滕文祥
摘要:作為汽車(chē)生產(chǎn)不可缺少的一項(xiàng)重要輔助材料,膠粘劑在提高產(chǎn)品結(jié)構(gòu)性能及相關(guān)功能方面(包括密封隔熱、降噪防銹、減振消音等)起到重要作用,目前市場(chǎng)對(duì)汽車(chē)的環(huán)保節(jié)能、安全舒適性能、高性價(jià)比等方面的需求不斷提高,促使膠粘劑技術(shù)在汽車(chē)裝配中的應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大。本文在介紹了汽車(chē)膠粘劑應(yīng)用范圍和性能指標(biāo)的基礎(chǔ)上,闡述了幾種常用汽車(chē)膠粘劑的種類(lèi)、特點(diǎn)及應(yīng)用中存在的問(wèn)題,介紹了粘接缺陷的具體檢測(cè)方法,并分析了車(chē)用膠粘劑的發(fā)展趨勢(shì)。
關(guān)鍵詞:汽車(chē)裝配;膠粘劑技術(shù);應(yīng)用范圍;性能指標(biāo);發(fā)展趨勢(shì)
中圖分類(lèi)號(hào):TQ437;U466
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A
文章編號(hào):1001-5922(2020)12-0005-04
0 引言
目前汽車(chē)已成為一種不可缺少的交通工具,隨著汽車(chē)保有量的不斷增加,能源消耗和環(huán)保問(wèn)題(尤其是超標(biāo)排放的CO2)日益突出,各生產(chǎn)企業(yè)及學(xué)者對(duì)汽車(chē)輕量化的重視程度不斷提高,為滿足日益提高的現(xiàn)代汽車(chē)輕量化發(fā)展要求,兼顧汽車(chē)安全和較輕的車(chē)身質(zhì)量,而在引進(jìn)新材料時(shí)為達(dá)到更高的使用水平要求材料具備較高的強(qiáng)度(以確保車(chē)體連接質(zhì)量)。作為一項(xiàng)重要車(chē)體連接技術(shù),焊接聯(lián)合其他補(bǔ)充連接技術(shù)(以鉚接和螺栓連接為主),極易氧化性的鋁合金車(chē)體構(gòu)件的焊接難度較大,不同材料間(如碳纖維和鎂合金)通常難以使用常規(guī)的焊接方式,促使具有較佳力學(xué)性能的粘接技術(shù)在汽車(chē)裝配中的應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大,連續(xù)分布的粘接處應(yīng)力在提高汽車(chē)抗疲勞、耐沖擊性能的同時(shí)使汽車(chē)外觀更加平整光滑。
1 應(yīng)用范圍和性能指標(biāo)
生產(chǎn)汽車(chē)時(shí)用到的粘接劑和密封膠構(gòu)成了車(chē)用膠粘劑系,按照可不用途主要可分為五大類(lèi)膠種,分別用于制造工藝、焊裝、涂裝、總裝發(fā)動(dòng)機(jī)、底盤(pán)零件。廣泛應(yīng)用到了日常生產(chǎn)生活(包括服裝加工、建筑、汽車(chē)、輕工、包裝、航天航空、機(jī)械制造等領(lǐng)域)的膠粘劑具備易于使用、性價(jià)比高等特殊功能優(yōu)勢(shì)和實(shí)用價(jià)值,現(xiàn)代高品質(zhì)汽車(chē)產(chǎn)品會(huì)應(yīng)用到數(shù)10種膠粘劑,主要用于實(shí)現(xiàn)提升構(gòu)件性能及整車(chē)美觀性、密封緊固、隔熱降噪、防銹減振等功能,同時(shí)有效簡(jiǎn)化了生產(chǎn)工藝和制造流程。不斷發(fā)展進(jìn)步的社會(huì)經(jīng)濟(jì)與科學(xué)技術(shù)促使性能更加強(qiáng)大的合成膠粘劑快速完善起來(lái),并逐漸替代了機(jī)械聯(lián)結(jié)方式,成為發(fā)展前景廣闊的化工行業(yè)。為順應(yīng)未來(lái)汽車(chē)工業(yè)的發(fā)展需求,開(kāi)發(fā)和應(yīng)用高品質(zhì)性能的車(chē)用膠粘劑成為行業(yè)內(nèi)的研究熱點(diǎn)。應(yīng)用到汽車(chē)生產(chǎn)中的膠粘劑按照不同用途可細(xì)分出多類(lèi),選用膠粘劑需遵循的主要指標(biāo)包括:
1)耐介質(zhì)(包括空氣、水、油、酸等)性能,使用膠粘劑的被粘接件大多具備良好的抗空氣介質(zhì)性能(即在空氣中的粘接強(qiáng)度較高),但在氣體(注解體)介質(zhì)中表現(xiàn)出了較大差異的粘接力,需根據(jù)實(shí)際需要選用耐使用介質(zhì)的膠粘劑。
2)粘接強(qiáng)度(MPa),指在常溫和空氣介質(zhì)中每平方厘米粘合面的破壞力,按照不同受力方向粘接件的破壞強(qiáng)度可將其分為拉伸、剝離、剪切、扭轉(zhuǎn)剪切等強(qiáng)度,需以機(jī)械零件位置及受力情況為依據(jù)選用相應(yīng)的強(qiáng)度膠粘劑。
3)耐溫性能(固化后的膠層可承受溫度),如對(duì)于耐溫-60℃ - 120℃的膠粘劑,在超過(guò)該溫度范圍后其粘接力會(huì)顯著降低,需根據(jù)膠粘劑的耐溫性能選用粘接膠。
4)粘接時(shí)的固化時(shí)間,指常溫下膠粘劑從同膠狀到固體膠屋轉(zhuǎn)變過(guò)程的耗時(shí),可分為初固時(shí)間(承受粘接件的膠層不脫落所需時(shí)間)和全固時(shí)間(膠層完全固化所需時(shí)間,此時(shí)粘霎強(qiáng)度和耐介質(zhì)性能最好),根據(jù)初固時(shí)間可細(xì)分為瞬干膠(僅需幾秒或數(shù)10s的初固時(shí)間,粘接強(qiáng)度和抗介質(zhì)性能更佳)與慢干膠(可根據(jù)不同膠種通過(guò)熱力吹、烘烤等措施縮短固化時(shí)間)2種[1]。
2 車(chē)用膠粘劑的種類(lèi)與應(yīng)用
2.1 聚氨酯膠粘劑
含氨基甲酸酯基團(tuán)或異氰酸酯基的膠粘劑統(tǒng)稱(chēng)聚氨酯膠粘劑,具有良好的橡膠特性,耐磨、耐水、耐油、耐溶劑、耐臭氧,主要用于濾芯膠、風(fēng)窗玻璃膠、結(jié)構(gòu)膠,可同多羥基化合物發(fā)生固化反應(yīng),可用于粘接熱膨脹系數(shù)不同的材料,利用其柔韌性及特殊的抗沖擊性可用于連接車(chē)體表面涂層和涂料以及金屬與高分子材料,例如。在汽車(chē)總裝中的車(chē)體部件通過(guò)使用聚氨酯膠粘劑實(shí)現(xiàn)了低溫連接(可達(dá)到17MPa的搭接剪切強(qiáng)度),使汽車(chē)車(chē)體強(qiáng)度得到顯著提升( Pa-padakis等);為增加車(chē)身穩(wěn)定性,通過(guò)對(duì)聚氨酯膠粘劑進(jìn)行增韌,有效兼顧了流動(dòng)性和黏合強(qiáng)度(Kim等)[1]。近幾年隨著新材料在汽車(chē)上的普及應(yīng)用(包括輕質(zhì)金屬、復(fù)合材料等)促使車(chē)用膠粘劑的用量不斷增加(尤其是汽車(chē)內(nèi)飾件),汽車(chē)上的鋼板逐漸由工程塑料(具備輕質(zhì)強(qiáng)度高的優(yōu)勢(shì))代替,SMC和FRP(片狀模塑復(fù)合材料和玻璃纖維增強(qiáng)塑料,主要用于制造車(chē)身面板和外裝件)較為常用,但這2種工程塑料同車(chē)身構(gòu)架間的組裝須采用粘接技術(shù)(傳統(tǒng)焊接技術(shù)并不適用)。聚氨酯膠粘劑同含有活潑氫的多孔材料(包括泡沫塑料、木材、織物、陶瓷等)和表面光潔的材料(包括玻璃、金屬、橡膠等)間的化學(xué)粘接力較好,使粘接更加牢固。通過(guò)對(duì)固化后的分子進(jìn)行調(diào)節(jié)可實(shí)現(xiàn)不同膠粘劑(不同硬度和伸長(zhǎng)率)的獲取,并可根據(jù)實(shí)際需要調(diào)節(jié)其粘合層(從柔性到剛性)??墒覝睾图訜峁袒ㄌ岣吣z粘劑強(qiáng)度)的聚氨酯膠粘劑簡(jiǎn)化了汽車(chē)的粘接工藝、易于操作。聚氨酯膠粘劑在汽車(chē)上的具體應(yīng)用包括:風(fēng)窗玻璃膠(密封膠),通常使用單組分濕氣固化聚氨酯密封膠(NCO含量約為2% - 10%,固化后為聚氨酯一聚脲結(jié)構(gòu)的膠層)固定和密封車(chē)身和風(fēng)窗玻璃,該密封膠中含有活潑的NCO基團(tuán)在接觸空氣時(shí)同其中的水分發(fā)生反應(yīng),粘結(jié)時(shí)可與基材表面的活性氫基團(tuán)(羥基等)及其吸收的水反應(yīng)生成脲鍵結(jié)構(gòu)。聚酯多元醇主鏈由極性和內(nèi)聚能較大的-COO-鍵構(gòu)成,具備較強(qiáng)的粘結(jié)力、耐高溫/油性,但存在易水解的缺陷(耐水解性較差)。相比于聚酯型聚氨酯,聚氨酯樹(shù)脂(采用聚醚多元醇合成)主鏈含有不易水解的醚鍵(一種柔性鏈),具有更好的柔軟性、耐水解/低溫性,但其粘結(jié)性和耐高溫性較差。因此如何獲取綜合性能高的聚氨酯膠粘劑成為一項(xiàng)研究熱點(diǎn)。同時(shí)注意按操作工藝認(rèn)真操作,通常按照清潔活化、涂底膠、施膠、裝配玻璃、固定清理、玻璃密封的順序進(jìn)行[2]。
2.2 環(huán)氧樹(shù)脂膠粘劑
作為一種工程膠粘劑主要由環(huán)氧樹(shù)脂基料、填料、固化劑等配制成,幾乎無(wú)異味,該類(lèi)膠粘劑因含有粘接性較好的多種官能團(tuán)(環(huán)氧基等)而具備較高的穩(wěn)定性和耐腐蝕性,易于涂覆,可用于溫度較高的環(huán)境下,環(huán)氧樹(shù)脂膠粘劑在粘接車(chē)身高分子聚合物與復(fù)合材料中的應(yīng)用越來(lái)約普遍。通過(guò)將液體橡膠等添加到環(huán)氧樹(shù)脂中可使材料連接處的韌性得到有效增強(qiáng),粘接試樣在0.6mm厚的粘接層下具有相對(duì)較高的拉伸強(qiáng)度即粘接效果[3]。
2.3 丙烯酸酯膠粘劑
該膠粘劑同染料的相容性更強(qiáng),具備良好的耐水性、耐熱性及耐沖擊性,可在室溫下固化,在車(chē)門(mén)防水加工、車(chē)身減震阻尼等方面應(yīng)用較為普遍,對(duì)于表面有油污的材料無(wú)需預(yù)處理即可粘接,并且可使金屬和工程塑料的粘接性能得到有效提升。相關(guān)研究寧偉通過(guò)溶液聚合完成了單組分丙烯酸酯壓敏膠的合成,丙烯酸酯的剝離強(qiáng)度在其單體含量為40%以質(zhì)量比例為6:2:2的甲苯、乙酸己酯、甲醇(80℃下)反應(yīng)6-7h可達(dá)到每25mm為1090g;通過(guò)在丙烯酸酯中加入TISMO陶瓷纖維可將使用溫度提升至200℃,并使其耐老化性能得到顯著提升,進(jìn)而更好的適應(yīng)高溫環(huán)境[4]。
2.4 有機(jī)硅膠粘劑
該類(lèi)膠粘劑的基料多以硅橡膠為主,屬于一種線形高分子量彈性體(主鏈為硅一氧鍵),以使用方便的室溫硫化硅橡膠較為常用,潮濕環(huán)境下也可使用,耐氧化和高低溫交變。有機(jī)硅膠粘劑在密封汽車(chē)的車(chē)燈電路模塊、發(fā)動(dòng)機(jī)底殼、變速箱中以及制造與維修汽車(chē)零部件(如喇叭等)中應(yīng)用較多。在車(chē)載微電子集成電路中采用有機(jī)硅膠進(jìn)行粘接可使升剪切強(qiáng)度得以有效提(通過(guò)適當(dāng)調(diào)整剪切方向?qū)崿F(xiàn),可高達(dá)9.9MPa),進(jìn)而提升了集成電路穩(wěn)定性及安裝便利性[5]。
3 車(chē)用膠粘劑存在的應(yīng)用問(wèn)題及發(fā)展趨勢(shì)
3.1 存在的問(wèn)題
目前在汽車(chē)裝配過(guò)程中主要涉及到制造工藝用膠(各種壓敏膠帶等)、車(chē)身、內(nèi)飾(頂棚膠、丁基密封膠帶等)、發(fā)動(dòng)機(jī)(分別用各類(lèi)液態(tài)密封膠和厭氧膠密封平面與鎖固密封螺紋件)、底盤(pán)零件(濾清器濾芯膠、剎車(chē)蹄片膠、車(chē)燈密封膠)5大類(lèi)膠種,包括點(diǎn)焊密封膠/折邊膠/防振膠(車(chē)身磷化處理前使用)、指壓密封膠、焊縫密封膠、隔熱阻尼膠板等。目前國(guó)內(nèi)汽車(chē)行業(yè)車(chē)用膠粘劑品種及應(yīng)用技術(shù)研究均已取得了較佳的進(jìn)展,但發(fā)展較快的國(guó)產(chǎn)膠粘劑品種仍難以完全滿足現(xiàn)代汽車(chē)的使用需求,普遍存在品種不全、部分產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定性及性能有待提高、依賴(lài)進(jìn)口等方面的不足,缺少系列化、標(biāo)準(zhǔn)化的產(chǎn)品體系,并且所需專(zhuān)用涂膠設(shè)備的研制水平相對(duì)于膠粘劑開(kāi)發(fā)水平較低,不利于優(yōu)質(zhì)膠種的順利推廣和應(yīng)用[6]。應(yīng)用車(chē)用膠粘劑存在的問(wèn)題主要包括:
1)環(huán)保問(wèn)題,快速發(fā)展的汽車(chē)工業(yè)及市場(chǎng)需求促使人們對(duì)體內(nèi)環(huán)境受到所使用膠粘劑的影響情況的關(guān)注度不斷提高,部分制造膠粘劑的原材料存在刺激性甚至是毒性,研究發(fā)現(xiàn)具有揮發(fā)性的氨,氯/醚/硫化物、丙酮等是車(chē)用膠粘劑的主要污染物,會(huì)給長(zhǎng)期處于密閉車(chē)廂環(huán)境中人員的身體健康帶來(lái)不同程度的威脅。為了提高環(huán)保性能,通過(guò)減少使用部分添加劑易限制膠粘劑某方面粘接性能的充分發(fā)揮,如具有醚和嗎啉官能團(tuán)的DMDEE有揮發(fā)性易污染空氣,具有優(yōu)異的熱穩(wěn)定性,不添加該添加劑會(huì)影響粘接過(guò)程的固化速率和穩(wěn)定性。
2)使用不方便,適用期大多較短的雙組分室溫膠粘劑為防止固化通常需即配即使,且為保證粘接性能必須按一定比例充分均勻混合后使用,而高溫膠的固化需在高溫條件下保溫一定時(shí)間,使用不變且耗費(fèi)能源,增加了汽車(chē)裝配的加工工序、生產(chǎn)消耗及生產(chǎn)成本;易氧化是大部分車(chē)用膠粘劑具有的特點(diǎn),保質(zhì)期較短,通常需存放在低溫避光的苛刻環(huán)境下,限制了其在汽車(chē)加工企業(yè)中的批量使用。
3)膠粘劑存在的性能缺陷:①對(duì)水和高溫較為敏感的聚氨酯膠粘劑不耐強(qiáng)酸和強(qiáng)堿,易產(chǎn)生氣泡缺陷的膠層(固化后)則限制了粘接效果的發(fā)揮;②使用便利性較差的環(huán)氧樹(shù)脂膠粘劑(屬于室溫固化膠,易于固化)需配置完后立即使用,使用過(guò)程較耗能的高溫膠的固化物通常偏脆且抗剝離、抗沖擊性能較差(尤其是在沒(méi)有增韌時(shí));③單組分使用操作較為簡(jiǎn)單便利的丙烯酸酯膠粘劑存在雙組分使用較麻煩的缺點(diǎn),而市面上的單組分膠粘劑雖固化速率快但普遍存在刺激氣味、易揮發(fā)性、使用成本高的不足,并且其放熱激烈的反應(yīng)過(guò)程不適合大面積(間隙)的粘接和灌封;④常用的包括硅橡膠等在內(nèi)的有機(jī)硅膠粘劑的熱穩(wěn)定性較好、耐紫外線,但易磨損、耐油性差(力學(xué)性能一般)、粘接強(qiáng)度不高[7]。
3.2 膠粘組件的檢測(cè)方式
在檢測(cè)粘接組件的安全性時(shí)所使用的組件強(qiáng)度檢測(cè)方法在對(duì)接頭強(qiáng)弱進(jìn)行分析時(shí),通常以接頭剪切強(qiáng)度及缺口的斷裂力學(xué)特征為依據(jù),非破壞性質(zhì)量檢測(cè)逐漸成為檢測(cè)粘接組件膠層缺陷的主流方法,通過(guò)主動(dòng)熱成像技術(shù)(以超聲波感應(yīng)和光激發(fā)熱流為主)的使用完成粘接處缺陷的檢測(cè)(殘余空氣、孔隙、不均勻粘接層等)。在被粘接組件的厚度或熱導(dǎo)率的差異較大的情況下會(huì)限制主動(dòng)熱成像技術(shù)的檢測(cè)性能,為此通過(guò)使用感應(yīng)激發(fā)熱成像技術(shù)(Srajbr等)激發(fā)出的感應(yīng)脈沖完成對(duì)紅外光譜變化情況的記錄,提高粘接組件缺陷的檢測(cè)質(zhì)量。這2種無(wú)損檢測(cè)方式成本較低、適用于檢測(cè)粘接組件產(chǎn)品的合格率[8]。
3.3 車(chē)用膠粘劑的發(fā)展趨勢(shì)
不斷發(fā)展創(chuàng)新的化工業(yè)豐富了膠粘劑的原材料種類(lèi)(包括生產(chǎn)設(shè)備)、合成方法,促使車(chē)用膠種不斷增加,目前為順應(yīng)汽車(chē)制造的發(fā)展趨勢(shì)(安全舒適、節(jié)能環(huán)保、高性價(jià)比),膠粘劑品正在向多功能高性能、綠色環(huán)保的方向發(fā)展,適合汽車(chē)使用及工藝性能要求的膠粘劑的研發(fā)和應(yīng)用范圍將不斷擴(kuò)大(如水基膠、熱熔膠、高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)膠等),這就對(duì)車(chē)用膠粘劑的性能提出了更高的要求,關(guān)于高品質(zhì)性能的汽車(chē)膠粘劑方面的研究已取得多方面成果,如點(diǎn)焊密封膠、補(bǔ)強(qiáng)減振膠帶、水基頂棚膠(雙組分噴涂型)、單組份聚氨酯玻璃膠(濕氣固化型)、耐油硅酮密封膠、微膠囊厭氧膠等,車(chē)用膠粘劑的發(fā)展趨勢(shì)主要表現(xiàn)在:無(wú)毒無(wú)污染不燃且初粘性較佳的水基膠和熱熔膠,兼顧制造成本和車(chē)身質(zhì)量的塑溶膠(工藝適應(yīng)性較寬,如PVC類(lèi)焊縫膠和抗石擊涂料),適應(yīng)特定工藝、使用要求的汽車(chē)專(zhuān)用膠等,環(huán)保型膠粘劑成為主流,為滿足多樣性的產(chǎn)品質(zhì)量和性能需求,膠粘劑生產(chǎn)向上規(guī)模的企業(yè)集中,無(wú)污染的水性膠(不含有機(jī)溶劑,可用于復(fù)合薄膜、汽車(chē)內(nèi)飾件等、汽車(chē)車(chē)燈、零部件、塑料件等)作為環(huán)保型膠粘劑表現(xiàn)出了廣闊的發(fā)展前景,應(yīng)加大水性聚氨酯膠粘劑、反應(yīng)性熔膠、液體反應(yīng)PU膠、風(fēng)擋玻璃粘接封膠、交聯(lián)固化劑、觸變劑等的開(kāi)發(fā)力度;易固化、無(wú)污染的熱熔膠適合于連續(xù)化生產(chǎn)[9]。
4 結(jié)語(yǔ)
在追求節(jié)能環(huán)保及汽車(chē)輕量化發(fā)展的大背景下,汽車(chē)生產(chǎn)企業(yè)對(duì)車(chē)用膠粘劑的重視和認(rèn)可程度不斷提高,膠粘劑成為焊接和鉚接技術(shù)的重要補(bǔ)充,在降低能耗及車(chē)身質(zhì)量方面發(fā)揮出了重要作用,目前市面上的車(chē)用膠粘劑種類(lèi)較多,需以汽車(chē)不同組件的粘接要求為依據(jù)合理使用膠粘劑,并可通過(guò)適當(dāng)?shù)哪z粘劑改性以滿足多樣化的使用要求,進(jìn)而更好的滿足現(xiàn)代汽車(chē)的生產(chǎn)發(fā)展需求。文中主要介紹了車(chē)用膠粘劑的種類(lèi)、應(yīng)用范圍及性能指標(biāo),闡述了未來(lái)發(fā)展趨勢(shì),以期為充分發(fā)揮不同車(chē)用膠粘劑的作用提供參考。
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