汽车用聚氨酯胶粘剂的研究进展

汽车用聚氨酯胶粘剂的研究进展

作者:沈慧芳,陈焕钦

摘要:介绍了几种最常用的聚氨酯胶粘剂,如单组分湿固化聚氨酯挡风玻璃密封胶、粘接ＦＲＰ和ＳＭＣ材料用聚氨酯结构胶粘剂、汽车内饰用水性聚氨酯胶粘剂等在汽车制造和修理上的应用现状及各自的研究进展,展望了汽车用聚氨酯胶粘剂的未来发展前景。

关键词:聚氨酯;胶粘剂;汽车;应用

随着我国汽车工业的快速发展,汽车用胶粘剂和密封胶的市场需求日益加大。新型汽车结构中引入大量的轻质金属、复合材料和塑料,造成汽车用胶粘剂和密封胶持续增长[1,2],汽车内饰件也是胶粘剂用量增长的一个领域。目前我国轿车每辆用胶约20ｋｇ,中型车16ｋｇ,重型车约22ｋｇ。预计2010年,我国汽车工业对各种类型的胶粘剂和密封胶的总需求量将达到10万ｔ,其中聚氨酯胶为1480ｔ。按照胶粘剂的基础材料来分类可分为聚氯乙烯胶、沥青底涂胶、氯丁胶、丁基胶、丁苯胶、聚氨酯胶、环氧胶、丙烯酸酯胶等。聚氨酯胶粘剂有比环氧树脂胶粘剂更优良的韧性、室温固化性和对塑料件更好的粘接性,它的粘接强度高,耐冲击和耐化学品性能好,粘接材料范围广,在汽车等运动工具上的适应性更好。因此聚氨酯胶粘剂已在美、日等国汽车制造中获得了广泛的应用,成为汽车用主要胶种之一。

1 汽车用聚氨酯胶粘剂的特点及主要品种

聚氨酯胶粘剂是多元异氰酸酯和多元醇反应的产物,因其主体树脂分子中含有大量极性基团和活性反应基团,可对多种基材(如金属、塑料、木材、织物、玻璃等)有极好的粘接性,并能常温固化;使用不同原料配制聚氨酯胶粘剂,可以得到从柔软到坚硬的一系列不同硬度的胶粘剂,能满足不同基材粘接和使用条件的要求[3]。聚氨酯胶粘剂还有一些特殊的优点,如极好的耐寒性、耐油性、耐磨性等。在汽车上应用最为广泛的聚氨酯胶粘剂主要有装配挡风玻璃(前挡风玻璃、侧窗和后窗)用单组分湿固化聚氨酯密封胶;粘接玻璃纤维增强塑料(ＦＲＰ)和片状模塑复合材料(ＳＭＣ)的结构胶粘剂、内装件用双组分聚氨酯胶粘剂及水性聚氨酯胶等。

2 挡风玻璃用单组分湿固化聚氨酯密封胶

这是一种反应型密封胶,在其主体材料中含有端异氰酸酯基团,能在室温下与空气中的水分反应,形成高强度弹性体。单组分湿气固化聚氨酯挡风玻璃密封胶是“直接粘接法”最理想的胶粘剂,目前采用“直接粘接法”安装汽车玻璃几乎100%采用这种胶粘剂。使用这种胶,可以把挡风玻璃设计成宽敞明亮的流线型,能将玻璃和车身紧密地结合为一个整体,增强车身刚性及抗扭曲能力,保证密封效果,提高汽车安全性。这种密封胶由美国Ｅｓｓｅｘ化学公司于70年代初期最先开发研制成功,并最早在美国通用汽车公司得到应用。它在先进的汽车生产国应用已经普及。其特点是固化速度快、粘接强度高。

现美国Ｅｓｓｅｘ公司、日本Ｓｕｎｓｔａｒ公司和德国Ｓｉｋａ公司等均有生产。这类密封胶适用于多孔性表面,对诸如玻璃、金属等非多孔性表面,需与底剂配合使用。最近,国外聚氨酯挡风玻璃密封胶已出现了无底剂型新产品,瑞士ＥＭＳＴＯＧＯ公司的Ｔｏｇｏｃｏｌｌｆ502挡风玻璃胶已取消漆面底剂,使用中只需配备玻璃底剂,从而简化了操作工艺。

在过去相当长的一段时间内,我国汽车制造业一直从国外进口聚氨酯挡风玻璃胶,直到“八五”期间,研制开发这种胶才被列入国家重点科技攻关项目。为此,国内相关单位积极开发研制,如长春汽车材料研究所与吉林省华祥实业公司合作研制的汽车挡风玻璃胶立足国内原料和设备条件,以聚醚多元醇和多异氰酸酯为原料,加入改性剂ＰＢ,采用特殊的合成工艺,得到的产品主要技术指标达到国外公司同类产品水平。原山东化工厂从欧洲引进了该胶的生产技术,生产的ＡＭ140单组分无溶剂聚氨酯挡风玻璃胶,已经迅速占领了中国的客车市场。深圳奥博胶粘剂化工有限公司采用国产原料和独特的合成配方和工艺,其产品的物理力学性能和工艺性能达到德国大众(ＴＬＶＷ52280)标准。

目前,奥博公司的3种系列产品已开始在国内多家汽车厂得到应用。目前我国开发的产品在技术和质量上与国外尚有一定的差距,产品多用于高档客车。中国的轿车生产线还基本被国外同类产品占领着。我国的奥迪、切诺基、富康、小红旗、桑塔纳2000型及夏利轿车均采用聚氨酯挡风玻璃胶来装配玻璃,单车用量平均为800～1000ｍＬ。因此,进一步提高产品的性能,占领中国的轿车市场是当务之急,开发单组分湿固化瞬时定位型聚氨酯挡风玻璃胶应是下一步努力的方向。

3 ＦＲＰ、ＳＭＣ材料用聚氨酯结构胶粘剂

由于汽车工业的发展要求汽车构件轻量化,近年来,采用轻质高强度的工程塑料代替钢板的技术发展很快,特别是玻璃纤维增强塑料(ＦＲＰ)和片状模塑复合材料(ＳＭＣ)广泛用于汽车上。ＦＲＰ、ＳＭＣ制造的车身面板和外装件(如车身顶蓬、座舱顶盖等)在美国、欧洲和日本相继广泛采用。但ＦＲＰ、ＳＭＣ不能使用传统的焊接技术与车身构架组装,必须采用粘接技术。

ＰＵ结构胶粘剂有单组分和双组分2种,用于汽车结构部件的聚氨酯胶粘剂一般是无溶剂双组分聚氨酯胶粘剂。双组分聚氨酯胶粘剂对各种塑料、橡胶、金属、木材等都有良好的粘接性。对于玻璃、热塑性塑料、热固性塑料及金属涂层等热膨胀系数差异非常大的材料,双组分ＰＵ胶粘剂都具有良好的粘接性能。早在1967年,美国国际收割机(ＩＨ)公司就把双组分聚氨

酯结构胶用于重型卡车的ＳＭＣ发动机罩的粘接。福特汽车公司从1977年开始采用聚氨酯系列胶粘剂粘接小汽车的发动机罩、驾驶室顶、车身板等部件,到1981年该公司安装了完全自动化的用聚氨酯胶粘剂粘接汽车塑料部件的生产线。欧洲自1973年开始在汽车部件的粘接上取得很大的成效。日本20世纪70年代后期从美国引进聚氨酯胶粘剂技术,1984年起应用于丰田汽车公司几种轿车的生产中。

我国双组分聚氨酯结构胶粘剂研发和应用均较晚,大量由国外进口,1997年就进口了约4000ｔ]。为了改变这种现状,国内一些科研机构和生产企业也做了大量工作:如黎明化工研究院研制出双组分室温固化聚氨酯结构胶粘剂ＬＭＪ962,性能达到意大利355牌水平。李志岩等人研制成一种汽车内饰件用双组分聚氨酯粘合剂,可粘合轿车内顶蓬各种材料,完全可以满足ＡＵＤＩ、ＪＥＴＴＡ等轿车内顶蓬自动化流水线生产要求。

4 汽车内饰用水性聚氨酯胶粘剂

水性聚氨酯胶粘剂是指聚氨酯溶于水或分散于水中而形成的胶粘剂。欧洲最早研究开发聚氨酯水分散液体系,在20世纪70年代后形成了几种较为成熟的制备方法,如丙酮法、预聚体分散法、熔融分散法等。20世纪80年代有了应用于皮革涂饰、织物整理、涂料的聚氨酯水分散液,直到90年代才逐渐在汽车内饰件粘接上应用[12]。聚氨酯水分散体的特点是黏度与分子质量无关,无毒、无污染、不可燃,对多种材料有良好的粘合性。大多数水性聚氨酯是线性热塑性聚氨酯,由于其涂膜没有交联,分子质量较低,因而耐水性、耐溶剂性、胶膜强度等性能还较差,必须对其进行改性,以提高其性能[14]。欧洲水性密封胶发展迅速[15],市场每年约需水性聚氨酯粘合剂超过6000ｔ[16]。

在汽车内饰用水性聚氨酯粘合剂研制方面,美国、日本和欧洲仍走在前列。日本Ｓｕｎｓｔａｔ、Ｓｕｎｎｅｘ公司最新研制的单组分和双组分水性聚氨酯胶粘剂已用于汽车内饰。日本三洋化学工业公司开发了用于汽车内饰的离子型水性聚氨酯粘合剂,具有良好的粘接性和贮存稳定性,特别适合于ＰＶＣ基材的粘接。美国ＥｖｏｄｅＴａｎｎｅｒ公司开发了ＥＶ

ＯＴｅｃｈ385系列水性聚氨酯胶粘剂,所粘接的硬质基材为ＡＢＳ、聚丙烯纤维板等,粘接的软质基材包括织物、乙烯基塑料等,具有耐高温、耐水、粘接强度高等性能,用于汽车的仪表板、前车门、后车门和杂物箱等部位[17]。汽车顶蓬胶粘剂用于将软质顶棚材料粘贴到车身顶盖上,增添车内美观。此外,汽车防声、阻尼涂料也已水性化并实际应用。

国内水性聚氨酯粘合剂的应用和研究尚处于起步阶段。黎明化工研究院开发了外交联型阳离子水分散液胶粘剂Ｊ961,可用于ＡＢＳ/尼龙、ＰＶＣ/ＰＥ泡沫、帆布/金属、玻璃钢/ＰＳ泡沫等粘接[12]。晨光研究院、安徽大学、山西化工研究所都相继开展了这方面的研究工作,从产品结构来看,主要是乳液型,水溶性次之,原料多是聚醚型多元醇和ＴＤＩ,制备方法一般是自乳化、羧酸型、阴离子体系[14]。但水性粘合剂应用水平不高,生产厂家不多,且品种单一,尚无大量商品上市。

5 结束语

国内相关企业和研究单位应加快研究步伐,加强国内汽车工业用聚氨酯类胶粘剂的研制开发工作,尤其是单组分湿固化瞬时定位型聚氨酯挡风玻璃胶、ＦＲＰ面板材料用聚氨酯结构胶粘剂、汽车内饰用水性聚氨酯胶粘剂等高性能、高功能的品种[18]。另外,我国适应环保要求的水性聚氨酯胶粘剂、无溶剂型和反应性热熔聚氨酯胶粘剂等正处于研制或小装置试生产阶段。为了顺应全世界范围内限制挥发性有机化合物(ＶＯＣ)环保法规的要求,我国应致力开发环保型聚氨酯胶粘剂。

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