膠粘劑在汽車輕量化中的應用概述

宋現爽，袁井麗，湯湧

（華晨汽車研究院，遼寧 沈陽 110005）

1 汽車輕量化及其技術發展現狀

近年來，人們對節能環保的越來越重視，對于汽車工業而言，有效解決能源危機和環境問題的方法主要有：提升傳動系統效率[1]、改善燃油系統[2]和汽車輕量化[3]。其中，汽車輕量化可以提高汽車的動力性，減少燃油消耗，降低排氣污染，是一種快速有效的方法。統計數據表明，若汽車整車質量降低10%，燃油效率可提高7%左右[4]。輕量化帶來的突出優點不僅是油耗顯著降低，同時還能提升車輛操控穩定性和碰撞安全性能。目前車身輕量化主要技術方案有：優化車身結構、改善車身材質和改善生產技術，如圖1所示。目前，輕量化材料的研發及相關成型工藝逐步成熟，大規模地應用于輕量化車身之上[5]，主要表現在鐵、普通鋼的用量逐漸減少，高強度鋼、鋁合金、鎂合金、塑料及非金屬的復合材料等輕量化材料逐漸廣泛應用于車身上。汽車車身正在經歷著從鋼制車身—鋼鋁混合—鋁制車身的蛻變過程。傳統車身主要是鋼板組成，對應的連接方式主要是點焊連接、鉚接和螺栓連接，點焊連接在同種材料之間的應用已經非常成熟，如鋁材與鋁材之間或鋼材與鋼材之間的連接[6]。輕量化車身所用材料日益呈現出多樣化的趨勢，傳統連接技術應用于異種材料之間具有非常明顯的缺點，尤其非金屬材料之間的連接，傳統連接技術更不易完成。此外，隨著人們對車輛舒適度及聲品質越來越重視，新型安全環保的車身用減震降噪產品的需求也越來越大。因此，應用于汽車輕量化上的膠粘劑的研究日趨重要和迫切。

圖1 車身輕量化方法示例[5]

2 膠粘劑在汽車輕量化中的應用

膠粘劑是一種起連接作用的物質[7]，膠接技術是借助膠粘劑在固體表面上所產生的粘附力，將同種或異種材料牢固地連接在一起的方法，主要用于金屬和非金屬本身或者相互之間的連接、固定和密封。粘接的形式主要有兩種：非結構型和結構型。非結構粘接是指表面粘涂、密封和功能性粘接，典型的非結構膠包括表面粘接用膠黏劑、密封和導電膠黏劑等；結構型粘接是將結構單元用膠黏劑牢固地固定在一起粘接現象，多用于復合材料和金屬材料等連接，既有連接結構，又起到補強作用[8]。采用粘接密封技術，具有一些傳統技術無法替代的優點[9]：無鉆孔引起的應力集中，連接效率高，適宜連接異形、異質、薄壁、復雜的零件；結構輕，抗疲勞、密封、減振及絕緣性好，有阻止裂紋擴展作用，破損安全性好，能獲得光滑氣動外形；不同材料連接無電偶腐蝕問題，工藝簡便、操作容易，可節省能源，因而具有一定的經濟效益[10]，如圖2所示，為結構膠對車身剛度影響。

圖2 結構膠對車身剛度影響[5]

圖3結構膠在車身B柱上的應用[5]

一輛轎車的車身，需要各種連接技術連接的搭邊長度通常可以達到150米至200米的總長度，當然，這也取決于車輛的級別和大小。目前，部分較高端的車型已經開始使用了膠接技術，如新Audi A6L的車身大量使用了結構膠連接技術，寶馬七系中結構膠的使用量已經超過了10kg，Land Rover的前保險杠和尾翼處也大量使用了結構膠，如圖3所示為結構膠在車身B柱上的應用。隨著膠黏劑的不斷應用與發展，其優點被越來越多的人們發現，也為膠接技術在汽車車身上應用提供了更廣闊的前景。下面主要介紹在汽車輕量化中起重要作用的幾種膠黏劑。

2.1 環氧類膠黏劑

環氧類膠黏劑是由環氧樹脂、固化劑、促進劑、改性劑等組成的液態或固態膠黏劑[11]。環氧樹脂膠黏劑本身含有多種極性基團（如羥基-OH和醚基-C-O-C-）和活性很大的環氧基，因而具有較好的黏結性能。當加入固化劑后就發生交聯反應而變成不熔的網狀或體型結構的高聚物，高聚物中產生電磁鍵，使環氧基和表面形成化學鍵，從而使環氧分子和表面之間黏合[12]。樹脂的交聯是通過環氧基或羥基來實現的，固化的歷程主要有2種：用一種反應性的中間介質交聯或用催化均聚使樹脂分子直接偶合[13]。環氧類膠黏劑具有粘接強度高、耐化學介質性好、耐溫性能好、電性能優良、膠層收縮率小、可室溫固化、施工工藝簡單等優點[14]，可作折邊或點焊用膠用于焊裝車間，多應用于車門、發動機艙和頂棚板等位置。此外，環氧類膠黏劑因其良好的耐油性、耐久性以及機械性能應用在汽車粘接和結構增強上，且可以提高車身輕量化。但是，環氧類膠黏劑由于韌性差、易脆，存在著應用上的局限性，需要通過改性方法提高產品的性能，向著高性能化和高功能化方向發展。

2.2 聚氨酯類膠黏劑

聚氨酯類膠粘劑是分子鏈中含有氨酯基（- NHCOO-）和/ 或異氰酸酯基（-NCO）類的膠黏劑[15]。由于含有-NH基和-NCO基，聚氨酯類膠粘劑有高度極性和活性，提高了對各種材料的粘結性，因此對各種金屬和非金屬材料都有較好的粘接強度和較大的韌性。此外它具有良好的耐低溫性能，特別是在超低溫下，粘接強度反而增加，具有很高的反應性，能常溫固化，還有良好的耐溶劑性、耐油性和耐老化性能[14]。新型汽車結構中引入大量的輕質金屬、復合材料和塑料，造成汽車用膠黏劑和密封膠持續增長[16]。在汽車上應用最為廣泛的聚氨酯膠黏劑主要有裝配擋風玻璃用單組分濕固化聚氨酯密封膠，粘接玻璃纖維增強塑料和片狀模塑復合材料的結構膠黏劑，內裝件用雙組分聚氨酯膠黏劑及水性聚氨酯膠等，以及汽車內飾件也是膠黏劑用量增長的一個領域[17]。但是聚氨酯類膠粘劑存在毒性大、耐熱性不好以及固化時間長等缺點，且在環保要求的高度重視下，多功能和高強度性粘接、低VOC、快速固化等將是聚氨酯類膠粘劑未來的發展方向。

2.3 噴涂型水性阻尼類膠粘劑

阻尼涂料也稱減振降噪涂料，是一類由特定功能高分子材料和填料構成的可有效抑制振動和噪聲的特種功能涂料[18]。可噴涂阻尼材料（LASD）是一種環境友好型聲學阻尼材料，無溶劑，VOC低，無化學反應。與傳統的瀝青阻尼材料相比，不僅降噪效果更佳，而且可以降低車身重量和人工成本，多應用于汽車的頂蓋、門板、儀表板、引擎蓋、行李箱蓋、地板、輪罩等部位。LASD涂料主要原料是水性乳液，在固化過程中揮發出來的主要是水分，因此可以大大降低VOC的排放。LASD在施工中目前采用的是機器人自動工藝，需要左右各一個，從車窗處伸入到車內進行噴涂作業，可采用多孔噴涂或者扇面形式噴涂，且與其他工藝如焊縫密封膠同工位施工，提高了生產效率，改善了物流現象。目前應用較多的為環保水性丙烯酸型的LASD材料。為提高阻尼涂料的性能，擴大其使用范圍，綠色環保、寬溫域、寬頻、高復合損耗因子的水性阻尼涂料將會是未來研究的重點。

3 結論

綜上，膠粘劑在汽車強量化中的應用具有很多優點：與焊接、鉚接、螺栓連接相比，能連接不同的材料，如金屬和非金屬、復合材料，提高結構的韌性、耐疲勞性、抗沖擊性和耐腐蝕性；增強汽車結構、緊固防銹、隔熱減振和內外裝飾的作用；代替某些部件的焊接、鉚接等傳統工藝，實現相同或不同材料之間的連接，同時達到減輕重量、降低能耗、簡化組裝工序、提高制品質量和優化產品結構等。

但是國內汽車膠的發展還存在很多問題：同類產品廠家多，特色不強；系列化程度比較差，缺少完全達到國外同類型的高性能產品；產品配套基本上被國外同類產品占領；分析、檢測、研發能力不強或是處于模仿狀態；高素質的科技創新和工程技術人才匱乏；基礎研究幾乎為零；相互間的技術交流為零；評價手段不足，產品質量不夠穩定；有些基礎原材料性能得不到保障，個別原材料還的靠進口；汽車用膠產品尚存在環保問題；缺少有國際競爭力的企業集團，基礎投入少等。此外，安全、舒適、環保、節能、輕量化是未來汽車發展方向，要實現粘接密封耐久必須同時滿足以下三個因素：滿足要求的密封膠產品；密封部位結構合理；持續規范應用工藝。因此粘接也是面臨著很大的挑戰，如表面能低，熱膨脹系數高，電化學腐蝕，電泳強度，電泳匹配性，低氣味、VOC，耐疲勞性等問題。膠粘劑在汽車輕量化中的應用研究依然是任重道遠。

[1] Manzie C, Watson H, Halgamuge S. Fuel economy improvements for urban driving: hybrid vs. intelligent vehicles[J]. Transport Res Part C 2007;15:1–16.

[2] MacLean HL, Lave LB, Lankey R, Joshi S. A life-cycle comparison of alternativeautomobile fuels [J]. Air Waste Manage Assoc.2000,50(10):1769–79.

[3] Helms H, Lambrecht U. The potential contribution of light-weighting to reducetransport energy consumption [J]. Int J Life Cycle Assess 2007;12(1):58–64.

[4] 趙明皞,王成明.汽車輕量化技術的應用及發展趨勢.見:第七屆河南省汽車工程科技學術研討會論文集[C].河南:河南省汽車工程學會,2010,8-11.

[5] 曾俊偉.結構膠在車身安全與輕量化設計中的應用研究[D].湖南:湖南大學機械與運載工程學院,2015.

[6] 常保華,史耀武,董仕節.膠焊技術及其應用[J].焊接技術,1988 (1):9-12.

[7] 翟海潮.工程膠黏劑及其應用[M].北京:化學工業出版社,2017:3.

[8] 楊潔.汽車輕量化技術發展及其對結構膠的需求.見:2017第二屆汽車行業用新材料的應用與發展論壇會議論文集[C].中國汽車工程學會,2017,10-19.

[9] 李金林,余云照主審.膠粘劑技術與應用手冊[M].北京:宇航出版社,1991.

[10] BarnesTA, PashbyIR.Joiningtechni quesforaluminiums paceframes-usedinautomobilesPartIIDadhesivebondingandmechanicalfastener s[J].MaterProcess Technol. 2000, 99:72–9.

[11] 李廣宇,李子東,吉利.環氧樹脂膠粘劑與應用技術[M].北京:化學工業出版社,2007:45-64.

[12] 陳衛東,張鵬云,陳艷麗,顧莉.高性能環氧樹脂膠黏劑研究概況[J].化工科技,2016,24（3）:81-85.

[13] 劉廷棟,王乃昌,徐鑫平.環氧樹脂的固化機理[J].熱固性樹脂,1989(2):38-47.

[14] 石磊,張文棟.膠黏劑粘接900問[M].北京:化學工業出版社,2012:9-13.

[15] 盧鵬.通用型雙組分聚氨酯膠粘劑的研制[J].新疆化工,2004(3):1-3.

[16] 沈慧芳,陳煥欽.汽車用聚氨酯膠粘劑的研究進展[J].粘接,2005,26(1):35-37.

[17] 閻利民,朱長春,宋文生.聚氨酯膠黏劑[J].化學與黏合,2009,31（5）:53-56.

[18] 金焱,王進,楊軍.一種具有高隔聲低密度的水性阻尼涂料及其制備方法:中國,CN200710034794［P］. 2007-04-23.