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汽车轻量化:快速、坚固地粘结

文章出处:网络责任编辑:管理员人气:发表时间:2015-06-19【

降低车辆重量,从而减少燃油消耗和二氧化碳排放这一目标,通过各种不同材料的混合使用已经基本上实现了。现代轻型车辆在制造中因此融合了各种各样的材料,如高强度及超高强度钢、压铸铝、结构板、CFRP(碳纤维增强塑料)、GFRP(玻纤增强塑料)或SMC(片状模塑料)。金属基材主要用于车辆生产过程中车身的制造阶段,而极为轻巧的镁板材也会在未来扮演自己的角色。

玻璃纤维增强复合材料,如GRP,基于它们当前热稳定的局限性,主要用于整车组装阶段。未来的材料,如CRP ,甚至能在阴极浸涂( CDC )炉条件下具有热稳定性。这两种产品需要采用不同的粘结工艺。在车身制造中,一般会使用特别增韧的环氧树脂类结构胶。而在整车装配中,为了粘结纤维增强复合材料,则会用到单组份或双组分聚氨酯(PU)结构胶,有的时候也会采用双组分环氧树脂系统。胶可以按照属性,如模量、断裂伸长率、断裂强度、硬化时间等进行分类。

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双组分聚氨酯胶以高模量稳定性、以及不同温度条件下静态和动态强度高为特征。同时兼具不同可粘结时间和快速硬化的特性,使组装和维修工作获得了最大的自由度。硬化慢的胶粘剂适用于大型部件的组装,包括手工装配。而另一方面,快速硬化的胶粘剂几乎可以用于立即加工,帮助汽车制造商完成快速组装过程。这种胶粘剂也可以通过预处理系统(如底涂剂、活化剂)的协助 ,使它们能够粘结难以结合的复合材料。市场上还有在加热条件下快速硬化的特殊封装单组分聚氨酯胶粘剂,可用于实际的涂装工艺。针对这些需求,位于德国施瓦尔巴赫的陶氏汽车(德国)有限公司,先后开发了适用的材料和技术,如Betaprime系列带底涂剂的预处理系统和Betawipe系列带活化剂的预处理系统。

Betamate和Betaforce是汽车轻量化建造中用于产品粘结的具有不同化学性质的结构胶。

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本文描述了不同聚氨酯结构胶体系的机械性能和一系列粘结复合材料的产品,呈现了汽车组装过程中复合材料粘结用结构胶的使用状况。

有或没有底涂剂

在汽车组装过程中粘结部件时,双组分聚氨酯结构胶比较合适。这种胶可以加工成具有不同模量和断裂伸长率。表1列出了两种硬化率不同、弹性模量有低有高的双组分聚氨酯结构胶的性能曲线。



对于结构性粘合,市场上有弹性模量和断裂伸长率相对较高的胶可供。高模量源自于胶所具有的较强交联和聚合物软、硬部分取得的较好平衡,这样就获得了高伸长率条件下相对较高的静态强度。由于所施加的1~5 mm的胶厚一般高于汽车车身制造中所用的环氧树脂结构胶,这种胶本身会在机械负载下吸收能量。与涂层金属基材或复合材料等不同表面的粘结状况一般都非常好,必要时还可以通过底涂剂预处理或通过使用表面活化剂进行优化。 本文来自123

陶氏已经开发出可以与不同材料,如SMC或CRP粘结的胶粘剂,作为传统复合材料用胶粘剂系统的替代品,用于涂装未经底涂剂处理的金属基材。这种新一代胶粘系统以在更宽的温度范围内、具有更高的模量和强度稳定性为特征。由于温度升高而造成的模量损失要比传统产品温和许多。

这些胶经过催化,可以对可粘结时间和反应性进行多种调节,从而使得粘结时间可以按照需要进行缩短或延长。

高强度双组分聚氨酯胶

新型高强度双组分聚氨酯技术特别适用于粘结CRP。碳纤维增强塑料用于挡板或车顶棚模块化组件制造过程的后期阶段。但是,许多汽车制造商也将之考虑为车身制造中的增强材料,有时候会作为完整的解决方案用于此处。当热塑性塑料如聚酰胺被作为基材用于强度要求较低的产品时,环氧树脂被用作聚酯基材,作超高强度用途。
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对于高强度基材而言,高模量和高断裂伸长的结合使得新的Betaforce技术获得了真正的用武之地,实现了柔韧、高强度粘结解决方案。成本较低的玻纤增强复合材料同样在强度要求较低的产品中得到了广泛的应用。所用的聚合物基体包括环氧树脂、聚酯、聚烯烃(尤其是聚丙烯)以及合适的聚合物混合物,如与聚酰胺的混合物。

对于粘结中等强度的基材而言,低模量或高模量的双组分聚氨酯胶均可采用。一般而言,粘结剂的目的是为了优化加工过程。通常情况下,这可通过快速粘接,迅速达到操作强度以及(但不仅限于)最少的表面处理要求来实现。传统的胶粘剂有的时候包括费时的、成本高昂的基材预处理。这可能是物理性的预处理,如采用等离子,或者在某些情况下,采用有必要进行监测排放和安装萃取系统的偶联剂的化学活性来实现。有了新型高强度Betaforce粘接技术,纤维增强复合材料就能不经预处即得到高强度粘结。

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在不同的碳纤增强塑料材料中,双组分聚氨酯胶经最后硬化,可以达到18 MPa左右的弹性剪切强度值,不管基材是否在物理清洁后经过机械打磨或化学活化。通过采用新的粘结技术改善的基材粘结性能,同样加快了高温条件下的硬化过程。即使强度生成加速,也能消除粘结失效,确保与基材的稳定粘结。如,在高温加速CRP和SMC粘结条件下,只需经过几分钟即可达到粘性断裂模式和2~5MPa强度值。

在90~110°C温度条件下加速硬化。加热方式为连续炉工艺、感应、微波或红外技术。通过Betawipe和Betaprime预处理解决方案可以实现粘结,甚至可以粘结难以粘结的表面,如聚烯烃(经过火焰处理或适当的物理预处理方法后)或未涂层金属(钢、铝)等。高强度胶最好与非成膜活化剂混合,中等强度胶与成膜耦合剂混用。通过上述的预处理方法,可以进一步拓展混合结构的设计选择。使用专为改善基材粘结而开发的Betawipe活化剂,可以在保持粘性断裂模式的同时,极大加快粘结过程。

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半结构件粘结

此处讨论的低模量双组分胶非常适合组装生产线中半结构件的粘结。特殊的高温活化剂使得这种胶可以在热的作用下很快发生交联。这种胶可以理想地用于粘结厚度为1~5mm的厚膜。在粘结这种膜厚时,大多数介入的机械能都被胶本身吸收,从而导致粘性断裂失效。这种胶具有多种优势,1:1比例混合后,可以用于连续胶层材料,以及用于标准双组分胶枪的圆筒部分。如果连续胶层材料出现了问题,作为一种应急处理手段,可以直接从圆筒施胶。

胶厚为2mm时,高达11MPa的拉伸剪切强度会导致基材与RTM CRP的部分脱胶。与标准SMC的粘结通常会造成基材完全失去这些剪切强度。

23°C、50 % RH条件下,静态混合胶的可粘结时间根据胶的不同,可以为5~35分钟。对于快速硬化的胶,可粘结时间一般是5~10分钟。这些时间包括可以确保基材粘结以及仍然可以挤出胶珠的最有可能的时间。生产线中使用时,这种可粘结时间使胶有足够的时间可以通过机器人施加到各种部件上,还可以通过动态混合头施胶。此时,可粘结时间很大程度上取决于材料的流动性、速度和混合温度等参数。如果标准气候条件下的反应性不够,这种双组分胶可以通过感应炉或红外炉加热的方式加速硬化,这样,可以达到1MPa的拉伸剪切强度。拉伸剪切强度可以在部件加热2分钟至80 ~100°C 后立即测试。2分钟之内测得胶体温度达到80~100°C,加热之后立即测量拉伸剪切强度。
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图1为未经加速硬化处理和加热后两分钟测得的、按照时间变化用剪切强度值衡量的CRP/CRP(25 ×?10 ×?2 mm3)的硬化速率。在加热过程中,温度达到了80~100°C,同时还可以看到,加速硬化后强度值立即达到了1.4MPa。

在标准气候条件下,两小时后没有达到该拉伸剪切强度值。但是在加速条件下,1小时候即测得了达3.5MPa。样本储存于室温条件下,强度仅为0.7 MPa。三天后,采用加速胶黏剂,达到了最终强度10.5MPa,而未经加热反应的样本,在7天后方达到该强度。


图2为不同反应状态的胶的硬化曲线对比。约40分钟后,快固胶达到了必须的0.3MPa的操作强度。

为了达到理想的粘结和粘性断裂状态,陶氏开发出了多种Betawipe活化剂,可确保加速粘结中的快速粘结。可以通过多种方式使用这些活化剂,如机器人控制喷射或者手工施加。根据施加的质量,流平时间为20秒~1分钟,此后,部件必须在72小时内粘结。除了这种特别针对生产线的快速方法外,还开发出了可粘结时间更长的胶。这些胶用于非常大或复杂的部件之间的相互粘结或从胶筒直接施加的胶。供产品的可粘结时间范围为10~35分钟,但也有可能达到60分钟。 123456

中等硬化速度的胶需要1小时达到上述效果。慢硬化胶用紧固件不能在6小时之内取下,后一种胶的优势为工作时间可以长达35分钟。

单组分和胶囊胶粘剂

一种新开发的胶囊型聚氨酯混合胶在加热条件下迅速硬化,冷却后迅速生成强度。反应温度范围为85 ~140°C。不管采用何种热源,最可能的温度是160°C。可以选用感应加热器或炉加热。大约50秒的感应时间应该足够。

胶的常规性能如模量、断裂伸长和玻璃转化温度可以按照要求专门进行调整,这种技术的特点是阴极浸涂(CDC)表面、预处理过的热塑性表面和CRP具有普遍良好的粘附性。在某种程度上,这种配方可用于特定的基材。特殊预处理需要取决于表面的质量。这种技术具有高静态强度和极高的动态强度,在持续使用中显示了出色的可靠性。可以达到的弹性模量约为30MPa 、拉伸强度约为35MPa,断裂伸长约为300%。 copyright 123456

结论

对于纤维增强复合材料的粘结,用于组装生产线和维修的不同反应性和强度的单组分、双组分结构胶已经开发出来。这些聚亚氨酯类胶不需要通过底涂剂或活化剂即可以与各自的基材形成良好的结合力,获得10~300 MPa的弹性模量。根据模量的不同,静态强度如拉伸剪切强度介于8~16MPa之间。达到如此高的静态强度,以至于热塑性塑料树脂基材甚至会在负载的情况下脱层。作为一种替代方案,开发了经加热后可快速硬化,并可以达到相近模量和强度的特种单组份PU系统。 
 

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