汽車用減振降噪阻燃補強膠片的研制

高之香，吳子剛，李建武，李士學，李世春

（三友（天津）高分子技術(shù)有限公司，天津 300211）

車身外板蒙皮在沖壓過程中，在彎角和邊緣等部位鋼板會因延展變薄，并產(chǎn)生應力集中。在汽車長期運行中應力集中處易產(chǎn)生振動疲勞，導致裂紋產(chǎn)生、擴展直至斷裂[1]。

補強膠片是一種以環(huán)氧樹脂為主的合成材料，具有3層復合材料，最上層為玻璃纖維布材料或鋁箔，中間為高強度膠層，底層為隔離紙。補強膠片主要用于汽車車門內(nèi)板、門拉手、引擎蓋內(nèi)側(cè)、車頂、輪罩、側(cè)圍等在行駛過程中易產(chǎn)生共振和噪音的部位，使之用于與車身應力集中處鋼板的貼合，以提高鋼板的彎曲強度、剛度、抗沖擊性，提升車輛的安全性能。在鋼板應力集中部位粘貼補強膠片可提高鋼板剛度，使其對低頻振動不產(chǎn)生響應；補強膠片含有橡膠等高分子材料，具有阻尼作用，當產(chǎn)生振動時，橡膠分子將振動能轉(zhuǎn)換成分子位移、形變和熱能，從而提高薄弱處疲勞強度。通過上述綜合作用，提高了汽車車身的減振、降噪性能和車身剛度[2～4]。

目前汽車上用的補強膠片補強效果雖然能滿足汽車主機廠的要求，但是存在2個問題：一是補強膠片的韌性差，固化后收縮大，當使用面積較大時容易導致鋼板變形問題；二是補強膠片的阻燃性達不到一些主機廠的要求，目前行業(yè)標準要求燃燒持續(xù)性2 s內(nèi)自熄，然而隨著人們對整車安全的重視，很多主機廠尤其是生產(chǎn)新能源汽車的廠家要求補強膠片的燃燒速度達到A-0 mm/min。因此，研制兼具阻燃、阻尼性能、補強效果好并且不變形的補強膠片具有重要意義。本文設(shè)計了一種兼具阻尼作用和補強效果的阻燃型補強膠片。該補強膠片具有較好的強度和韌性，與鋼板粘合強度大，并能與鋼板油面粘附。它是由丁腈橡膠/環(huán)氧樹脂復合材料作為粘接層和玻璃纖維布作為底層組成，使用時將其貼于需補強的鋼板表面，經(jīng)烘烤，在高溫下粘接層固化，形成復合結(jié)構(gòu)，從而增加鋼板的彎曲強度、剛度、抗沖擊性、抗疲勞性和阻尼效果。丁腈橡膠與環(huán)氧樹脂共混改性使補強膠片具有優(yōu)良的粘接性能、阻尼性能和鋼板抗沖擊性能，通過氫氧化鋁和氫氧化鎂的配合使用，使補強膠片的燃燒速度達到A-0 mm/min，因此該補強膠片是一種滿足汽車主機廠要求的新型NVH工程材料。

1　 實驗部分

1.1　原材料

環(huán)氧樹脂128，南亞環(huán)氧樹脂（昆山）有限公司；丁腈橡膠LG3250，韓國LG化學公司；C5加氫石油樹脂，LH100-1Y，中國石油蘭州石化公司；補強炭黑N220，卡博特化工有限公司；氫氧化鋁，H-10，800目，嘉琪化工科技（上海）有限公司；氫氧化鎂，ZHE5，800目，無錫澤輝化工有限公司；雙氰胺H106，常州市馬蹄蓮樹脂有限公司；促進劑，PN-23，日本味之素株式會社；硫化劑40B，天津阿克蘇諾貝爾過氧化物有限公司。

1.2　儀器與設(shè)備

動態(tài)熱機械分析儀（DMA），型號DMA 242 E，德國耐馳儀器制造有限公司；微機控制電子萬能試驗機，型號204C，深圳萬測試驗機設(shè)備有限公司；阻燃試驗箱，型號WJ-8410，東莞市萬佳儀器有限公司；密煉機，型號ML-3L，南通密煉捏合機械有限公司；二輥機，型號S（x）K-160A，上海輕工機械技術(shù)研究所；捏合機，型號NHF-3L，南通密煉捏合機械有限公司；擠出機，自制。

1.3　阻燃補強膠片的制備

用二輥機將60份丁腈橡膠進行塑煉，薄通10次。將塑煉好的丁腈橡膠投入密煉機，加入3份補強炭黑、60份氫氧化鋁進行混煉制得混煉膠。用捏合機將混煉膠、100份環(huán)氧樹脂、10份雙氰胺、1份促進劑及1份硫化劑捏合至均勻。將擠出機加熱至（45±5）℃，溫度達到后開始進行擠出。擠出補強膠片過程中一側(cè)敷玻璃纖維布、一側(cè)敷隔離紙，擠出通道中設(shè)有壓輥，用壓輥將膠片與玻璃纖維布壓實，使膠與玻璃纖維布粘牢，并分切成規(guī)定尺寸。

1.4　性能測試

補強倍率：按QC/T851—2011規(guī)定進行測試。油面冷軋鋼板尺寸為150 mm×25 mm×0.8 mm，補強膠片尺寸為150 mm×25 mm×2 mm。首先測試油面冷軋鋼板的彎曲載荷，壓力頭以5 mm/min的速度施加壓力，測定并記錄其撓度為2.5 mm、5 mm處的彎曲載荷及最大負荷值；然后測定鋪貼補強膠片的鋼板（按規(guī)定條件固化后在標準狀態(tài)下放置24 h）的彎曲載荷，以5 mm/min的速度施加壓力，測定并記錄其撓度為2.5 mm、5 mm處的彎曲載荷及最大負荷值。圖1為補強倍率測試示意圖。補強倍率通過式（1）計算：

式中：A—補強倍率；B—油面冷軋鋼板在2.5 mm、5 mm撓度處彎曲載荷或最大負荷值，N；C—鋪貼補強膠片的鋼板在2.5 mm、5 mm撓度處彎曲載荷或最大負荷值，N。

圖1　補強倍率測試示意圖Fig.1　Schematic diagram of reinforcement ratio test

損耗因子：采用動態(tài)熱機械分析儀（DMA）進行測試，選擇單懸臂模式，補強膠片尺寸為35 mm×10 mm×2 mm，測試溫度范圍為：（-20～40）℃，升溫速率2 ℃/min，測試頻率1 Hz。

初始粘接力：按GB/T 2790—1995測試，拉伸速度100 mm/min。

隔離紙剝離性：按QC/T 851—2011進行測試。

阻燃性能：按GB 8410—2006進行測試。

2　 結(jié)果與討論

2.1　補強效果

補強膠片最主要的作用是對薄鋼板進行補強，而衡量補強效果好壞的主要指標是補強膠片的補強倍率。汽車用補強膠片行業(yè)標準（QC/T 851—2011）中PRM-13型和PRM-23型補強膠片的補強倍率指標要求最高，分別為撓度2.5 mm時≥3.0；撓度5 mm時≥4.0；最大負荷時≥5.0。

環(huán)氧樹脂的添加量對補強膠片補強效果影響顯著，本文試驗了不同環(huán)氧樹脂含量的補強膠片，并對其進行補強倍率測試。由圖2可以看出，貼合補強膠片的鋼板彎曲載荷增加，且隨補強膠片中環(huán)氧樹脂含量的增加，補強效果更加明細。通過計算，得出添加80份環(huán)氧樹脂的補強膠片在撓度2.5 mm、5 mm和最大負荷處的補強倍率分別為2.32倍、2.52倍和3.64倍。添加100份環(huán)氧樹脂的補強膠片在撓度2.5 mm、5 mm和最大負荷處的補強倍率分別為3.37倍、4.03倍和5.44倍。添加120份環(huán)氧樹脂的補強膠片在撓度2.5 mm、5 mm和最大負荷處的補強倍率分別為3.79倍、4.30倍和5.78倍。結(jié)果表明，添加100份環(huán)氧樹脂補強膠片的補強倍率較添加80份環(huán)氧樹脂的補強膠片的補強倍率明顯提高，滿足行業(yè)標準中補強倍率的最高要求。當環(huán)氧樹脂增加到120份時，補強倍率效果提高不明顯。由于環(huán)氧樹脂固化后產(chǎn)生收縮，添加量過大會導致補強膠片固化后變形，因此確定環(huán)氧樹脂的添加量為100份。

圖2　補強膠片補強倍率測試結(jié)果Fig.2　Test results of reinforcement ratio of reinforcing sheet

2.2　阻尼性能

補強膠片的另一個主要作用就是阻尼性能。阻尼材料的作用原理是將振動能轉(zhuǎn)化為熱能耗散掉，使產(chǎn)生噪聲的振動能量大大衰減，即從聲（振）源上有效地控制振動和噪聲[5]。為了提高阻尼性能，在配方中添加一定比例的丁腈橡膠，并測試了補強膠片在-20～40 ℃下的損耗因子（tgδ）。圖3為不同含量丁腈橡膠補強膠片的損耗因子與溫度的關(guān)系曲線。

圖3　補強膠片損耗因子與溫度關(guān)系曲線Fig.3　Relationship of loss factor of reinforcing sheet and temperature

在室溫25 ℃時,補強膠片的損耗因子隨丁腈橡膠含量的增加從0.086上升到0.202，可以看出添加丁腈橡膠有利于提高補強膠片的阻尼性能。這是由于在補強膠片中添加丁腈橡膠，當產(chǎn)生振動時，可以通過橡膠分子的松弛作用，使應力分散均勻，避免應力集中，出現(xiàn)裂紋。同時橡膠分子和填充劑在受力作用下會產(chǎn)生位移和形變，從而消耗掉外界施加的能量，提高鋼板抗疲勞性。當丁腈橡膠添加量為60份時，補強膠片的損耗因子大于0.2，基本滿足汽車主機廠對補強膠片阻尼性能的要求，因此確定丁腈橡膠的添加量為60份。

2.3　施工性能

補強膠片一般在焊裝車間使用，為流水線作業(yè)，因此對膠片的施工性要求較高。初始粘接力不夠會導致補強膠片在烘烤固化中粘接不牢而脫落；初始粘接力太大會導致膠片在溫度較高時發(fā)粘，造成隔離紙不容易剝離而影響施工。為此，在配方中添加了一定比例的加氫石油樹脂。表1顯示了添加不同比例加氫石油樹脂的補強膠片初始粘接力及隔離紙剝離性的數(shù)據(jù)。

表1　加氫石油樹脂用量與初始粘接力、隔離紙剝離性的關(guān)系Tab.1　Relationship between hydrogenated petroleum resin amount and initial adhesion，dissection of isolation paper

由表1可以看出，隨著加氫石油樹脂比例的增加，補強膠片初始粘接力增加，當加氫石油樹脂添加10份時，初始粘接力達到13.8 N/25 mm，同時不影響隔離紙剝離性，當增加到15份時，隔離紙不易剝離，因此確定加氫石油樹脂添加量為10份。

2.4　阻燃性能

補強膠片雖不屬于汽車內(nèi)飾件，但越來越多的汽車主機廠尤其是新能源汽車對其阻燃性能也有要求。氫氧化鋁、氫氧化鎂等礦物無鹵阻燃材料具有穩(wěn)定性好、無毒、不產(chǎn)生腐蝕性氣體、阻燃效果持久等特點。其中氫氧化鋁的受熱分解溫度較低，不能滿足某些材料高溫阻燃的需要，將其與氫氧化鎂復配使用不僅可以提高材料的阻燃溫度，還可以提高氧指數(shù)[6]。本文選用氫氧化鋁、氫氧化鎂作為補強膠片的阻燃填充劑。為了達到良好的加工型及阻燃性的平衡，通過試驗初步確定阻燃填充劑的添加量為180份。分別試驗單獨添加氫氧化鋁、氫氧化鋁與氫氧化鎂添加比例2∶1、氫氧化鋁與氫氧化鎂添加比例1∶2、單獨添加氫氧化鎂4種配方的補強膠片，分別測試其阻燃性能，結(jié)果見表2。可以看出采用比例為2∶1的氫氧化鋁和氫氧化鎂阻燃填料，燃燒速度可以達到A-0 mm/min。這是因為相同粒徑的氫氧化鋁和氫氧化鎂（均為800目）可以實現(xiàn)均勻復配，充分發(fā)揮2者的協(xié)同阻燃效果，提高了復合材料的阻燃性能。

表2　補強膠片阻燃性能測試結(jié)果Tab.2　Test results of flame-retardant property of reinforcing sheet

3　 結(jié)語

（1）為了達到理想的補強效果，通過調(diào)整環(huán)氧樹脂的添加比例，可以提高補強膠片的補強倍率，同時降低收縮率，達到較高的補強效果并保證鋼板不變形。

（2）丁腈橡膠的加入提高了補強膠片復合材料的損耗因子，從而提高補強膠片的減振降噪性能，減少應力集中，提高鋼板的抗疲勞性。

（3）為了達到良好的初始粘接力和隔離紙剝離性，需要加入加氫石油樹脂等增粘劑，并控制一定比例，保證補強膠片良好的施工性能。

（4）阻燃填充劑氫氧化鋁、氫氧化鎂的加入可以提高補強膠片的阻燃性能，通過控制2種阻燃填充劑的添加量及添加比例可以達到阻燃協(xié)同效果，使補強膠片的燃燒速度達到A-0 mm/min。