胶粘剂在汽车轻量化中的应用概述

宋现爽，袁井丽，汤湧

（华晨汽车研究院，辽宁 沈阳 110005）

1 汽车轻量化及其技术发展现状

近年来，人们对节能环保的越来越重视，对于汽车工业而言，有效解决能源危机和环境问题的方法主要有：提升传动系统效率[1]、改善燃油系统[2]和汽车轻量化[3]。其中，汽车轻量化可以提高汽车的动力性，减少燃油消耗，降低排气污染，是一种快速有效的方法。统计数据表明，若汽车整车质量降低10%，燃油效率可提高7%左右[4]。轻量化带来的突出优点不仅是油耗显著降低，同时还能提升车辆操控稳定性和碰撞安全性能。目前车身轻量化主要技术方案有：优化车身结构、改善车身材质和改善生产技术，如图1所示。目前，轻量化材料的研发及相关成型工艺逐步成熟，大规模地应用于轻量化车身之上[5]，主要表现在铁、普通钢的用量逐渐减少，高强度钢、铝合金、镁合金、塑料及非金属的复合材料等轻量化材料逐渐广泛应用于车身上。汽车车身正在经历着从钢制车身—钢铝混合—铝制车身的蜕变过程。传统车身主要是钢板组成，对应的连接方式主要是点焊连接、铆接和螺栓连接，点焊连接在同种材料之间的应用已经非常成熟，如铝材与铝材之间或钢材与钢材之间的连接[6]。轻量化车身所用材料日益呈现出多样化的趋势，传统连接技术应用于异种材料之间具有非常明显的缺点，尤其非金属材料之间的连接，传统连接技术更不易完成。此外，随着人们对车辆舒适度及声品质越来越重视，新型安全环保的车身用减震降噪产品的需求也越来越大。因此，应用于汽车轻量化上的胶粘剂的研究日趋重要和迫切。

图1 车身轻量化方法示例[5]

2 胶粘剂在汽车轻量化中的应用

胶粘剂是一种起连接作用的物质[7]，胶接技术是借助胶粘剂在固体表面上所产生的粘附力，将同种或异种材料牢固地连接在一起的方法，主要用于金属和非金属本身或者相互之间的连接、固定和密封。粘接的形式主要有两种：非结构型和结构型。非结构粘接是指表面粘涂、密封和功能性粘接，典型的非结构胶包括表面粘接用胶黏剂、密封和导电胶黏剂等；结构型粘接是将结构单元用胶黏剂牢固地固定在一起粘接现象，多用于复合材料和金属材料等连接，既有连接结构，又起到补强作用[8]。采用粘接密封技术，具有一些传统技术无法替代的优点[9]：无钻孔引起的应力集中，连接效率高，适宜连接异形、异质、薄壁、复杂的零件；结构轻，抗疲劳、密封、减振及绝缘性好，有阻止裂纹扩展作用，破损安全性好，能获得光滑气动外形；不同材料连接无电偶腐蚀问题，工艺简便、操作容易，可节省能源，因而具有一定的经济效益[10]，如图2所示，为结构胶对车身刚度影响。

图2 结构胶对车身刚度影响[5]

图3结构胶在车身B柱上的应用[5]

一辆轿车的车身，需要各种连接技术连接的搭边长度通常可以达到150米至200米的总长度，当然，这也取决于车辆的级别和大小。目前，部分较高端的车型已经开始使用了胶接技术，如新Audi A6L的车身大量使用了结构胶连接技术，宝马七系中结构胶的使用量已经超过了10kg，Land Rover的前保险杠和尾翼处也大量使用了结构胶，如图3所示为结构胶在车身B柱上的应用。随着胶黏剂的不断应用与发展，其优点被越来越多的人们发现，也为胶接技术在汽车车身上应用提供了更广阔的前景。下面主要介绍在汽车轻量化中起重要作用的几种胶黏剂。

2.1 环氧类胶黏剂

环氧类胶黏剂是由环氧树脂、固化剂、促进剂、改性剂等组成的液态或固态胶黏剂[11]。环氧树脂胶黏剂本身含有多种极性基团（如羟基-OH和醚基-C-O-C-）和活性很大的环氧基，因而具有较好的黏结性能。当加入固化剂后就发生交联反应而变成不熔的网状或体型结构的高聚物，高聚物中产生电磁键，使环氧基和表面形成化学键，从而使环氧分子和表面之间黏合[12]。树脂的交联是通过环氧基或羟基来实现的，固化的历程主要有2种：用一种反应性的中间介质交联或用催化均聚使树脂分子直接偶合[13]。环氧类胶黏剂具有粘接强度高、耐化学介质性好、耐温性能好、电性能优良、胶层收缩率小、可室温固化、施工工艺简单等优点[14]，可作折边或点焊用胶用于焊装车间，多应用于车门、发动机舱和顶棚板等位置。此外，环氧类胶黏剂因其良好的耐油性、耐久性以及机械性能应用在汽车粘接和结构增强上，且可以提高车身轻量化。但是，环氧类胶黏剂由于韧性差、易脆，存在着应用上的局限性，需要通过改性方法提高产品的性能，向着高性能化和高功能化方向发展。

2.2 聚氨酯类胶黏剂

聚氨酯类胶粘剂是分子链中含有氨酯基（- NHCOO-）和/ 或异氰酸酯基（-NCO）类的胶黏剂[15]。由于含有-NH基和-NCO基，聚氨酯类胶粘剂有高度极性和活性，提高了对各种材料的粘结性，因此对各种金属和非金属材料都有较好的粘接强度和较大的韧性。此外它具有良好的耐低温性能，特别是在超低温下，粘接强度反而增加，具有很高的反应性，能常温固化，还有良好的耐溶剂性、耐油性和耐老化性能[14]。新型汽车结构中引入大量的轻质金属、复合材料和塑料，造成汽车用胶黏剂和密封胶持续增长[16]。在汽车上应用最为广泛的聚氨酯胶黏剂主要有装配挡风玻璃用单组分湿固化聚氨酯密封胶，粘接玻璃纤维增强塑料和片状模塑复合材料的结构胶黏剂，内装件用双组分聚氨酯胶黏剂及水性聚氨酯胶等，以及汽车内饰件也是胶黏剂用量增长的一个领域[17]。但是聚氨酯类胶粘剂存在毒性大、耐热性不好以及固化时间长等缺点，且在环保要求的高度重视下，多功能和高强度性粘接、低VOC、快速固化等将是聚氨酯类胶粘剂未来的发展方向。

2.3 喷涂型水性阻尼类胶粘剂

阻尼涂料也称减振降噪涂料，是一类由特定功能高分子材料和填料构成的可有效抑制振动和噪声的特种功能涂料[18]。可喷涂阻尼材料（LASD）是一种环境友好型声学阻尼材料，无溶剂，VOC低，无化学反应。与传统的沥青阻尼材料相比，不仅降噪效果更佳，而且可以降低车身重量和人工成本，多应用于汽车的顶盖、门板、仪表板、引擎盖、行李箱盖、地板、轮罩等部位。LASD涂料主要原料是水性乳液，在固化过程中挥发出来的主要是水分，因此可以大大降低VOC的排放。LASD在施工中目前采用的是机器人自动工艺，需要左右各一个，从车窗处伸入到车内进行喷涂作业，可采用多孔喷涂或者扇面形式喷涂，且与其他工艺如焊缝密封胶同工位施工，提高了生产效率，改善了物流现象。目前应用较多的为环保水性丙烯酸型的LASD材料。为提高阻尼涂料的性能，扩大其使用范围，绿色环保、宽温域、宽频、高复合损耗因子的水性阻尼涂料将会是未来研究的重点。

3 结论

综上，胶粘剂在汽车强量化中的应用具有很多优点：与焊接、铆接、螺栓连接相比，能连接不同的材料，如金属和非金属、复合材料，提高结构的韧性、耐疲劳性、抗冲击性和耐腐蚀性；增强汽车结构、紧固防锈、隔热减振和内外装饰的作用；代替某些部件的焊接、铆接等传统工艺，实现相同或不同材料之间的连接，同时达到减轻重量、降低能耗、简化组装工序、提高制品质量和优化产品结构等。

但是国内汽车胶的发展还存在很多问题：同类产品厂家多，特色不强；系列化程度比较差，缺少完全达到国外同类型的高性能产品；产品配套基本上被国外同类产品占领；分析、检测、研发能力不强或是处于模仿状态；高素质的科技创新和工程技术人才匮乏；基础研究几乎为零；相互间的技术交流为零；评价手段不足，产品质量不够稳定；有些基础原材料性能得不到保障，个别原材料还的靠进口；汽车用胶产品尚存在环保问题；缺少有国际竞争力的企业集团，基础投入少等。此外，安全、舒适、环保、节能、轻量化是未来汽车发展方向，要实现粘接密封耐久必须同时满足以下三个因素：满足要求的密封胶产品；密封部位结构合理；持续规范应用工艺。因此粘接也是面临着很大的挑战，如表面能低，热膨胀系数高，电化学腐蚀，电泳强度，电泳匹配性，低气味、VOC，耐疲劳性等问题。胶粘剂在汽车轻量化中的应用研究依然是任重道远。

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