聚氨酯胶粘剂在汽车工业中的应用

汽车用胶粘剂/密封胶按应用部位分类,可分为汽车车身用胶、汽车内饰用胶、汽车发动机底盘用胶、汽车零部件用胶、汽车制造工艺用胶5大类。2007年按不同车型的单车用胶量推算,汽车用胶年消耗量约为12万,t其中单组分湿固化聚氨酯(PU)风挡玻璃胶,2007年年消耗在5500t左右。另外尚有汽车顶棚内衬水基聚氨酯胶等尚未统计。近几年,我国聚氨酯胶粘剂年需求量以平均30%的速度增长。

2汽车用聚氨酯胶粘剂的常用品种及应用

①在-40~+100℃内有良好的粘接性能;

②由于韧性好,特别是低温韧性好,具有优良的耐冲击振动性,使用寿命长;

③由于含有大量极性基团和活性反应基团,对汽车使用的各种基材,如玻璃、塑料、金属等表面光洁的材料和各种内外饰材料及织物等,均有极好的粘接性能;

④调节PU胶的配方,可制成不同硬度和伸长率的胶粘剂,其粘合层从柔性到刚性均可任意调整,满足不同材料的粘接;

⑤PU胶可加热固化,也可室温固化,粘接工艺简便,操作性能良好。固化过程没有副反应产生,因此粘合层不易产生缺陷。

⑥PU胶具有良好的耐磨、耐油、耐溶剂、耐化学药品、耐臭氧以及耐细菌等性能。

汽车工业技术的发展要求汽车构件轻量化,因此大量采用塑料零部件,特别是高强度的FRP(玻璃纤维增强塑料)和SMC(板材模塑复合材料),这些零部件需用PU结构胶与密封胶进行粘接装配。随着现代汽车车速的不断提高,对车窗风挡玻璃的安全性提高了要求,采用了风挡玻璃的直接粘接工艺,大量使用单组分湿气固化PU胶粘剂。为了改善PU胶环保性能,开发了水基型PU胶粘剂和无溶剂PU结构胶及反应型PU热熔胶等等。

2.1单组分湿气固化聚氨酯胶粘剂

将汽车风挡玻璃直接粘接到车体的工艺始于20世纪60年代的美国。单组分湿气固化PU胶粘剂最先由美国ESSEX化学公司在20世纪70年代初研制成功,并成功应用于美国通用汽车,1976年奥迪汽车公司也在奥迪C2车型上应用。随后日本及其他欧洲汽车厂家相继采用风挡玻璃的直接粘接工艺。由于施工简便并采用机械施胶,目前世界上95%以上风挡玻璃及侧窗玻璃的粘接采用这种胶粘剂。

单组分湿气固化PU胶粘剂由于含有活泼的-NCO基团,能与被粘面上或空气中的微量水分发生反应而固化。单组分湿气固化PU风挡玻璃胶要求对湿气敏感,固化速度快,固化后又要保持优良的弹性,而且要求为单包装,贮存稳定性好。它是汽车用胶中技术含量较高的产品,也是目前我国汽车用PU胶类中用量较大的品种。

采用这种玻璃粘接密封工艺,能使风挡玻璃和车身紧密地结合成一个整体,增加了车体刚性及抗扭曲能力,又保证了密封效果。美国联邦汽车安全标准(FMVSS)第212项规定,汽车以50km/h速度与混凝土墙壁冲撞时,风挡玻璃的粘接完整率必须在75%以上。目前美、日、德、法等和我国在轿车风挡玻璃的安装中几乎全部采用此工艺,同时在客车的风挡和侧窗玻璃也大多采用了粘接方法。

单组分PU胶的其他应用例:如一汽的J5、J6等系列卡车的原设计为平顶钢板顶盖,为适应长途运输加装卧铺的需要改为高顶,并将顶盖改为SMC材料,选用了单组分PU胶粘剂进行粘接。还有小红旗轿车的行李箱备胎槽也采用同样粘接工艺。另外,一汽的小红旗轿车和一汽大众汽车公司生产“宝来”轿车等的顶棚均采用PU胶粘剂,使顶棚和顶盖粘成一体,在增强顶盖强度的同时,又达到了减震和降噪的目的。

单组分湿气固化型PU胶粘剂适用于多孔性表面粘接,对玻璃和金属等非孔性表面,通常需与玻璃活化剂、玻璃底胶、漆面底剂配合使用。为了确保风挡玻璃与车体粘接性能可靠,在玻璃表面涂布底胶是必要的,它可提高PU胶粘剂在玻璃层上的粘接强度。

为了提高施胶速度和质量,目前各大汽车公司均采用机械手自动涂布单组分湿气固化型PU胶粘剂。自动涂胶系统由涂胶泵、计量装置、机械手、涂胶枪和工作台组成。为了保证涂胶量的稳定性,通常采用带有加热系统的压盘和输胶管路。使用自动涂胶系统要保证每次更换胶桶时排出空气,防止出现气泡,还要确保枪嘴的清洁,保证涂胶量准确。

目前单组分PU胶已实现了国产化,并在汽车行业得到部分应用。但由于这种单组分PU胶使用时需要配套玻璃活化剂和漆面、玻璃底剂,才能保证足够的粘接强度,而且固化速度较慢,装配工艺繁琐,为此又出现了不用涂活化剂、底剂和瞬时定位型风挡玻璃胶。如在风挡玻璃装配时通过配备加热涂布装置,使微热的胶料对被粘面立刻产生较高的初粘强度,保证了车窗玻璃的定位,然后逐步达到完全固化,从而解决了PU胶固化速度慢、需要夹具配合装配的不便。

单组分湿气固化PU风挡玻璃胶粘剂正在应用和开发的品种有:1)高模量型单组分PU玻璃胶粘剂;2)高接触粘性型单组分PU玻璃胶粘剂;3)预涂单组分PU胶粘剂及工艺;4)硅烷改性PU粘接密封剂;5)低导电性单组分PU胶粘剂,用于防止引起铝质车体的腐蚀和对天线接收效果的不良影响。

2.2汽车内饰件用水基PU胶粘剂

水基PU胶粘剂是指聚氨酯溶于水或分散于水中而形成的胶粘剂,具有不燃、气味小、不污染环境、节能、操作加工方便等优点。20世纪80年代在国外首见应用于皮革涂饰、织物整理和涂料等,直到90年代才逐渐在汽车内饰件粘接上得到应用。水基PU胶的固含量可以按用户需要任意调整,黏度也能随意调节。可以常温固化,也可热固化。现在水基PU胶粘剂已开始用于汽车一些零部件的粘接,如汽车内饰件PVC人造革、仪表板、挡泥板、门板、地毡和顶棚内衬粘接等。还有如汽车顶棚用PVC薄膜复合聚氨酯泡沫或织物复合聚氨酯泡沫的软质顶棚等。

为了加速水基PU胶粘剂的应用进程,一汽长春富奥———江森自控汽车饰件系统有限公司已投入巨资,从意大利引进全套水基聚氨酯车顶棚内衬胶粘剂及汽车顶棚制造设备及模具,现已具备了自主生产高质量环保汽车顶棚的能力和为汽车行业配套豪华内饰件的条件。

现在国外又在致力于水基PU胶降低成本、提高性能的研究工作。美国LeungPakT公司等开发了适用于热成型层压工艺用的水基PU胶,其粘接强度和耐热性能远高于目前常用的溶剂型或其他水基型胶种,用它粘接成型的外复PVC膜制品,可用于制造汽车仪表板、门板和其他内饰件。日本还针对水基PU胶初粘力小的问题,在水基PU胶中引入环氧树脂,成功地研制出具有良好初粘性能的产品。

2.3双组分PU结构胶粘剂

结构型胶粘剂是指应用于受力结构件粘接,能承受较大动负荷、静负荷,并能长期使用的胶粘剂。用于汽车结构部件的PU胶粘剂一般是无溶剂双组分PU胶粘剂。

现代汽车广泛采用塑料、聚氨酯材料,PU胶粘剂是粘接塑料和聚氨酯材料的最好胶粘剂之一。1967年美国Goodyear公司最先成功将双组分PU胶用于载重汽车的SMC发动机罩的粘接。随后美国通用汽车公司、福特汽车公司等相继用PU胶对大型载重卡车的SMC部件进行粘接,接着又推广到FRP(玻璃纤维增强塑料)部件的粘接。同时在卡车上用于顶棚、车门、水箱支架、驾驶室顶盖、车门板等部件的粘接均获得成功。1977年美国又采用聚氨酯系列胶粘剂用于轿车的发动机盖、驾驶室顶盖、车门板等零部件的粘接。随后日本等国也相继采用了这类技术。

近几年,上海康达化工有限公司致力于双组分快速固化型PU密封胶的开发研究。由于这种双组分PU密封胶能快速固化,可以提高生产率。其强度、伸长率等力学性能可按用户要求调整设计,以满足更高要求。可以预期这类PU胶具有很好的应用前景。

2.4反应型PU热熔胶粘剂

反应型PU热熔胶粘剂是在抑制化学反应的条件下,加热熔融成流体,以便于涂敷,冷却后胶凝起到粘接作用,之后借助于存在空气中或者被粘体表面的湿气与之反应、扩链,生成具有高内聚力的高分子聚合物,使粘合力、耐热性等进一步提高。这种反应型PU热熔胶是含有反应性基团的热塑性树脂胶粘剂,它的主体成分是端-NCO预聚体,配以与异氰酸酯基不反应的热塑性树脂和增粘树脂以及抗氧剂、催化剂、增塑剂、阻燃剂、防霉剂、填料等制成。反应型PU热熔胶主要在汽车顶棚、仪表板、行李箱盖、侧装饰条以及车灯中得到应用。此外,也可将其用于车门复合装饰件、PP、ABS、聚碳酸酯车灯罩粘接固定、货物箱箱板复合、车内装饰件粘接等。近年来,反应型PU热熔胶用于汽车风挡玻璃直接粘接也有报道,但要达到单组分湿气固化PU风挡胶的性能尚有许多研究工作要做。

2.5聚氨酯型植绒胶

近年来,我国从国外引进多条静电植绒生产线。在汽车上植绒胶主要用于各种不同基材面上植绒,如EPDM密封条、PVC、ABS、PC、PP、金属等材料。现在市场上静电植绒胶粘剂采用丙烯酸酯胶粘剂类较多,但粘合牢度较差,一般干湿擦牢度在2000~4000次左右,而采用聚氨酯类静电植绒胶粘剂干湿擦牢度一般在万次以上。PU植绒胶可分为溶剂型和无溶剂型、单组分和双组分型。

3结束语

1)单组分湿气固化PU风挡胶粘剂,急需开发固化速度快、可紫外线固化和对湿度不敏感的聚氨酯风挡玻璃胶粘剂以取代进口。

2)国内汽车行业尚未建立汽车胶粘剂/密封胶材料性能标准和专用试验方法标准,既影响了汽车胶粘剂/密封胶在汽车行业的应用进程,也制约了汽车用胶研制和生产单位的规范和发展,难以建立完善的质量保证体系。

3)由于我国对汽车工业用胶还没有制定严格的环保法规,加上汽车厂家出于对成本的考虑,环保汽车用胶的开发和应用还未得到高度重视,存在环境污染的溶剂型胶粘剂在汽车行业仍有使用。

4)满足一般使用要求的通用型汽车胶产品较多,而用于特殊需要的高技术含量、性能高的产品比较少。自主创新能力较弱,研发能力有待进一步提高。

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