动机舱隔热垫的加工工艺流程如图1所示，玻璃棉和半固化棉发动机舱隔热垫的加工工艺流程如图2所示。
试验选用的轻质PU复合板材自带无纺布，由于其质轻且有一定的刚性，1名作业员即可完成上料工序生产工作。而玻璃棉和半固化棉材料无法很好实现复合化，故上料工序是将水刺无纺布底料、玻璃棉和半固化棉与针刺无纺布面料依次投入热压模具中，需要2名作业员协同完成此项工作。不同填充材料的发动机舱隔热垫模压工艺参数如表2所示。
根据表 2 可知，采用轻质 PU 作为填充物的发动机舱隔热垫所需的模温要低于其它2种材质，而且生产节拍要比其它 2 种材质的快 15 s，这主要是因为轻质 PU 发动机舱隔热垫所采用的是复合型材料，相比玻璃棉和半固化棉材质的发动机舱隔热垫少了一道上料工序。
4 轻质 PU 与玻璃棉和半固化棉的性能对比
4.1 隔热效果对比
将 1～4 号样品分别搭载在同配置的该车型上，在相同的环境下启动并连续工作 3 h，用高精度铂电阻温度计分别对发动机舱同一位置进行温度测量，测量结果见表3。
从试验结果来看，轻质 PU 材料的隔热效果要优于玻璃棉和半固化棉，而高密度的轻质 PU 材料的隔热效果略低于低密度的轻质 PU 材料，主要原因是材料的分子结构不同，其导热系数有很大的差别[1]。玻璃棉和半固化棉属于纤维类保温隔热材料，轻质 PU 属于多孔性保温隔热材料。不同材质的导热系数见表4。
在其它条件一定的情况下，导热系数越小的材料，它的导热能力越低，即保温隔热效果越好，所以采用轻质 PU 材料试验车辆发动机舱的温度低于采用玻璃棉和半固化棉的试验车。
隔热材料的各个热物理性能参数之间关系见公式（1）。
式中，λ为导热系数；α为热扩散系数；ρ为密度；c为比热容；R为热阻；d为厚度；λ/ρ为密度因子。
从上式可知，密度因子决定了材料隔热能力，密度因子越小，隔热能力越强，反之则隔热能力越弱。在厚度一定的条件下，密度与热阻乘积大小表征了材料的隔热能力强弱。所以在发动机舱隔热垫厚度相同的情况下，1 500 g/m3密度的轻质 PU发动机舱隔热垫隔热效果要略低于 1 000 g/m3密度的轻质PU发动机舱隔热垫。
4.2 NVH效果对比
发动机舱隔热垫除了可以隔除发动机舱下面的大量热量，减缓发动机舱漆面的老化的作用外，同时它能有效地吸收发动机舱内所产生的机械噪音。发动机和变速器作为汽车 NVH 的激励源之一，而且发动机噪声占汽车噪声的 1/2，减少从发动机通过发动机舱板传递到车内的噪音和振动，将有效提升驾驶舒适性。本文同样以该车型的发动机舱板作为研究基础，通过理论分析和试验测量，分析该车型发动机舱隔热垫采用不同材质和密度对发动机舱吸声和隔音的影响，为验证轻质PU材料发动机舱隔热垫的应用提供数据支撑。
4.2.1 吸声系数测试
吸声系数（α）是评定材料吸声性能好坏的主要指标。一般材料的吸声系数为 0～1，α越大，材料的吸声性能越好。
采用阻抗管法测试验证3种材料的吸声系数，其 频 率 测 量 范 围 为 50～6 400 Hz。按 照 GB/ T18696.1—2004《声学 阻抗管中吸声系数和声阻抗的测量 第1部分:驻波比法》[3]进行声学阻抗管中吸声系数和声阻抗的测量。
在同一位置处进行取样，保证试验样品其它因子相同，对几种材料分别制备的发动机舱隔热垫的吸声系数进行测量，测量结果如表 5 所示，其吸声系数与频率特征如图3所示。
通过图 3 可以看出，在低频段（＜250 Hz）的声学性能上，4#样件与3#样件吸声系数基本一致，2#样件与 1#样件基本一致，4#样件与 3#样件高于 2#样件与 1#样件。主要因为玻璃棉和半固化棉材质在密度相差不大，较轻质 PU 的微孔要小，在低频段有良好的吸声效果。在中高频段（＞250 Hz）的声学性能上，吸声系数为 1#样件＞2#样件＞3#样件＞4#样件。
试验结果表明，轻质 PU 的吸声性能总体来说要优于玻璃棉和半固化棉材质，轻质 PU 泡沫密度对其吸声性能有很大的影响，主要原因是随着密度的增加，泡沫提供的泡孔内壁反射面积增加，在中低频区（0～2 000 Hz）吸声系数提高，但在＞2 000 Hz时，差异有所减小。当声波进入泡沫时，引起材料本身的振动，密度大的泡沫消耗更多声能，吸声效果较好。一般情况下，人的听觉对高频声敏感，对低频声不敏感，低频声容易完全掩蔽高频声，高频声则难以完全掩蔽低频声。所以重点对材料的中高频吸音性能进行关注和研究。
4.2.2 隔音量测试
隔音效率定义为隔音量增加量 R+与质量（也可以是面密度）增加量M+之比，如公式（2）所示。
从公式（2）可知，隔音效率 EM越大，表明隔声性能与质量比越大，隔音效率为负值表明质量增加隔音量反而降低，隔音效果可作为性价比评价的重要指标[4]。为了验证材料面密度对隔音性能的影响，同样分别在 1#样件～4#样件同一位置处取试样进行隔音量对比，测试结果如图4所示。不难看出无论是在中低频还是在高频，1#试样的隔声量始终大于其它试样，而2#、3#和4#试验的隔音效果无明显差异。这符合隔音量遵循的质量定律原则，就是隔音材料的单位密集面密度越大，隔音量就越大，面密度与隔音量成正比关系。
5 轻质PU与玻璃棉和半固化棉的其它性能对比
5.1 人体危害性
玻璃棉和半固化棉生产环境恶劣，长期吸入其粉尘会危害人体的呼吸系统健康，可能引起过敏反应、呼吸道损伤等。PU 成型过程中不会向外释放大量的强刺激性气味的污染物，部件成型后不存在任何粉尘等对人体有害物质。
5.2 耐霉菌性
随着时间的推移，玻璃棉和半固化棉的纤维结构内会吸附大量灰尘和有机物，这些杂质在适宜的温度和湿度条件下会滋生出大量霉菌。而轻质 PU 保温隔热材料相对前者静电吸尘能力差，并且轻质 PU 材料具有较强的憎水特性，不具备霉菌滋生的条件。
5.3 耐吸水性
玻璃棉和半固化棉具有一定的吸水性，遇水后水分会驻留在其纤维缝隙之中，从而降低产品的保温性能，并且在重力作用下产品会发生塌落下沉，最终导致保温隔热层的整体失效。轻质 PU材料具有良好的憎水性，水分不会在其内部驻留，故不会发生前者所造成的缺陷。
5.4 其它
轻质 PU 板耐热老化和耐阻燃性不及玻璃棉毡和半固化棉毡。轻质 PU 非均聚物，它是由多元异氰酸酯、多元醇和胺类扩链剂等形成的，所以在热的作用下会产生热降解。此外，轻质 PU 的阻燃等级（GB 8624—2012《建筑材料及制品燃烧性能分级》[5]）为 B 级，比另外 2 种材质的要低，但轻质PU 遇火结碳能阻止燃烧，无熔滴，不会产生火焰扩张。
6 结论
通过对发动机舱隔热垫 3 种不同材料的生产工艺、隔热效果和NVH 性能3个维度的对比和对3种不同材料的其它性能的对比分析，主要结论如下。
a.在相同设计结构的条件下，轻质 PU 制成的发动机舱隔热垫在制造成本上较玻璃棉和半固化棉有一定的优势；
b.在相同设计结构的条件下，轻质 PU 制成的发动机舱隔热垫具有比玻璃棉和半固化棉发动机舱隔热垫更好的隔热性能，且 1500g/m3 密度的轻质 PU 发动机舱隔热垫隔热效果要略低于1000g/m3密度的轻质PU发动机舱隔热垫。
c.轻质 PU 的吸声性能总体来说要优于玻璃棉和半固化棉材质，轻质 PU 泡沫密度对其吸声性能有很大的影响。而在隔音方面，由于隔音量遵循的质量定律原则，同密度的3种材料隔音效果无明显差异，均低于1500 g/m3密度的轻质PU发动机舱隔热垫。
d.轻质PU相比玻璃棉和半固化棉对人体的危害性要小，而且具有更好的耐霉菌性和耐吸水性，不会因为产品吸声失去保温性能、引发细菌生长，但轻质 PU 发动机舱隔热垫有着受热易老化的缺陷，同时阻燃性也较差。
| 更多相关内容可关注本网站和公众号AutoNewTech
扫码添加客服微信