基于胶粘剂技术在汽车装配中的实现分析

滕文祥

摘要：作为汽车生产不可缺少的一项重要辅助材料，胶粘剂在提高产品结构性能及相关功能方面（包括密封隔热、降噪防锈、减振消音等）起到重要作用，目前市场对汽车的环保节能、安全舒适性能、高性价比等方面的需求不断提高，促使胶粘剂技术在汽车装配中的应用范围不断扩大。本文在介绍了汽车胶粘剂应用范围和性能指标的基础上，阐述了几种常用汽车胶粘剂的种类、特点及应用中存在的问题，介绍了粘接缺陷的具体检测方法，并分析了车用胶粘剂的发展趋势。

关键词：汽车装配;胶粘剂技术;应用范围;性能指标;发展趋势

中图分类号：TQ437;U466

文献标识码：A

文章编号：1001-5922（2020）12-0005-04

0 引言

目前汽车已成为一种不可缺少的交通工具，随着汽车保有量的不断增加，能源消耗和环保问题（尤其是超标排放的CO2）日益突出，各生产企业及学者对汽车轻量化的重视程度不断提高，为满足日益提高的现代汽车轻量化发展要求，兼顾汽车安全和较轻的车身质量，而在引进新材料时为达到更高的使用水平要求材料具备较高的强度（以确保车体连接质量）。作为一项重要车体连接技术，焊接联合其他补充连接技术（以铆接和螺栓连接为主），极易氧化性的铝合金车体构件的焊接难度较大，不同材料间（如碳纤维和镁合金）通常难以使用常规的焊接方式，促使具有较佳力学性能的粘接技术在汽车装配中的应用范围不断扩大，连续分布的粘接处应力在提高汽车抗疲劳、耐冲击性能的同时使汽车外观更加平整光滑。

1 应用范围和性能指标

生产汽车时用到的粘接剂和密封胶构成了车用胶粘剂系，按照可不用途主要可分为五大类胶种，分别用于制造工艺、焊装、涂装、总装发动机、底盘零件。广泛应用到了日常生产生活（包括服装加工、建筑、汽车、轻工、包装、航天航空、机械制造等领域）的胶粘剂具备易于使用、性价比高等特殊功能优势和实用价值，现代高品质汽车产品会应用到数10种胶粘剂，主要用于实现提升构件性能及整车美观性、密封紧固、隔热降噪、防锈减振等功能，同时有效简化了生产工艺和制造流程。不断发展进步的社会经济与科学技术促使性能更加强大的合成胶粘剂快速完善起来，并逐渐替代了机械联结方式，成为发展前景广阔的化工行业。为顺应未来汽车工业的发展需求，开发和应用高品质性能的车用胶粘剂成为行业内的研究热点。应用到汽车生产中的胶粘剂按照不同用途可细分出多类，选用胶粘剂需遵循的主要指标包括：

1）耐介质（包括空气、水、油、酸等）性能，使用胶粘剂的被粘接件大多具备良好的抗空气介质性能（即在空气中的粘接强度较高），但在氣体（注解体）介质中表现出了较大差异的粘接力，需根据实际需要选用耐使用介质的胶粘剂。

2）粘接强度（MPa），指在常温和空气介质中每平方厘米粘合面的破坏力，按照不同受力方向粘接件的破坏强度可将其分为拉伸、剥离、剪切、扭转剪切等强度，需以机械零件位置及受力情况为依据选用相应的强度胶粘剂。

3）耐温性能（固化后的胶层可承受温度），如对于耐温-60℃ - 120℃的胶粘剂，在超过该温度范围后其粘接力会显著降低，需根据胶粘剂的耐温性能选用粘接胶。

4）粘接时的固化时间，指常温下胶粘剂从同胶状到固体胶屋转变过程的耗时，可分为初固时间（承受粘接件的胶层不脱落所需时间）和全固时间（胶层完全固化所需时间，此时粘霎强度和耐介质性能最好），根据初固时间可细分为瞬干胶（仅需几秒或数10s的初固时间，粘接强度和抗介质性能更佳）与慢干胶（可根据不同胶种通过热力吹、烘烤等措施缩短固化时间）2种[1]。

2 车用胶粘剂的种类与应用

2.1 聚氨酯胶粘剂

含氨基甲酸酯基团或异氰酸酯基的胶粘剂统称聚氨酯胶粘剂，具有良好的橡胶特性，耐磨、耐水、耐油、耐溶剂、耐臭氧，主要用于滤芯胶、风窗玻璃胶、结构胶，可同多羟基化合物发生固化反应，可用于粘接热膨胀系数不同的材料，利用其柔韧性及特殊的抗冲击性可用于连接车体表面涂层和涂料以及金属与高分子材料，例如。在汽车总装中的车体部件通过使用聚氨酯胶粘剂实现了低温连接（可达到17MPa的搭接剪切强度），使汽车车体强度得到显著提升（ Pa-padakis等）;为增加车身稳定性，通过对聚氨酯胶粘剂进行增韧，有效兼顾了流动性和黏合强度（Kim等）[1]。近几年随着新材料在汽车上的普及应用（包括轻质金属、复合材料等）促使车用胶粘剂的用量不断增加（尤其是汽车内饰件），汽车上的钢板逐渐由工程塑料（具备轻质强度高的优势）代替，SMC和FRP（片状模塑复合材料和玻璃纤维增强塑料，主要用于制造车身面板和外装件）较为常用，但这2种工程塑料同车身构架间的组装须采用粘接技术（传统焊接技术并不适用）。聚氨酯胶粘剂同含有活泼氢的多孔材料（包括泡沫塑料、木材、织物、陶瓷等）和表面光洁的材料（包括玻璃、金属、橡胶等）间的化学粘接力较好，使粘接更加牢固。通过对固化后的分子进行调节可实现不同胶粘剂（不同硬度和伸长率）的获取，并可根据实际需要调节其粘合层（从柔性到刚性）。可室温和加热固化（提高胶粘剂强度）的聚氨酯胶粘剂简化了汽车的粘接工艺、易于操作。聚氨酯胶粘剂在汽车上的具体应用包括：风窗玻璃胶（密封胶），通常使用单组分湿气固化聚氨酯密封胶（NCO含量约为2% - 10%，固化后为聚氨酯一聚脲结构的胶层）固定和密封车身和风窗玻璃，该密封胶中含有活泼的NCO基团在接触空气时同其中的水分发生反应，粘结时可与基材表面的活性氢基团（羟基等）及其吸收的水反应生成脲键结构。聚酯多元醇主链由极性和内聚能较大的-COO-键构成，具备较强的粘结力、耐高温/油性，但存在易水解的缺陷（耐水解性较差）。相比于聚酯型聚氨酯，聚氨酯树脂（采用聚醚多元醇合成）主链含有不易水解的醚键（一种柔性链），具有更好的柔软性、耐水解/低温性，但其粘结性和耐高温性较差。因此如何获取综合性能高的聚氨酯胶粘剂成为一项研究热点。同时注意按操作工艺认真操作，通常按照清洁活化、涂底胶、施胶、装配玻璃、固定清理、玻璃密封的顺序进行[2]。

2.2 环氧树脂胶粘剂

作为一种工程胶粘剂主要由环氧树脂基料、填料、固化剂等配制成，几乎无异味，该类胶粘剂因含有粘接性较好的多种官能团（环氧基等）而具备较高的稳定性和耐腐蚀性，易于涂覆，可用于温度较高的环境下，环氧树脂胶粘剂在粘接车身高分子聚合物与复合材料中的应用越来约普遍。通过将液体橡胶等添加到环氧树脂中可使材料连接处的韧性得到有效增强，粘接试样在0.6mm厚的粘接层下具有相对较高的拉伸强度即粘接效果[3]。

2.3 丙烯酸酯胶粘剂

该胶粘剂同染料的相容性更强，具备良好的耐水性、耐热性及耐冲击性，可在室温下固化，在车门防水加工、车身减震阻尼等方面应用较为普遍，对于表面有油污的材料无需预处理即可粘接，并且可使金属和工程塑料的粘接性能得到有效提升。相关研究宁伟通过溶液聚合完成了单组分丙烯酸酯压敏胶的合成，丙烯酸酯的剥离强度在其单体含量为40%以质量比例为6：2：2的甲苯、乙酸己酯、甲醇（80℃下）反应6-7h可达到每25mm为1090g;通过在丙烯酸酯中加入TISMO陶瓷纤维可将使用温度提升至200℃，并使其耐老化性能得到显著提升，进而更好的适应高温环境[4]。

2.4 有机硅胶粘剂

该类胶粘剂的基料多以硅橡胶为主，属于一种线形高分子量弹性体（主链为硅一氧键），以使用方便的室温硫化硅橡胶较为常用，潮湿环境下也可使用，耐氧化和高低温交变。有机硅胶粘剂在密封汽车的车灯电路模块、发动机底壳、变速箱中以及制造与维修汽车零部件（如喇叭等）中应用较多。在车载微电子集成电路中采用有机硅胶进行粘接可使升剪切强度得以有效提（通过适当调整剪切方向实现，可高达9.9MPa），进而提升了集成电路稳定性及安装便利性[5]。

3 车用胶粘剂存在的应用问题及发展趋势

3.1 存在的问题

目前在汽车装配过程中主要涉及到制造工艺用胶（各种压敏胶带等）、车身、内饰（顶棚胶、丁基密封胶带等）、发动机（分别用各类液态密封胶和厌氧胶密封平面与锁固密封螺纹件）、底盘零件（滤清器滤芯胶、刹车蹄片胶、车灯密封胶）5大类胶种，包括点焊密封胶/折边胶/防振胶（车身磷化处理前使用）、指压密封胶、焊缝密封胶、隔热阻尼胶板等。目前国内汽车行业车用胶粘剂品种及应用技术研究均已取得了较佳的进展，但发展较快的国产胶粘剂品种仍难以完全满足现代汽车的使用需求，普遍存在品种不全、部分产品质量稳定性及性能有待提高、依赖进口等方面的不足，缺少系列化、标准化的产品体系，并且所需专用涂胶设备的研制水平相对于胶粘剂开发水平较低，不利于优质胶种的顺利推广和应用[6]。应用车用胶粘剂存在的问题主要包括：

1）环保问题，快速发展的汽车工业及市场需求促使人们对体内环境受到所使用胶粘剂的影响情况的关注度不断提高，部分制造胶粘剂的原材料存在刺激性甚至是毒性，研究发现具有挥发性的氨，氯/醚/硫化物、丙酮等是车用胶粘剂的主要污染物，会给长期处于密闭车厢环境中人员的身体健康带来不同程度的威胁。为了提高环保性能，通过减少使用部分添加剂易限制胶粘剂某方面粘接性能的充分发挥，如具有醚和吗啉官能团的DMDEE有挥发性易污染空气，具有优异的热稳定性，不添加该添加剂会影响粘接过程的固化速率和稳定性。

2）使用不方便，适用期大多较短的双组分室温胶粘剂为防止固化通常需即配即使，且为保证粘接性能必须按一定比例充分均匀混合后使用，而高温胶的固化需在高温条件下保温一定时间，使用不变且耗费能源，增加了汽车装配的加工工序、生产消耗及生产成本;易氧化是大部分车用胶粘剂具有的特点，保质期较短，通常需存放在低温避光的苛刻环境下，限制了其在汽车加工企业中的批量使用。

3）胶粘剂存在的性能缺陷：①对水和高温较为敏感的聚氨酯胶粘剂不耐强酸和强碱，易产生气泡缺陷的胶层（固化后）则限制了粘接效果的发挥;②使用便利性较差的环氧树脂胶粘剂（属于室温固化胶，易于固化）需配置完后立即使用，使用过程较耗能的高温胶的固化物通常偏脆且抗剥离、抗冲击性能较差（尤其是在没有增韧时）;③单组分使用操作较为简单便利的丙烯酸酯胶粘剂存在双组分使用较麻烦的缺点，而市面上的单组分胶粘剂虽固化速率快但普遍存在刺激气味、易挥发性、使用成本高的不足，并且其放热激烈的反应过程不适合大面积（间隙）的粘接和灌封;④常用的包括硅橡胶等在内的有机硅胶粘剂的热稳定性较好、耐紫外线，但易磨损、耐油性差（力学性能一般）、粘接强度不高[7]。

3.2 胶粘组件的检测方式

在检测粘接组件的安全性时所使用的组件强度检测方法在对接头强弱进行分析时，通常以接头剪切强度及缺口的断裂力学特征为依据，非破坏性质量检测逐渐成为检测粘接组件胶层缺陷的主流方法，通过主动热成像技术（以超声波感应和光激发热流为主）的使用完成粘接处缺陷的检测（残余空气、孔隙、不均匀粘接层等）。在被粘接组件的厚度或热导率的差异较大的情况下会限制主动热成像技术的检测性能，为此通过使用感应激发热成像技术（Srajbr等）激发出的感应脉冲完成对红外光谱变化情况的记录，提高粘接组件缺陷的检测质量。这2种无损检测方式成本较低、适用于检测粘接组件产品的合格率[8]。

3.3 车用胶粘剂的发展趋势

不断发展创新的化工业丰富了胶粘剂的原材料种类（包括生产设备）、合成方法，促使车用胶种不断增加，目前为顺应汽车制造的发展趋势（安全舒适、节能环保、高性价比），胶粘剂品正在向多功能高性能、绿色环保的方向发展，适合汽车使用及工艺性能要求的胶粘剂的研发和应用范围将不断扩大（如水基胶、热熔胶、高强度结构胶等），这就对车用胶粘剂的性能提出了更高的要求，关于高品质性能的汽车胶粘剂方面的研究已取得多方面成果，如点焊密封胶、补强减振胶带、水基顶棚胶（双组分喷涂型）、单组份聚氨酯玻璃胶（湿气固化型）、耐油硅酮密封胶、微胶囊厌氧胶等，车用胶粘剂的发展趋势主要表现在：无毒无污染不燃且初粘性较佳的水基胶和热熔胶，兼顾制造成本和车身质量的塑溶胶（工艺适应性较宽，如PVC类焊缝胶和抗石击涂料），适应特定工艺、使用要求的汽车专用胶等，环保型胶粘剂成为主流，为满足多样性的产品质量和性能需求，胶粘剂生产向上规模的企业集中，无污染的水性胶（不含有机溶剂，可用于复合薄膜、汽车内饰件等、汽车车灯、零部件、塑料件等）作为环保型胶粘剂表现出了广阔的发展前景，应加大水性聚氨酯胶粘剂、反应性熔胶、液体反应PU胶、风挡玻璃粘接封胶、交联固化剂、触变剂等的开发力度;易固化、无污染的热熔胶适合于连续化生产[9]。

4 结语

在追求节能环保及汽车轻量化发展的大背景下，汽车生产企业对车用胶粘剂的重视和认可程度不断提高，胶粘剂成为焊接和铆接技术的重要补充，在降低能耗及车身质量方面发挥出了重要作用，目前市面上的车用胶粘剂种类较多，需以汽车不同组件的粘接要求為依据合理使用胶粘剂，并可通过适当的胶粘剂改性以满足多样化的使用要求，进而更好的满足现代汽车的生产发展需求。文中主要介绍了车用胶粘剂的种类、应用范围及性能指标，阐述了未来发展趋势，以期为充分发挥不同车用胶粘剂的作用提供参考。

参考文献

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