基于膠粘劑技術(shù)在汽車裝配中的實現(xiàn)分析

滕文祥

摘要：作為汽車生產(chǎn)不可缺少的一項重要輔助材料，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，目前市場對汽車的環(huán)保節(jié)能、安全舒適性能、高性價比等方面的需求不斷提高，促使膠粘劑技術(shù)在汽車裝配中的應用范圍不斷擴大。本文在介紹了汽車膠粘劑應用范圍和性能指標的基礎(chǔ)上，闡述了幾種常用汽車膠粘劑的種類、特點及應用中存在的問題，介紹了粘接缺陷的具體檢測方法，并分析了車用膠粘劑的發(fā)展趨勢。

關(guān)鍵詞：汽車裝配;膠粘劑技術(shù);應用范圍;性能指標;發(fā)展趨勢

中圖分類號：TQ437;U466

文獻標識碼：A

文章編號：1001-5922（2020）12-0005-04

0 引言

目前汽車已成為一種不可缺少的交通工具，隨著汽車保有量的不斷增加，能源消耗和環(huán)保問題（尤其是超標排放的CO2）日益突出，各生產(chǎn)企業(yè)及學者對汽車輕量化的重視程度不斷提高，為滿足日益提高的現(xiàn)代汽車輕量化發(fā)展要求，兼顧汽車安全和較輕的車身質(zhì)量，而在引進新材料時為達到更高的使用水平要求材料具備較高的強度（以確保車體連接質(zhì)量）。作為一項重要車體連接技術(shù)，焊接聯(lián)合其他補充連接技術(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，促使具有較佳力學性能的粘接技術(shù)在汽車裝配中的應用范圍不斷擴大，連續(xù)分布的粘接處應力在提高汽車抗疲勞、耐沖擊性能的同時使汽車外觀更加平整光滑。

1 應用范圍和性能指標

生產(chǎn)汽車時用到的粘接劑和密封膠構(gòu)成了車用膠粘劑系，按照可不用途主要可分為五大類膠種，分別用于制造工藝、焊裝、涂裝、總裝發(fā)動機、底盤零件。廣泛應用到了日常生產(chǎn)生活（包括服裝加工、建筑、汽車、輕工、包裝、航天航空、機械制造等領(lǐng)域）的膠粘劑具備易于使用、性價比高等特殊功能優(yōu)勢和實用價值，現(xiàn)代高品質(zhì)汽車產(chǎn)品會應用到數(shù)10種膠粘劑，主要用于實現(xiàn)提升構(gòu)件性能及整車美觀性、密封緊固、隔熱降噪、防銹減振等功能，同時有效簡化了生產(chǎn)工藝和制造流程。不斷發(fā)展進步的社會經(jīng)濟與科學技術(shù)促使性能更加強大的合成膠粘劑快速完善起來，并逐漸替代了機械聯(lián)結(jié)方式，成為發(fā)展前景廣闊的化工行業(yè)。為順應未來汽車工業(yè)的發(fā)展需求，開發(fā)和應用高品質(zhì)性能的車用膠粘劑成為行業(yè)內(nèi)的研究熱點。應用到汽車生產(chǎn)中的膠粘劑按照不同用途可細分出多類，選用膠粘劑需遵循的主要指標包括：

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)實際需要選用耐使用介質(zhì)的膠粘劑。

2）粘接強度（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度可將其分為拉伸、剝離、剪切、扭轉(zhuǎn)剪切等強度，需以機械零件位置及受力情況為依據(jù)選用相應的強度膠粘劑。

3）耐溫性能（固化后的膠層可承受溫度），如對于耐溫-60℃ - 120℃的膠粘劑，在超過該溫度范圍后其粘接力會顯著降低，需根據(jù)膠粘劑的耐溫性能選用粘接膠。

4）粘接時的固化時間，指常溫下膠粘劑從同膠狀到固體膠屋轉(zhuǎn)變過程的耗時，可分為初固時間（承受粘接件的膠層不脫落所需時間）和全固時間（膠層完全固化所需時間，此時粘霎強度和耐介質(zhì)性能最好），根據(jù)初固時間可細分為瞬干膠（僅需幾秒或數(shù)10s的初固時間，粘接強度和抗介質(zhì)性能更佳）與慢干膠（可根據(jù)不同膠種通過熱力吹、烘烤等措施縮短固化時間）2種[1]。

2 車用膠粘劑的種類與應用

2.1 聚氨酯膠粘劑

含氨基甲酸酯基團或異氰酸酯基的膠粘劑統(tǒng)稱聚氨酯膠粘劑，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、風窗玻璃膠、結(jié)構(gòu)膠，可同多羥基化合物發(fā)生固化反應，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體表面涂層和涂料以及金屬與高分子材料，例如。在汽車總裝中的車體部件通過使用聚氨酯膠粘劑實現(xiàn)了低溫連接（可達到17MPa的搭接剪切強度），使汽車車體強度得到顯著提升（ Pa-padakis等）;為增加車身穩(wěn)定性，通過對聚氨酯膠粘劑進行增韌，有效兼顧了流動性和黏合強度（Kim等）[1]。近幾年隨著新材料在汽車上的普及應用（包括輕質(zhì)金屬、復合材料等）促使車用膠粘劑的用量不斷增加（尤其是汽車內(nèi)飾件），汽車上的鋼板逐漸由工程塑料（具備輕質(zhì)強度高的優(yōu)勢）代替，SMC和FRP（片狀模塑復合材料和玻璃纖維增強塑料，主要用于制造車身面板和外裝件）較為常用，但這2種工程塑料同車身構(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）間的化學粘接力較好，使粘接更加牢固。通過對固化后的分子進行調(diào)節(jié)可實現(xiàn)不同膠粘劑（不同硬度和伸長率）的獲取，并可根據(jù)實際需要調(diào)節(jié)其粘合層（從柔性到剛性）?？墒覝睾图訜峁袒ㄌ岣吣z粘劑強度）的聚氨酯膠粘劑簡化了汽車的粘接工藝、易于操作。聚氨酯膠粘劑在汽車上的具體應用包括：風窗玻璃膠（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）固定和密封車身和風窗玻璃，該密封膠中含有活潑的NCO基團在接觸空氣時同其中的水分發(fā)生反應，粘結(jié)時可與基材表面的活性氫基團（羥基等）及其吸收的水反應生成脲鍵結(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研究熱點。同時注意按操作工藝認真操作，通常按照清潔活化、涂底膠、施膠、裝配玻璃、固定清理、玻璃密封的順序進行[2]。

2.2 環(huán)氧樹脂膠粘劑

作為一種工程膠粘劑主要由環(huán)氧樹脂基料、填料、固化劑等配制成，幾乎無異味，該類膠粘劑因含有粘接性較好的多種官能團（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)氧樹脂膠粘劑在粘接車身高分子聚合物與復合材料中的應用越來約普遍。通過將液體橡膠等添加到環(huán)氧樹脂中可使材料連接處的韌性得到有效增強，粘接試樣在0.6mm厚的粘接層下具有相對較高的拉伸強度即粘接效果[3]。

2.3 丙烯酸酯膠粘劑

該膠粘劑同染料的相容性更強，具備良好的耐水性、耐熱性及耐沖擊性，可在室溫下固化，在車門防水加工、車身減震阻尼等方面應用較為普遍，對于表面有油污的材料無需預處理即可粘接，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6-7h可達到每25mm為1090g;通過在丙烯酸酯中加入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，進而更好的適應高溫環(huán)境[4]。

2.4 有機硅膠粘劑

該類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。有機硅膠粘劑在密封汽車的車燈電路模塊、發(fā)動機底殼、變速箱中以及制造與維修汽車零部件（如喇叭等）中應用較多。在車載微電子集成電路中采用有機硅膠進行粘接可使升剪切強度得以有效提（通過適當調(diào)整剪切方向?qū)崿F(xiàn)，可高達9.9MPa），進而提升了集成電路穩(wěn)定性及安裝便利性[5]。

3 車用膠粘劑存在的應用問題及發(fā)展趨勢

3.1 存在的問題

目前在汽車裝配過程中主要涉及到制造工藝用膠（各種壓敏膠帶等）、車身、內(nèi)飾（頂棚膠、丁基密封膠帶等）、發(fā)動機（分別用各類液態(tài)密封膠和厭氧膠密封平面與鎖固密封螺紋件）、底盤零件（濾清器濾芯膠、剎車蹄片膠、車燈密封膠）5大類膠種，包括點焊密封膠/折邊膠/防振膠（車身磷化處理前使用）、指壓密封膠、焊縫密封膠、隔熱阻尼膠板等。目前國內(nèi)汽車行業(yè)車用膠粘劑品種及應用技術(shù)研究均已取得了較佳的進展，但發(fā)展較快的國產(chǎn)膠粘劑品種仍難以完全滿足現(xiàn)代汽車的使用需求，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、依賴進口等方面的不足，缺少系列化、標準化的產(chǎn)品體系，并且所需專用涂膠設(shè)備的研制水平相對于膠粘劑開發(fā)水平較低，不利于優(yōu)質(zhì)膠種的順利推廣和應用[6]。應用車用膠粘劑存在的問題主要包括：

1）環(huán)保問題，快速發(fā)展的汽車工業(yè)及市場需求促使人們對體內(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、丙酮等是車用膠粘劑的主要污染物，會給長期處于密閉車廂環(huán)境中人員的身體健康帶來不同程度的威脅。為了提高環(huán)保性能，通過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，不添加該添加劑會影響粘接過程的固化速率和穩(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間，使用不變且耗費能源，增加了汽車裝配的加工工序、生產(chǎn)消耗及生產(chǎn)成本;易氧化是大部分車用膠粘劑具有的特點，保質(zhì)期較短，通常需存放在低溫避光的苛刻環(huán)境下，限制了其在汽車加工企業(yè)中的批量使用。

3）膠粘劑存在的性能缺陷：①對水和高溫較為敏感的聚氨酯膠粘劑不耐強酸和強堿，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（尤其是在沒有增韌時）;③單組分使用操作較為簡單便利的丙烯酸酯膠粘劑存在雙組分使用較麻煩的缺點，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過程不適合大面積（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（力學性能一般）、粘接強度不高[7]。

3.2 膠粘組件的檢測方式

在檢測粘接組件的安全性時所使用的組件強度檢測方法在對接頭強弱進行分析時，通常以接頭剪切強度及缺口的斷裂力學特征為依據(jù)，非破壞性質(zhì)量檢測逐漸成為檢測粘接組件膠層缺陷的主流方法，通過主動熱成像技術(shù)（以超聲波感應和光激發(fā)熱流為主）的使用完成粘接處缺陷的檢測（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率的差異較大的情況下會限制主動熱成像技術(shù)的檢測性能，為此通過使用感應激發(fā)熱成像技術(shù)（Srajbr等）激發(fā)出的感應脈沖完成對紅外光譜變化情況的記錄，提高粘接組件缺陷的檢測質(zhì)量。這2種無損檢測方式成本較低、適用于檢測粘接組件產(chǎn)品的合格率[8]。

3.3 車用膠粘劑的發(fā)展趨勢

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（包括生產(chǎn)設(shè)備）、合成方法，促使車用膠種不斷增加，目前為順應汽車制造的發(fā)展趨勢（安全舒適、節(jié)能環(huán)保、高性價比），膠粘劑品正在向多功能高性能、綠色環(huán)保的方向發(fā)展，適合汽車使用及工藝性能要求的膠粘劑的研發(fā)和應用范圍將不斷擴大（如水基膠、熱熔膠、高強度結(jié)構(gòu)膠等），這就對車用膠粘劑的性能提出了更高的要求，關(guān)于高品質(zhì)性能的汽車膠粘劑方面的研究已取得多方面成果，如點焊密封膠、補強減振膠帶、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，車用膠粘劑的發(fā)展趨勢主要表現(xiàn)在：無毒無污染不燃且初粘性較佳的水基膠和熱熔膠，兼顧制造成本和車身質(zhì)量的塑溶膠（工藝適應性較寬，如PVC類焊縫膠和抗石擊涂料），適應特定工藝、使用要求的汽車專用膠等，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，無污染的水性膠（不含有機溶劑，可用于復合薄膜、汽車內(nèi)飾件等、汽車車燈、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，應加大水性聚氨酯膠粘劑、反應性熔膠、液體反應PU膠、風擋玻璃粘接封膠、交聯(lián)固化劑、觸變劑等的開發(fā)力度;易固化、無污染的熱熔膠適合于連續(xù)化生產(chǎn)[9]。

4 結(jié)語

在追求節(jié)能環(huán)保及汽車輕量化發(fā)展的大背景下，汽車生產(chǎn)企業(yè)對車用膠粘劑的重視和認可程度不斷提高，膠粘劑成為焊接和鉚接技術(shù)的重要補充，在降低能耗及車身質(zhì)量方面發(fā)揮出了重要作用，目前市面上的車用膠粘劑種類較多，需以汽車不同組件的粘接要求為依據(jù)合理使用膠粘劑，并可通過適當?shù)哪z粘劑改性以滿足多樣化的使用要求，進而更好的滿足現(xiàn)代汽車的生產(chǎn)發(fā)展需求。文中主要介紹了車用膠粘劑的種類、應用范圍及性能指標，闡述了未來發(fā)展趨勢，以期為充分發(fā)揮不同車用膠粘劑的作用提供參考。

參考文獻

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