新材料与工艺手册

[胶接] 双组分聚氨酯胶粘剂在汽车塑料上的应用

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发表于 2020-2-21 11:28:32 | 显示全部楼层 |阅读模式

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双组分聚氨酯胶粘剂在汽车塑料上的应用
杨 磊,闫 飞,任万里,王连越,魏蓓蓓
(长城汽车股份有限公司技术中心,河北省汽车工程技术研究中心,河北 保定 071000)
【汽车轻量化在线】摘要:简述了高性能双组分聚氨酯胶粘剂在汽车用塑料材料粘接方面的应用,以及汽车塑料材料的粘接特点、粘接工艺。着重分析了双组分聚氨酯胶粘剂在汽车用塑料粘接上的优势,以及在汽车行业应用的相关技术要求,并结合国内外先进测试标准介绍了其主要性能指标以及测试方法等。
关键词:聚氨酯;汽车塑料;粘接;轻量化

在全球汽车行业提倡节能减排、降油耗的大环境下,汽车轻量化技术成为了最直接有效的节能降油耗方法。目前汽车轻量化技术中用来代替传统汽车金属材料的主要材料包括高性能塑料、高强钢、铝合金碳纤维等。其中塑料材料相对密度低、抗冲击性良好、柔韧性优良,耐摩擦性耐磨损性小,可适用于各种加工方法,而且吸音、防震隔热、电绝缘性和耐化学药品性优良,具有可进行增强改性等优点。

塑料材料在汽车上应用在近年来快速发展,例如,塑料后背门等零部件已经逐渐代替传统的金属后背门,且在福特翼虎(欧洲版)、标致 3008 、英菲尼迪 EX、宝马 X3等车型得到广泛应用,塑料代替金属后可使整车质量降低4 ~ 15 kg。更轻的质量带来更好的操控性,不但加速性能得到了提高,燃油经济性也得到了较大的改善。

在汽车上应用的主要塑料为PP+EPDMTD20(聚丙烯与三元乙丙橡胶共聚材料)、PP-LGF(长玻纤增强聚丙烯材料)、SMC(片状模塑料)等高强度工程材料,传统的钢板连接方式为焊接,塑料的连接方式主要为粘接,而PP等非极性材料表面能低不易粘接,汽车工作条件复杂,因此对粘接用胶粘剂提出了较高的要求,需要胶粘剂有良好的粘接强度、耐高低温性、耐机械振动性等特点。根据汽车塑料粘接特点以及汽车运行工况、运行环境,经过大量实验验证,适用于汽车塑料粘接的胶粘剂是双组分聚氨酯胶粘剂。

1 胶粘剂的主要性能

双组分聚氨酯胶粘剂分A、B 2种组分,使用时2组分通过螺旋混合装置1:1混 合,A组分为聚氨酯预聚体,含有异氰酸酯基团, B组分为多羟基化合物,A和B组分混合时在常温发生化学反应固化。

双组分聚氨酯胶粘剂固化速度快、模量高、粘接强度高、有较高的断裂伸长率,可以满足塑料材料的变形,而且综合成本低、施工操作方便。

2 胶粘剂在汽车塑料上的应用

双组分聚氨酯胶粘剂在汽车塑料上的典型应用为塑料后背门的内板和外板连接(见图 1),塑 料后背门内板的材料一般为 PPLGF40,外 板材料一般为 PP+ EPDM- TD20。塑料后背门内外板的粘接工况复杂,因此需要胶粘剂具有良好的性能以满足塑料后背门的粘接特点(见表 1)。

图1 塑料后背门涂胶示意图
Fig.1 Schematic diagram of the plastic back door coating

表1 塑料后背门粘接特点
Tab.1 Bonding characteristics of plastic back door

双组分聚氨酯胶粘剂固化速度快,常温下 35 min 就可达到0.26 MPa的初始强度,此强度可以达到塑料后背门的搬运强度,能满足塑料后背门的操作时间(按照 70s/件计算), 15 h胶粘剂可达到使用强度。双组分聚氨酯胶粘剂有 230%的断裂伸长率,可以满足塑料的遇冷热变形问题,同时胶粘剂固化后拉伸强度达到 7.5 MPa ,剪切强度高达6 MPa,完全满足塑料后背门内外板的粘接强度要求。塑料后背门的主体材料为 PP,由于PP为非极性材料,表面能比较低,不易粘接,因此在粘接时需要对塑料表面进行火焰处理或等离子处理,或者应用底涂剂的方式增强胶粘剂的粘接强度。

2.1 双组分聚氨酯胶粘剂的粘接工艺

(1)施工环境

双组分聚氨酯胶粘剂固化时有化学反应参与,因此粘接时需要考虑外部环境因素,包括使用温度、湿度、气候条件等,一般环境温度建议高于 15℃,湿度建议为 30% RH~80% RH。因为温度过低会导致胶粘剂黏度增大,易出现打胶困难、出胶速度慢等问题,影响现场操作节拍,温度、湿度过低也会使固化时间变长。冬季室外温度低于 10 ℃时,胶粘剂在使用前需要放置于 18 ℃以上的室内至少 24 h;如果车间贮存处没有空调,建议提前 1周将材料送到存胶间升温。存胶间的温度设置建议在 20 ℃以上。夏季厂内环境温度不要高于 35 ℃,否则,黏度降低而导致出胶速度过快,易产生溢胶、流淌等施工问题。

(2)基材的表面处理

PP是一种结晶度较高的聚合物,分子链排列规整,聚集态紧密,分子间作用力强,表面能低。为使 PP基材表面具有良好的粘附性,需要对基材表面进行预处理,以增强表面化学活性与表面能。常用的 PP表面处理方法有化学溶剂氧化法、等离子处理法、火焰处理法等。目前在实际应用中,火焰处理由于成本较低,是应用最广泛的表面处理方法。火焰处理是用可燃气体燃烧产生的火焰与被处理的塑料表面相接触,从而使被处理的塑料表面粗化(结晶型塑料产生晶体)并发生化学变化,使表面产生极性基团(羰基)的一种表面处理方法。用火焰处理方法对塑料后背门内外板的粘接面进行表面处理,火焰处理装置中的燃料气体为压缩空气和天然气(含96%的甲烷),火焰处理时将样件放在可调节速度的链条上,当链条在电机的带动下转动时,样件从火焰中穿过得以氧化,样件中任一点在火焰中通过需要的时间为 0.05 s。

影响火焰处理结果的参数主要有:空气与天然气的比例;样件表面与内焰的距离,最佳的样件表面与内焰的距离为 0.5~ 1cm。经过表面处理后用达因笔测试样件的表面能,要求表面能达到 45达因。

(3)粘接设计

根据尾门的自重,以及各种加载的加载量,在粘接设计时,一般将涂胶宽度设计为12~ 20 mm, 涂胶厚度设计为3~4 mm,内外板之间设有高度调节器(垫块),可以使涂胶后胶粘剂保持一定高度而不塌陷(见图 2)。

图2 涂胶尺寸示意图
Fig.2 Schematic diagram of glue size

(4)施工方法

双组分聚氨酯胶粘剂一般分为小支胶和大桶胶,小支胶用于手工打胶,大桶胶用于机器人涂胶,根据对涂胶宽度和高度需要对吐胶量进行设置,打胶时要求胶枪沿着涂胶轨迹匀速移动,胶体均匀、连续,拐角为圆弧过渡,收口方式、收口位置应该避开后背门上的线束、卡子等结构。

(5)粘接过程的失效模式和规避方法

a、水汽污染基材粘接面,尤其梅雨季节,粘接层出现蜂窝状(蜂窝状为异氰酸酯与水反应生成的二氧化碳气泡,在胶材中生成的缺陷。双组分聚氨酯胶会出现此状况,保证基材干燥即可); b、混合比失调(涂胶设备故障,及时调整涂胶设备); c、涂胶轨迹上出现断胶(手动补胶即可)。

2.2 性能测试

2.2.1 剪切强度

(1)试验材料:双组分聚氨酯胶粘剂BETAMATE2810,陶氏化学(中国)投资有限公司; PP+ EPDM- TD试片,沙伯基础创新塑料(中国)有限公司; PP- LGF40试片,塞拉尼斯(中国)投资有限公司;百洁布, 3M(中国)有限公司。

(2)试验设备:万能拉伸试验机、火焰处理器、电子显微镜、双组分胶枪。

(3)试验步骤

A) 将 PP+ EPDM- TD试 片和 PP- LGF40试片进行裁切,裁切尺寸为长度 100 mm, 宽度25 mm,厚度以实际应用板厚为准;

B)对板材表面进行不同方式的表面处理,处理方式如下:

1)无任何表面处理,电子显微镜放大900倍 后见图3;

图3 未经过任何处理
Fig.3 Without any surface treatment

2)火焰处理(处理完后放置 10 min),按照火焰处理工艺对基材表面进行火焰处理,处理后室温放置 10 min后,通过电子显微镜放大 900倍 的表面见图4;

图4 火焰处理放10 min
Fig.4 Ten minutes after the flame treatment

3)火焰处理(处理完后放置1 h) ,按照火焰处理工艺对基材表面进行火焰处理,处理后室温放置 1h后,通过电子显微镜放大900 倍的表面见图5 ;

4) 3M百洁布打磨:用百洁布对基材表面进行擦拭,目测达到洁净状态,通过电子显微镜观察放大9 00 倍的表面见图6。

通过试验可知,只用百洁布表面擦拭会增加 PP表面的粗糙度,用火焰处理会大幅增加 PP表 面粗糙度(见图4表面状态),但是如果火焰处理后放置过长时间不涂胶,基材表面会粘附空气中的水汽,影响表面处理效果(见图 5表面状态);

图5 火焰处理放1 h
Fig.5 Place an hour after the fire

图6 百洁布擦拭
Fig.6 Wipe with a cloth

C)胶粘剂剪切试样的制备采用单片制备的方法,试片应根据不同的胶粘剂种类进行选择,所选试片表面应平整,不应有弯曲、翘曲、歪斜等变形,应无毛刺,边缘保持直角,制备过程中应确保 2个被粘试片精准对齐。用玻璃棒将胶粘剂试料搅拌均匀,防止试料长时间静置溶剂析出。用调漆刀将试样涂敷在试片上,涂胶尺寸为:长度 25 mm,宽度 25 mm, 厚度0.8 mm,根据涂胶厚度选择使用合适的垫片从 2端封堵试样。将另一同样试片与之搭接,叠合、刮去 2侧多余的试样。用铁夹子从 2侧夹紧,水平放置,每种胶粘剂试样至少制备 5个胶接试样。

D)将剪切试样放入 80℃的烘箱 1 h进行固化(此为加速固化,在室温条件下 15 h完全可以固化),固化完成后室温冷却 1 h,在拉伸试验机上进行拉伸剪切测试,测试速度为 13 mm/ min。记录拉伸剪切测试结果,并记录破坏模式,常见的破坏模式分为基材破坏、胶层破坏、粘接破坏3种。

(4)试验结果(见表2)

从表 2可以看出,经过火焰处理的粘接强度要高于其他表面处理方法的, 2组火焰处理出现粘接强度和破坏模式差异,通过电子显微镜分析破坏面的状态,发现火焰处理后,PP板材表面出现很大的比表面积,可能吸收空气中的水汽,导致胶粘剂中成分与水反 应,降低了粘接强度。

表2 剪切试验结果
Tab.2 Shear strength test results
注:剪切强度结果为5组平行试验的算术平均值,下表同。

2.2.2 耐老化性

耐老化试验包括耐高温试验、耐冷热循环试验、耐紫外线照射等。

(1)耐高温试验条件

a)将剪切试样放入(90±2)℃恒温烘箱中加热 300 h 后取出,进行剪切试验;b)将剪切试样放入(120±2 )℃恒温烘箱中加热3 h后取出,进行剪切试验。

(2)耐冷热循环试验条件

a)将试样在(- 40±2)℃的低温箱中放置6 h;b) 取出试样,在室温状态下放置1 h;c) 将试样在(90±2)℃恒温烘箱中存放16 h; d) 取出试样,在室温状态下放置 1 h;e)试样放入 40℃、相对湿度 95%的恒温恒湿箱中放置 90 h; f)取出试样,在室温状态下放置6 h;g) 重复a~f共5 个循环;h)完成5个循环试验后,进行剪切试验

(3)耐紫外线照射试验条件

将试样放入耐紫外线老化机,试样玻璃一面正对紫外灯,玻璃表面与紫外灯距离260 mm, 打开紫外灯照射1 000 h后 取出,在 40 ℃下放置 24 h,然后进行剪切强度试验。

(4)试验结果(见表3)

表3 老化性能试验结果
Tab.3 Test results of ageing resistance

由表3可见,经过 3项老化测试,剪切强度的变化率在 10%以内,破坏方式为本体破坏,说明胶粘剂具有优异的耐环境老化能力。

3 结语

未来汽车的发展方向为新能源、轻量化,因此更多的高性能、轻质非金属材料会逐渐代替金属材料,在未来汽车上广泛应用。非金属材料的连接问题势必成为未来汽车行业非常重要的课题。高性能的胶粘剂会在未来汽车发展中扮演重要的角色,为新能源汽车、汽车轻量化、汽车平顺性等提供优异的解决方案。


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