双组分聚氨酯胶粘剂在汽车塑料上的应用

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+EPDM-TD20（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。

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。

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PP-LGF40，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。

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。

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0.5～1 cm。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）。

（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）。