淺談汽車用焊裝膠的黏度特性及對(duì)施工性和貯存穩(wěn)定性的影響

萬福榮，李 程，高之香，李建武，石震鵬，丁洪恩

（三友（天津）高分子技術(shù)有限公司，天津 300211）

上世紀(jì)60年代，汽車工業(yè)開始應(yīng)用膠粘劑。我國自20世紀(jì)80年代中期先后從德國、美國、日本和法國等國家通過合資等方式先后引進(jìn)了先進(jìn)的汽車生產(chǎn)技術(shù)并將汽車膠帶入了中國。經(jīng)過不斷的消化、吸收，自20世紀(jì)90年代開始，我國也逐步建立起自主的汽車膠工業(yè)。進(jìn)入21世紀(jì)，在汽車材料國產(chǎn)化過程中，我國研制出一批新的、更專用化的膠粘劑[1]。轎車已進(jìn)入尋常百姓之家，隨著人們生活水平的提高和環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)，汽車膠粘劑、密封膠品種的開發(fā)應(yīng)用已成為人們關(guān)注的熱點(diǎn)[2]。

在汽車制造中，為了防止焊縫處的縫隙不嚴(yán)導(dǎo)致的漏水、透風(fēng)和腐蝕現(xiàn)象發(fā)生，提高車身的密封性、防銹性和減振降噪性能，需要在白車身焊接過程中車身鈑金局部縫隙區(qū)域進(jìn)行必要的涂膠工藝[3]。汽車車身焊裝用膠主要包括點(diǎn)焊密封膠、減振膨脹膠、環(huán)氧折邊膠和高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)膠等。其中點(diǎn)焊密封膠主要用于車身鈑金件之間的焊接縫隙，如前擋板、側(cè)圍外板、輪罩內(nèi)板和側(cè)圍上端加油口盒等零部件之間，起密封防水作用；減振膨脹膠主要用于車身頂蓋與加強(qiáng)梁、發(fā)動(dòng)機(jī)罩與發(fā)動(dòng)機(jī)蓋內(nèi)板、行李箱蓋與行李箱蓋內(nèi)板以及車門外板與防撞梁之間等需要減振的部位，起到減振、控制共振和阻尼的作用；環(huán)氧折邊膠主要用于前后門、前后蓋和前翼子板等折邊部位，其粘接強(qiáng)度較高，起到替代焊點(diǎn)、美觀的作用，還提高了防腐、防銹能力；高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)膠應(yīng)用在發(fā)動(dòng)機(jī)中罩與前后加強(qiáng)梁等部位，粘接強(qiáng)度較高，以粘代焊，減少焊點(diǎn)，解決中罩表面焊點(diǎn)麻坑等問題，改善了汽車外觀質(zhì)量[4～6]。根據(jù)三友（天津）高分子技術(shù)有限公司多年來制造焊裝膠的經(jīng)驗(yàn)，本研究簡單介紹了焊裝膠生產(chǎn)中的黏度特性，并討論了黏度對(duì)焊裝膠施工性能和貯存穩(wěn)定性的影響，為焊裝膠的生產(chǎn)和使用廠家提供參考。

1 焊裝膠黏度測(cè)量方法

焊裝膠黏度主要采用旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)和壓流黏度計(jì)法來測(cè)量。每種黏度計(jì)的選擇都有適用特定的黏度范圍和剪切速率范圍，每種測(cè)試方法都有其自己的特性和限制條件，不能直接進(jìn)行轉(zhuǎn)換，因此測(cè)量焊裝膠黏度應(yīng)選擇合適的測(cè)量儀器及測(cè)試條件，并在測(cè)試報(bào)告中注明。

1.1 旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)

旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)測(cè)量的黏度是動(dòng)力黏度，由于大多數(shù)流體屬于非牛頓性流體，所以是基于表觀黏度隨剪切速率變化而呈可逆變化的。在特定轉(zhuǎn)子、轉(zhuǎn)速下測(cè)定的黏度值稱為“表觀黏度”，這種黏度的測(cè)定也就成為“相對(duì)測(cè)定”。旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)種類較多,常用的有同軸雙重圓筒和單一圓筒式2類，如美國的Brookfield旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)、國產(chǎn)的NDJ和NXS系列的旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)。每臺(tái)儀器還配有多個(gè)轉(zhuǎn)筒或轉(zhuǎn)子（4～9個(gè)），或者多種配件,可切換多種轉(zhuǎn)速（3～7種），擴(kuò)大了儀器的使用場(chǎng)合和測(cè)量范圍，測(cè)試示意圖如圖1所示。焊裝膠的旋轉(zhuǎn)黏度的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)主要有GB/T 2794、ASTM D1824和ASTM D2196等。

圖1 旋轉(zhuǎn)黏度測(cè)試示意圖Fig.1 Schematic of rotating viscosity test

1.2 壓流黏度計(jì)

壓流黏度計(jì)適用于高黏性產(chǎn)品的質(zhì)量控制。由于焊裝膠的黏度較高，用旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)測(cè)量的誤差有時(shí)會(huì)比較大，因此當(dāng)焊裝膠黏度上升到80 Pa·s（剪切速率50/s-1）時(shí)，建議選用壓流黏度計(jì)進(jìn)行測(cè)量。測(cè)試壓流黏度使用的設(shè)備包括壓流黏度計(jì)、天平、支架、壓力表、調(diào)節(jié)閥、秒表、黏度杯和砝碼等，示意圖如圖2所示。測(cè)試時(shí)，將壓力調(diào)節(jié)到0.4～0.5 MPa，流出嘴直徑有2 mm、2.54 mm和3 mm等。記錄1 min內(nèi)擠出到天平架上的出膠量，平行測(cè)定3次，取3次出膠量的平均值作為壓流黏度值，單位為g/min。焊裝膠壓流黏度的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)有ASTM D1823、ASTM D3835等。

圖2 壓流黏度測(cè)試示意圖Fig.2 Schematic of pressure viscosity test

2 黏度對(duì)施工性能的影響

黏度是焊裝膠使用較為重要的指標(biāo)之一，對(duì)施工性能影響較大。焊裝膠的涂膠方式主要有人工手動(dòng)涂膠和機(jī)器人自動(dòng)涂膠2種[7]。不管何種涂膠方式，黏度對(duì)涂膠質(zhì)量的好壞都起到了關(guān)鍵作用，黏度過大，涂膠困難，涂膠時(shí)間延長，耽誤生產(chǎn)進(jìn)程，容易出現(xiàn)拉絲等狀況，需要有專業(yè)人員進(jìn)行后續(xù)處理，同時(shí)對(duì)被粘件潤濕性較差，粘接強(qiáng)度較低；黏度太小，流掛現(xiàn)象嚴(yán)重，容易出現(xiàn)還未進(jìn)入烘道內(nèi)焊裝膠已經(jīng)偏離原來的位置。要達(dá)到理想的膠層厚度，必須增加涂膠次數(shù)，否則影響強(qiáng)度，造成資源浪費(fèi)，因此焊裝膠必須有適當(dāng)?shù)酿ざ取?/p>

溫度對(duì)焊裝膠的黏度影響十分顯著。溫度升高，焊裝膠的黏度下降，不同類型的焊裝膠黏度的下降程度是不同的。黏度隨溫度的變化叫黏溫特性。一般可用黏溫曲線，以經(jīng)驗(yàn)公式或黏度指數(shù)來表示黏度與溫度的關(guān)系，黏度隨溫度的變化越小，對(duì)施工環(huán)境的影響也越小。黏溫曲線可直觀地反映出黏度隨溫度的變化。黏溫曲線平緩的焊裝膠，其黏度隨溫度的變化程度較小，黏溫特性較好。本研究測(cè)定了三友（天津）高分子技術(shù)有限公司的4種焊裝膠的黏溫曲線，包括點(diǎn)焊密封膠（型號(hào)為SY-231A-1）、減振膨脹膠（型號(hào)為SY-221）、環(huán)氧折邊膠（型號(hào)為SY-242）和高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)膠（型號(hào)為SY-248）。圖3為焊裝膠的旋轉(zhuǎn)黏度-溫度關(guān)系曲線（Brookfield DV2THB型黏度計(jì)，7號(hào)轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)速0.6 r/min），圖4為焊裝膠的壓流黏度-溫度關(guān)系曲線（壓力為0.5 MPa，出膠口徑為2.54 mm，出膠口長度為16 mm）。從中可以看出，旋轉(zhuǎn)黏度隨溫度的變化程度，環(huán)氧折邊膠＞高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)膠＞減振膨脹膠＞點(diǎn)焊密封膠；壓流黏度隨溫度的變化程度，環(huán)氧折邊膠＞高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)膠＞點(diǎn)焊密封膠＞減振膨脹膠。這種現(xiàn)象是焊裝膠自身特性造成的，環(huán)氧折邊膠和高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)膠的環(huán)氧樹脂含量較大，而環(huán)氧樹脂的黏度隨溫度的變化也較大，導(dǎo)致其黏溫特性較差。為了避免溫度變化帶來的施工問題，焊裝膠生產(chǎn)廠家需要根據(jù)季節(jié)的不同來調(diào)整黏度。使用廠家也應(yīng)在焊裝膠規(guī)定的使用溫度范圍內(nèi)進(jìn)行涂膠施工，有條件的使用廠家可以選擇帶有保溫功能的膠槍或者自動(dòng)打膠機(jī)進(jìn)行施工。

圖3 焊裝膠旋轉(zhuǎn)黏度和測(cè)試溫度關(guān)系曲線Fig.3 Relationship between rotational viscosity of welding adhesives and test temperature

圖4 焊裝膠壓流黏度和測(cè)試溫度關(guān)系曲線Fig.4 Relationship between pressure viscosity of welding adhesives and test temperature

3 黏度對(duì)貯存穩(wěn)定性的影響

焊裝膠貯存期通常是指在存放一定時(shí)間后觀察外觀和涂布以測(cè)定黏度和強(qiáng)度不發(fā)生變化的時(shí)間，焊裝膠的貯存期是焊裝膠必須考慮的重要問題，是判斷焊裝膠質(zhì)量好壞的一項(xiàng)重要指標(biāo)。

由于焊裝膠的保質(zhì)期一般為180 d，測(cè)定了上述4種焊裝膠在溫度為（23±2）℃、相對(duì)濕度為（50±5）%的標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下黏度隨貯存時(shí)間變化的關(guān)系。圖5為焊裝膠旋轉(zhuǎn)黏度和貯存時(shí)間關(guān)系曲線（Brookfield DV2THB型黏度計(jì)，7號(hào)轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)速為0.6 r/min），圖6為焊裝膠壓流黏度和貯存時(shí)間關(guān)系曲線（壓力為0.5 MPa，出膠口徑為2.54 mm，出膠口長度為16 mm）。由此可以看出，焊裝膠的黏度隨貯存時(shí)間的延遲逐漸升高，尤其是環(huán)氧折邊膠和高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)膠更為明顯，這是由于這2種膠粘劑中的固化劑雖然為潛伏性固化劑，但在常溫下也與環(huán)氧樹脂進(jìn)行緩慢的化學(xué)反應(yīng)，形成高分子鏈結(jié)構(gòu)，宏觀表現(xiàn)為黏度逐漸增大，甚至出現(xiàn)假固現(xiàn)象。這就要求使用廠家要嚴(yán)格保證這2種膠的貯存溫度在25 ℃以下，以免影響產(chǎn)品的正常使用。

圖5 焊裝膠旋轉(zhuǎn)黏度和貯存時(shí)間關(guān)系曲線Fig.5 Relationship between rotational viscosity of welding adhesives and storage time

圖6 焊裝膠壓流黏度和貯存時(shí)間關(guān)系曲線Fig.6 Relationship between pressure viscosity of welding adhesives and storage time

上述操作需要將膠自然放置180 d以上，無法快速判斷焊裝膠的貯存穩(wěn)定性。生產(chǎn)實(shí)踐中焊裝膠貯存穩(wěn)定性采用加速熱老化的方式進(jìn)行測(cè)定，以黏度變化率來表征。

黏度變化率Y由式（1）計(jì)算：

式中：Y —黏度變化率（%）；η1—膠粘劑在（23±2）℃下放置24 h的黏度；η2—膠粘劑在（40±2）℃下貯存168 h，然后將膠粘劑取出，在（23±2）℃下放置24 h后的黏度。

取3次的平均值作為測(cè)定結(jié)果，一般認(rèn)為黏度變化率Y小于30%即滿足要求，質(zhì)量控制較好的焊裝膠的黏度變化率小于10%。

4 結(jié)語

黏度作為焊裝膠生產(chǎn)中需要控制的重要指標(biāo)，是影響其施工性及貯存穩(wěn)定性的重要因素。由于汽車廠使用焊裝膠時(shí)采用氣動(dòng)的方式涂膠，與壓流黏度的測(cè)試原理更為相近，因此，在生產(chǎn)、使用時(shí)應(yīng)把壓流黏度作為主要參考因素，而旋轉(zhuǎn)黏度作為次要參考因素。另外，由于焊裝膠的黏度受氣候影響較大，使用廠家應(yīng)按照焊裝膠規(guī)定的溫度進(jìn)行貯存和使用。此外，焊裝膠生產(chǎn)廠家需要總結(jié)出焊裝膠合適的黏度控制手段，研發(fā)溫度穩(wěn)定性更優(yōu)異的焊裝膠，為產(chǎn)品提供更長的保質(zhì)期及卓越的施工性能，以滿足主機(jī)廠對(duì)貯存期、施工性及更多性能的要求。