風擋玻璃維修用PUR安全駛離限制性條件分析

李忠經，羅 茜，鐘 天，詹 鋒

（廣東普賽達密封粘膠有限公司，廣東 東莞 523600）

風擋玻璃維修用PUR安全駛離限制性條件分析

李忠經，羅 茜，鐘 天，詹 鋒

（廣東普賽達密封粘膠有限公司，廣東 東莞 523600）

以自制濕固化型聚氨酯熱熔膠（PUR）為研究對象，通過對前風擋玻璃膠粘劑進行受力分析，考查了PUR聚氨酯熱熔膠在不同養護溫度、不同養護時間條件下的初始粘接強度和初始剪切強度的變化規律，綜合分析了安全駛離限制性條件。結果表明：當溫度T≤-10 ℃時，汽車前風擋玻璃維修后在0.5 h即達到快速安全駛離要求。

濕固化型；聚氨酯；熱熔膠；風擋玻璃維修；快速安全駛離

聚氨酯膠粘劑是汽車風擋玻璃安裝的最好粘接材料，世界95%的汽車風擋玻璃均采用單組分濕氣固化聚氨酯膠粘劑[1，2]。隨著社會經濟的飛速發展，人們對快速裝配及汽車維修快速安全駛離要求越來越高。普通單組分濕氣固化聚氨酯膠粘劑的性能受環境影響較大，尤其是低溫下體系反應活性較低，初始粘接強度較小，安全駛離時間太長，已無法滿足社會需求[3，4]。濕固化型聚氨酯熱熔膠（PUR）采用加熱施工，分別依靠物理結晶和化學交聯固化2種方式實現快速定位并形成最終粘接強度，其兼具了熱熔型和反應型2類膠粘劑的優點[5，6]。本研究以自制的PUR作為研究對象，通過對前風擋玻璃膠粘劑進行受力分析，重點考查了PUR養護時間、養護溫度對初始粘接強度和初始剪切強度的影響，并確定了PUR用于汽車風擋玻璃維修時達到快速安全駛離的最佳條件。

1 實驗部分

選取自制的PUR作為研究對象，其基本性能（測試前PUR放置于80 ℃烘箱內預熱1 h，然后在標態下進行測試）如表1所示，按照HG/T 4363—2012《汽車車窗用單組分聚氨酯膠粘劑》標準[7]中Ⅰ型產品的性能指標要求進行試驗。

表1 PUR的基本性能Tab.1 Basic performance of PUR

（1）初始粘接強度測試：以尺寸60 mm×25 mm×5 mm的普通浮法玻璃為測試基材（經底涂預處理）制作圖1所示的初始粘接測試試樣，膠粘尺寸為40 mm×10 mm×10 mm。分別在-20、-10、0、10、23 ℃條件下養護0.5、1、2、3、4、5 h后，用高低溫拉力試驗機以50 mm/min的速度拉至破壞（圖1），記錄各養護點最大力F拉，粘接強度δ=F拉/（a×b）（式1），其中，δ為粘接強度（MPa），F拉為破壞荷載（N），a為試件粘接面長度（mm），b為試件粘接面寬度（mm）。

圖1 初始粘接測試示意圖Fig.1 Diagram of initial bonding test

（2）初始剪切強度測試：按照GB/T 7124—1986《膠粘劑拉伸剪切強度測定方法》標準制樣[8]，按照初始粘接強度測試條件進行試樣養護后，用高低溫拉力試驗機以50 mm/min的速度拉至破壞，記錄各養護條件下最大破壞力F剪，剪切強度τ=F剪/（a×b）（式2），其中，τ為剪切強度（MPa），F剪為破壞荷載（N），a為試件搭接面長度（mm），b為試件搭接面寬度（mm）。

（3）PUR固化情況測試：按照HG/T 4363—2012《汽車車窗玻璃用單組分聚氨酯膠粘劑》標準中固化速度進行測試，分別測試PUR在上述時間點（與初粘粘接強度時間間隔一致）的固化情況。

（4）DSC曲線測定：采用德國Netzsch公司的Perkirr Elmer型差示掃描量熱儀在N2氣氛下測試PUR的DSC曲線（升溫速率為10 K/min）。

2 結果與分析

2.1 前擋玻璃膠粘劑受力分析

以小型汽車前擋玻璃維修為例，安裝維修后以行駛速度為V0進行正面碰撞障礙物，時間t后停止，速度Vt=0，設汽車前進方向為正方向，且假定駕駛員受到的阻力完全由前擋玻璃提供，以前擋玻璃與駕駛員作為整體研究對象，總質量為m（kg），根據沖量公式I=F·t=mVt-mV0，由于Vt=0，F=-mV0/t，方向與前進方向相反；同樣以前擋玻璃和駕駛員作為研究對象，前擋玻璃與水平面形成的夾角為θ，受到水平方向力為F，受到垂直向下重力為G ，其受力分析如圖2所示，受到垂直斜面向下拉力F拉= F·sinθ-mg·cosθ=mV0/ t·sinθ+mg·cosθ（式3）；受到沿斜面向上剪切力為F剪=mg·sinθ+ F·cosθ= mg·sinθ+mV0/t·cosθ（式4） 。通過公式1～4可計算出前擋玻璃受到的相對最大粘接強度δmax和相對最大剪切強度τmax。

圖2 前擋玻璃受力分析Fig.2 Forcing analysis of front windscreen

假設某小汽車前擋玻璃質量m1為12kg，駕駛員質量m2為60 kg，g取10N/kg，汽車初始速度V0為48k m/h（即V0=1 3.3m/s），水平正面碰撞障礙物，在時間t為0.15 s[9]時停止運動（Vt=0），前擋玻璃與水平面的夾角θ為30°，前擋玻璃與車框的粘接長度a為4 3 0 0 m m，粘接寬度b為1 0 m m，代入式2可得δmax=0.0 6 MPa，代入式3可得τmax=0.14 MPa。

2.2 初始粘接強度性能分析

圖3為養護時間與初始粘接強度的關系。由圖3可知，同一養護溫度下，養護時間與初始粘接強度成正比。養護溫度低于PUR結晶溫度（見圖4，T=13.6 ℃）時，隨養護時間延長，初始粘接強度變化不大；養護溫度高于PUR結晶溫度時（如23 ℃），隨養護時間的延長初始粘接強度變化相對最大，由0.11 MPa變化至0.57 MPa，增加了418.18%。其原因可能是，養護溫度低于PUR結晶溫度時，初始粘接強度主要靠聚合物結晶產生的內聚力；養護溫度高于PUR結晶溫度時，PUR結晶能力消失，初始粘接強度主要來自其交聯固化的厚度，而在短時間內其交聯固化的厚度較薄（見表2），養護時間越長，PUR交聯固化厚度越大，初始粘接強度變化也大。由圖3還可以看出，同一養護時間下，養護溫度越低，初始粘接強度越大，在-20 ℃養護0.5 h時，PUR初始粘接強度可達到0.38 MPa，隨著養護溫度的提高，初始粘接強度開始減小，其原因是溫度越低，PUR交聯固化越慢，短時間內PUR從較高溫度快速冷卻，結晶速度加快，高聚物鏈段收縮較快，晶體緊密堆砌程度增大，體積收縮較快，內聚力變得越大。

圖3 養護時間與初始粘接強度的關系Fig.3 Relationship between curing time and initial bonding strength

圖4 PUR的DSC曲線Fig.4 DSC curve of PUR

表2 PUR不同溫度5 h內的固化情況Tab.2 Curing behavior of PUR at different temperatures during 5 h

從圖3還可看出，養護時間t＜2 h時，初始粘接強度隨養護溫度的升高而降低，養護時間t≥2 h時，隨養護溫度升高，初始粘接強度先減小后增大。其原因可能是養護溫度升高，PUR的結晶度逐漸減小，初始粘接強度下降，隨著養護時間的增加，PUR逐漸交聯固化。當養護時間t≤2 h時，PUR交聯固化的厚度較薄（見表2），PUR結晶度減小對初始粘接強度下降影響遠大于PUR交聯固化產生的初始粘接強度；當養護時間t≥2 h后， PUR交聯固化厚度逐漸增大，初始粘接強度主要與PUR交聯固化厚度有關，故初始粘接強度逐漸增大。綜上所述，在-20～23 ℃下，PUR在0.5 h即可達到快速安全駛離的相對最大粘接強度（δmax=0.06 MPa）。

2.3 初始剪切強度的性能分析

由圖5可知：初始剪切強度隨養護時間和養護溫度的變化規律與初始粘接強度基本一致。通過與初始粘接強度對比可知，初始剪切強度在相同條件下比初始粘接強度數值約小一半。這是由于PUR未固化時為鏈式結構，并非交聯網狀結構，故剪切力比粘接力更容易使PUR鏈斷裂。當溫度T≤-10 ℃時，PUR在0.5 h即可達到快速安全駛離的相對最大剪切強度（τmax=0.14 MPa）；當溫度在-10 ℃＜T≤0 ℃時，PUR在4.0 h后即能達到快速安全駛離的相對最大剪切強度；當溫度在0 ℃＜T＜23 ℃時，PUR在2.0 h內無法達到快速安全駛離的相對最大剪切強度；當溫度T≥23 ℃時，PUR能在2.0 h即可達到快速安全駛離的相對最大剪切強度（τmax=0.14 MPa）。

圖5 養護時間與初始剪切強度的關系Fig.5 Relationship between curing time and initial shearing strength

2.4 安全駛離條件綜合分析

綜合初始粘接強度和初始剪切強度確定安全駛離時間列于表3。由表3可知：當溫度T≤-10 ℃，安全駛離的時間為0.5 h；當溫度-10 ℃＜T≤0 ℃時，其安全駛離時間為0.5～4.0 h；當溫度為0 ℃＜T≤10 ℃，安全駛離時間t＞4 h；當溫度10 ℃＜T＜23 ℃時，在2.0 h內無法達到安全駛離；當溫度T≥23℃，安全駛離時間為2.0 h。由此可見，PUR特別適用于低溫條件下（≤-10 ℃）要求快速駛離的風擋玻璃維修，安全駛離時間為0.5 h。

表3 綜合安全駛離時間對比表Tab.3 Comparison table of comprehensive safely driving away time

3 結論

（1）理論分析了小汽車正面碰撞前風擋玻璃受力情況，并估算出相對最大粘接強度δmax=0.06 MPa和相對最大剪切強度τmax=0.14 MPa；

（2）通過對PUR初始粘接強度和初始剪切強度性能分析，同一養護溫度下，初始粘接強度與養護時間成正比；當養護時間t＜2 h時，初始粘接強度隨養護溫度的升高而降低，當養護時間t≥2 h時，隨養護溫度升高，初始粘接強度先減小后增大，初始剪切強度隨養護時間和養護溫度的變化規律與初始粘接強度基本一致。

（3）通過對PUR安全駛離條件綜合分析，得出PUR特別適用于低溫條件下（≤-10 ℃）要求快速駛離的風擋玻璃維修，安全駛離時間為0.5 h。

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[3]祝愛蘭,顧慶鋒,蔡真,等.反應性聚氨酯熱熔膠的研究和應用進展[J].上海化工,2006,31(9):27-32.

[4]付緒兵,楊桂生,趙興科,等.我國濕固化聚氨酯熱熔膠的研究現狀和趨勢[J].化學與黏合,2014,36(3) :207-210.

[5]詹中賢.汽車內飾用反應型聚氨酯熱熔膠的研制[J].聚氨酯工業,2008,23(6):25-28.

[6]侯振龍,朱長春,張玉清.單組分濕固化聚氨酯熱熔膠的研究及應用[J].化學推進劑與高分子材料,2006,4(1):16-20.

[7]全國膠粘劑標準化技術委員會.HG/T 4363-2012汽車車窗玻璃用單組份聚氨酯膠粘劑[S].北京:化學工業出版社,2013.

[8]全國膠粘劑標準化技術委員會.GB 7124-86膠粘劑拉伸剪切強度測定方法[S].北京:中國標準出版社,2008.

[9]Prepared By The OFFICE VEHICLE SAFETY RESEARCH.UPDATED RECIEW OF PPTENTIAL TEST PROCEDURES FOR FMVSS 208[S].UNITED STATES O F AMERICA:Office of Vehicle Safety Compliance,1999.

Analysis of restrictive factors of fast driving away for windscreen with maintaining PUR

LI Zhong-jing, LUO Xi, ZHONG Tian, ZHAN Feng
(Guangdong pustar adhesives&sealants Co., Ltd., Dongguan, Guangdong 523600, China)

In this paper,.the self-made moisture-curable hot melt polyurethane adhesive(PUR) is the study object. The forcing analysis of the front windscreen adhesive was carried out, then the change regularities of initial bonding strength and initial shearing strength of polyurethane hot melt adhesive under different curing temperature and curing time were investigated and the restrictive factors of fast driving away for windscreen maintaining with PUR were synthetically analysized. The results show that when the temperature is ≤-10℃, the safely driving away time for the automobile front windscreen after repairing is 0.5 h.

moisture curable; polyurethane; hot melt adhesive; windscreen maintaining;fast safe driving away

TQ436+.4

A

1001-5922（2016）09-0058-04

膠粘劑生產原材料、配方、專家、教授資料咨詢

2016-04-06

李忠經（1991-），男，主要從事聚氨酯密封膠應用技術的研究。E-mail：s002@pustar.com。

無錫誠信印刷包裝新材料應用研究所收集了國內外膠粘劑研究專家、教授詳細資料，也可為膠粘劑生產單位提供所需原材料、配方等資料，若有需求可撥打電話：0710-3820811或021-57747887咨詢。