.刘　舒(科拉斯化工技术有限公司,北京市100012)


引　言
近年来,随着中国运输工业的迅猛发展,使用胶粘剂对汽车部件进行粘接和密封也得到了广泛的应用。粘接由于其美观性、方便性和优越的机械力学性能而越来越多应用在汽车上。本文详细描述了汽车工业内的具体案例,分别对汽车部件上的各种胶粘剂的应用情况进行探讨,其中包括结构部件的粘接(美国普莱克斯结构胶)和一些其他部件的密封、固定(美国赛邦公司厌氧密封胶、瞬干胶)等。首先,我们对汽车上的结构粘接进行研究。在这里,我们通过对美国福特轿车保险杠的粘接应用,根据其应用特征,进行一系列的加速老化测试,包括低温冲击和环境改变以及为某知名汽车制造商进行的对机械固定和粘接的剪切拉伸强度和循环疲劳性能的对比,从而能够对胶粘剂在不同应用中的性能有更加全面的认识。同时来证明粘接的部件远比机械固定的部件牢固、持久。

1　目　的
本文旨在阐述在汽车上的结构连接中使用甲基丙烯酸酯胶粘剂所产生的技术效益。在当前应用中,甲基丙烯酸酯所显示出的技术优势包括,能满足自动低温冲击要求;同时与机械固定的点相比,它还具有较好的抗循环疲劳性以及较短的固定时间,从而提高生产进度和产量。

2　技术效益
甲基丙烯酸酯体系同时具有两种优点:粘接强度与韧性,从而将所有属性合为一个单独的高性能体系。先进的甲基丙烯酸酯工艺能带来性能与工艺的优势。这些优势衍生自甲基丙烯酸酯单体及其所具有的固化机理。与早期的丙烯酸不同,由于对粘接控制和增强剂的改进,这些产品性能也得到了明显增强。在ＰＬＥＸＵＳ(普莱克斯)胶粘剂中,增强方法是一种独特的专利“核壳”冲击改性剂,它能提供大多数运输行业中所需要的卓越的冲击与循环疲劳性能。另外,第二代甲基丙烯酸酯产品改善了未固化胶粘剂的流变能力和表面的可涂敷性能。

3　应　用
这一部分总结性地介绍了汽车工业中两个主要的甲基丙烯酸酯胶粘剂应用。第一个应用描述了福特公司所提出的关于ＴＡＵＲＵＳ和ＥＳＣＯＲＴ保险杠的低温冲击性能。而第二个应用是为某知名汽车制造商进行的对机械固定和粘接的剪切拉伸强度和循环疲劳性能的对比。

3.1　福特汽车保险杠
3.1.1　部件
1986年,福特公司新引进了ＴＡＵＲＵＳ/ＳＡＢＬＥ系列汽车,后来成为了历史上最畅销的汽车。该车型大胆采用了全热塑性材料设计的保险杠,用增强的甲基丙烯酸酯胶粘剂将保险杠面板和增强梁进行粘接。请参考图1中保险杠设计和安装保险杠的横截面示意图。对持久性的要求以及加工参数对确定材质和胶粘剂的选用起到重要的作用。当然,保险杠必须与其本身的金属配对物的冲击强度相适应,而且应该在非常低的温度下。此外,福特公司长期的经验使其能描绘出工程对持久性的要求,以及《联邦机动车辆安全标准》中第215条对保险杠所提出的要求。




3.1.2　对耐久性(寿命)的要求
根据经验,福特公司规定对于所使用的胶粘剂与基材体系,在经过下列加速老化测试后必须达到初始强度的80%:88℃条件下1000小时38℃/100%相对湿度条件下1000小时54℃水浸1000小时240次喷盐循环和80次福特热循环福特公司生产的新保险杠使用了一种不同于通用塑料的新塑料—ＸＥＮＯＹ。这种塑料经过设计后具有冲击强度高、可涂性强以及全面的循环性能,因此能满足所有对持久性的要求,故被选用。其中一个明显的对耐久性的要求:粘接部件必须在零下40℃条件下承受8公里/小时的保险杠冲击。对于胶粘剂与ＸＥＮＯＹ塑料而言,在该温度下能否依然保持吸收能量的特性而没有破碎是非常重要的。事实上,ＸＥＮＯＹ保险杠表现良好,所受到的损坏比其金属配件还少。现在,福特公司用增强甲基丙烯酸酯胶粘剂对热塑性塑料保险杠进行粘接的数量达6百万之多,且无一例受损。

3.1.3　现场修补与再循环
随着福特公司保险杠新技术的应用,结构粘接应用领域又提出两种新的要求。第一个是要求胶粘剂体系可以进行现场修补。由于使用了结构粘接的部件一般体积较大或价格较高,能进行现场修补的胶粘剂体系就非常有必要。其次,越来越多的制造商,尤其在汽车工业,都倾向于选用可循环使用的胶粘剂体系。因此越来越多的热塑性胶粘剂被采用,而越来越多的热固性胶粘剂被淘汰。可循环的胶粘剂就意味着它可以重新研磨并直接重铸而无需花费更多的财力、人力和时间来去除胶粘剂。福特公司选用甲基丙烯酸酯胶粘剂体系来粘接热塑性塑料保险杠完全能满足以上两个要求。

3.2　粘接与机械固定点的疲劳对比研究
胶粘剂粘接点的服务寿命很难预测,包括材质与胶粘剂在内的多种因素对部件长期的性能都有影响。除了化学及自然环境,粘接点还必须承受规则的加载-卸载循环。这被称作循环疲劳。这些循环通常频率很高,并且远低于粘接点的破坏强度。该部分对用普莱克斯进行结构粘接的点与机械固定的点进行了对比。由于运输工具在具体环境下通常会经受多次加载、卸载循环,因此对粘接点的循环加载性能进行评价非常重要。该项研究利用某知名运输工具制造商推荐的试样,对胶粘剂疲劳测试的方法及结果进行了说明。所得出的数据对比了粘接部件与机械固定部件的性能。我们相信疲劳测试可以提供实验测试结果与现场性能之间的最大相关性[3]。

3.2.1　试样组装
试样为两张有防腐涂层的钢板。如图2所示。钢板为固定状态,其中57毫米为重叠部分。在机械固定试样中,共有4处固定(2处在上,2处在下);而粘接试样中,粘接线厚度仅为1毫米:




钢板:尺寸:100ｍｍ×114ｍｍ厚度:0.9ｍｍ防锈涂层粘接部件:胶粘剂:普莱克斯ＡＯ420粘接厚度:1ｍｍ机械固定部件:固定孔尺寸:4.8ｍｍ-共4个位置:距离重叠边缘25ｍｍ每类共有30个试样。其中各有15个试样用来进行静态加载测试直到破损,而另15个试样用来进行循环疲劳测试。所有测试在Ｉｎｓｔｒｏｎ8501伺服液压控制加载框中进行。数据处理由ＩｎｓｔｒｏｎＩＸ系列和ＭＡＸ软件完成。

3.2.2　静态性能
进行疲劳测试之前,应先对试样进行静态强度的评估。最后应确定强度以便于明确循环疲劳下应加载的程度。该项研究的结论见表1。从静态数据上看,粘接试样的强度是机械固定试样的两倍。这一点很容易接受,因为机械固定容易引起应力集中从而引起部件的破坏。机械连接的破坏模式基本上是通过固定点承受的材质破坏(金属板在固定点所在的位置断裂)。而粘接可以有效地把所受到的载荷分散在整个粘接面上,从而有效地避免了应力集中———很明显粘接部件的加载要优于机械固定,因此能提供更强更有效的粘接点。测量疲劳持久性常见的方法是ＡＳＴＭＤ3166“拉伸剪切下胶粘剂的疲劳属性”。该测试方法包括以30赫兹(30次循环/秒)的频率对每个试样进行重复加载[4]。从静态数据来看,我们发现胶粘剂粘接的试样破坏时载荷高于机械固定试样。在该例中,每个试样所施加的最大载荷水平为机械固定点的65%在疲劳期间对试样施加拉伸-拉伸载荷,最小的拉伸水平应为6.5%。每个试样所受的拉伸-拉伸载荷介于1,280～12,790Ｎ之间。其目的是为了满足最大150万次循环而无破坏。由于粘接试样所能承受的循环次数已超过150万次,达到目标后测试即结束。静态/动态示例的总结数据,见图3。　




　正如图3所示,不论是强度还是耐久性(寿命),粘接都明显优于机械连接。因此用胶粘剂来代替生产将为整个汽车工业带来极大的成本效益。

4　结　论
由于汽车部件涉及到较大范围的塑料和金属,要找到组装不同材料的合适的方法就变得极具挑战意义。通过本文的福特公司保险杠和某知名汽车制造商进行的对机械固定和粘接的剪切拉伸强度和循环疲劳性能的对比实验,充分论证了对于汽车不同材料部件的连接采用粘接这种工艺的可行性和可靠性,从中我们可以看到结构部件采用粘接来代替传统的机械连接所带来的优点:—与机械固定部件相比,粘接部件上所受的应力分布更加均匀,因此具有更有效的承载能力,连接强度更高,使用寿命更持久;—更美观,给设计人员以更广阔的设计空间;—安装更迅速,更简单;—普莱克斯甲基丙烯酸酯胶粘剂再一次因其可以粘接不同材质的优越性而得到青睐。当使用此类胶粘剂体系时,无需对材质进行表面处理。这些材质包括:带涂层的钢板安装支架、ＡＢＳ、尼龙、玻璃钢以及大量新热塑性塑料;并且普莱克斯甲基丙烯酸酯胶粘剂可以在室温下完成快速粘接,能够极大地降低固定装置和加热装置的成本;同时减少能源浪费和环境污染。