有機(jī)硅膠黏劑在汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)控制模塊上的應(yīng)用及研究進(jìn)展

魏靜

德?tīng)柛Ｅ煽穗姎庀到y(tǒng)有限公司 （上海 201814）

隨著近年來(lái)汽車(chē)工業(yè)的大力發(fā)展，私家車(chē)已迅速進(jìn)入國(guó)民家庭，中國(guó)汽車(chē)市場(chǎng)發(fā)展迅猛，年產(chǎn)量由2001年的234萬(wàn)輛增長(zhǎng)到2017年的2901萬(wàn)輛，年平均增速約為18.0%；產(chǎn)量占全球產(chǎn)量的比例也由2001年的5%上升至2017年的29.6%。自2009年以來(lái)，中國(guó)連續(xù)9年位居全球汽車(chē)產(chǎn)銷(xiāo)規(guī)模首位[1]。未來(lái)幾年，隨著新興市場(chǎng)國(guó)家汽車(chē)需求的持續(xù)增長(zhǎng)，預(yù)期全球汽車(chē)市場(chǎng)仍將持續(xù)穩(wěn)定增長(zhǎng)。2018年—2022年，全球汽車(chē)銷(xiāo)量年均復(fù)合增長(zhǎng)率約為3.2%。預(yù)計(jì)2022年，全球汽車(chē)銷(xiāo)量將增加至11359萬(wàn)輛。

得益于汽車(chē)工業(yè)的高速發(fā)展，汽車(chē)電子的發(fā)展也日漸迅猛，各種電子式控制結(jié)構(gòu)和模塊逐漸被導(dǎo)入操控系統(tǒng)中以獲得更精密、更敏捷、更高效的控制，從而提高汽車(chē)的綜合性能。汽車(chē)的開(kāi)發(fā)、設(shè)計(jì)及驗(yàn)證過(guò)程中必須通過(guò)風(fēng)、雨、雷電、雪、砂、高低溫、振動(dòng)等各種地形氣候與污染物的腐蝕試驗(yàn)。而各種精密的電子式控制模塊必須借助于適當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)材料來(lái)確保其安全性、穩(wěn)定性和可靠性。作為最重要的汽車(chē)電子控制模塊，發(fā)動(dòng)機(jī)控制模塊（ECU）包括燃油噴射控制、點(diǎn)火控制、爆震控制、怠速控制、尾氣排放控制、廢氣再循環(huán)控制、增壓控制、失效保護(hù)及發(fā)動(dòng)機(jī)自診斷和故障安全系統(tǒng)等[2]，因此，汽車(chē)ECU保護(hù)材料除了要具備絕緣、防潮、防污、防酸腐蝕等基本特性外，還需具備低應(yīng)力和長(zhǎng)期耐熱、優(yōu)良的耐高低溫沖擊、耐寒等性能要求。

有機(jī)硅膠黏劑滿足上述要求，且具有比環(huán)氧樹(shù)脂膠黏劑更優(yōu)良的韌性，比聚氨酯膠黏劑更優(yōu)異的耐高低溫特性、室溫固化特性和對(duì)塑料件更好的粘接性，以及安全可靠、耐候性好、使用壽命長(zhǎng)（戶外壽命大于20年）、電氣絕緣性能佳、耐臭氧、化學(xué)穩(wěn)定性好[3]、粘接強(qiáng)度較高、粘接材料種類(lèi)多等優(yōu)點(diǎn)，已成為汽車(chē)電子中最重要的膠種。汽車(chē)輕量化進(jìn)程中，新型汽車(chē)結(jié)構(gòu)中引入大量的輕質(zhì)金屬、復(fù)合材料（如碳纖維等）和塑料，促進(jìn)了汽車(chē)用膠黏劑用量的持續(xù)增加[4]。不同材質(zhì)膠黏劑的性能對(duì)比情況見(jiàn)表1。

1 有機(jī)硅膠黏劑的在汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)控制模塊上的應(yīng)用情況

有機(jī)硅是以硅原子和氧原子為主鏈的一種直鏈狀有機(jī)硅氧烷。由于它的分子主鍵為由硅原子和氧原子交替組成的硅氧鍵，鍵能高達(dá)450 kJ/mol[5]，因此有機(jī)硅高聚物比一般有機(jī)高聚物在耐熱、耐氧穩(wěn)定性方面優(yōu)異的多。有機(jī)硅材料室溫下的機(jī)械性能與其他材料差異不明顯，但其在高溫及低溫下的物理、機(jī)械性能表現(xiàn)非常突出，能在使用溫度范圍內(nèi)多次交變而物理機(jī)械性能不受影響[6]。有機(jī)硅因分子內(nèi)的偶極作用能有效緩沖和減弱外部電場(chǎng)的影響，從而有效保護(hù)連接在硅原子上的羥基，獲得良好的耐鹽霧、耐潮及耐候性能。綜上所述，有機(jī)硅高聚物產(chǎn)品因其良好的耐化學(xué)腐蝕性、耐高低溫性，長(zhǎng)期耐候性，低吸濕性，電氣絕緣性，低應(yīng)力，憎水性，低毒性，以及良好的返修性等特性，被制成粘接密封劑、灌封劑、絕緣涂料、固/液體硅橡膠等多種產(chǎn)品應(yīng)用于各種汽車(chē)電子裝置中。

表1 幾種不同材質(zhì)膠黏劑的性能對(duì)比

汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)控制模塊用有機(jī)硅膠黏劑種類(lèi)很多，分類(lèi)方法也各異。按膠黏劑組分的不同，可分為單組分和雙組分[7]。單組分膠黏劑使用方便，依靠空氣中的水分固化，固化速度相對(duì)較慢；雙組分膠黏劑使用時(shí)將兩組分按一定比例混合均勻后再涂膠，該種膠依靠膠體中攜帶的水分進(jìn)行固化，固化速度快于單組分膠黏劑。有機(jī)硅膠黏劑的具體分類(lèi)見(jiàn)表2。

表2 有機(jī)硅膠黏劑的分類(lèi)

1.1 縮合型有機(jī)硅膠黏劑的特性

縮合型有機(jī)硅膠黏劑主要有脫酸型、脫醇型、脫酮肟型、脫丙酮型、脫酰胺型等幾大類(lèi)品種[8]。如表3所示，不同種類(lèi)縮合型有機(jī)硅膠黏劑的性能存在明顯差異。

1.1.1 縮合機(jī)理

縮合型有機(jī)硅膠黏劑具有如下特點(diǎn)：

（1） 室溫（20 ～ 40 ℃）固化[9]；

（2） 需要水汽幫助固化，40%～80%濕度；

（3）只能用于開(kāi)放系統(tǒng)，不能用于密閉系統(tǒng)，固化由內(nèi)而外，逐步固化；

（4）會(huì)產(chǎn)生醇、酸、肟或酮等副產(chǎn)物，副產(chǎn)物可能有刺鼻的味道，也可能腐蝕基材。

縮合型有機(jī)硅膠黏劑有單組分綜合和雙組分綜合兩種形式，固化性能見(jiàn)表4。

1.2 加成型有機(jī)硅膠黏劑的特性

1.2.1 固化機(jī)理

1.2.2 加成型有機(jī)硅膠黏劑的特點(diǎn)

加成型有機(jī)硅膠黏劑的優(yōu)點(diǎn)：可快速固化，固化速度可通過(guò)溫度調(diào)節(jié)；固化不需要水汽；可以用于開(kāi)放系統(tǒng)，也可以用于密閉系統(tǒng)；無(wú)副產(chǎn)物產(chǎn)生，不會(huì)腐蝕基材。

表3 不同縮合型有機(jī)硅膠黏劑的性能比對(duì)

表4 單/雙組分縮合型有機(jī)硅膠黏劑的固化性能

加成型有機(jī)硅膠黏劑的缺點(diǎn)：催化劑易中毒，如磷、硫、氮、水、有機(jī)金屬鹽等；需較高的溫度（＞100℃）才能獲得較好的粘接性能；單組分產(chǎn)品需儲(chǔ)存在冰箱中。

加成型有機(jī)硅膠黏劑同樣分為單組分及雙組分兩類(lèi)，固化性能如表5所示。

表5 單/雙組分加成型有機(jī)硅膠黏劑的固化性能

1.3 有機(jī)硅膠黏劑在ECU單元粘接、加固上的應(yīng)用

發(fā)動(dòng)機(jī)模塊或殼體密封材料一般選擇低流動(dòng)型材料，或者具有觸變性，但粘接性和抗拉強(qiáng)度要求較高的材料，膠黏劑通常選擇邁圖TSE322等高溫固化有機(jī)硅膠黏劑。目前，邁圖TSE3854DS、信越KE-4928、道康寧7091等有機(jī)硅膠黏劑固化工藝更為簡(jiǎn)單——室溫/室溫濕氣固化、可手工點(diǎn)膠，加上價(jià)格低廉、運(yùn)輸及儲(chǔ)存成本較低等優(yōu)勢(shì)，已成為汽車(chē)ECU單元粘接和加固的新興材料。

1.4 有機(jī)硅膠黏劑在ECU單元灌封中的應(yīng)用

有機(jī)硅灌封膠黏劑的極低應(yīng)力，良好的絕緣、防潮性能使得其成為汽車(chē)電子中主要的灌封保護(hù)材料。保護(hù)發(fā)動(dòng)機(jī)控制模塊便是其中最典型的應(yīng)用，博世、聯(lián)合汽車(chē)電子有限公司、德國(guó)大陸集團(tuán)、日立等公司過(guò)去普遍采用單組分高溫固化加成型有機(jī)硅膠黏劑作為ECU單元的灌封材料，單/雙組分室溫固化縮合型有機(jī)硅膠黏劑憑借粘接強(qiáng)度高、自流平性好、無(wú)需熱烘道、無(wú)需冷鏈運(yùn)輸、保質(zhì)期長(zhǎng)、價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)，已成為ECU單元灌封材料的新寵，道康寧EG4234、邁圖 TSE397、信越 KE-4920、瓦克 616 等都是不錯(cuò)的灌封材料。

2 使用有機(jī)硅膠黏劑的注意事項(xiàng)

2.1 粘接性

膠黏劑良好的粘接性能能夠保證汽車(chē)電子的氣密性，若粘接性能不好，電控單元會(huì)出現(xiàn)漏水、短路、控制單元失效等情況，這將嚴(yán)重影響汽車(chē)的使用。表6列舉了有機(jī)硅膠黏劑對(duì)幾種主要汽車(chē)ECU單元用基材的粘接性能。

表6 有機(jī)硅膠黏劑對(duì)汽車(chē)ECU單元用主要基材的粘接性能

2.2 選擇有機(jī)硅膠黏劑的工藝要求

2.2.1 應(yīng)用體系

開(kāi)放體系可選擇加成型或縮合型膠黏劑；密閉系統(tǒng)選擇加成型膠黏劑。

2.2.2 黏度選擇

邊框密封宜選擇半流動(dòng)或不流動(dòng) （點(diǎn)膠）膠黏劑；用于涂層防護(hù)時(shí)，優(yōu)選極易流動(dòng)（噴涂或淋涂）的膠黏劑；灌封時(shí)首選流動(dòng)性能（自流平性）好的粘接膠。

2.2.3 固化條件

要求快速固化時(shí)選擇加成型膠黏劑；室溫固化可選縮合型或加成型膠黏劑。

2.2.4 操作條件

操作時(shí)間需結(jié)合實(shí)際的要求選擇所需的表干時(shí)間和活化期。

2.2.5 點(diǎn)膠設(shè)備的匹配性

有機(jī)硅膠黏劑還需檢驗(yàn)其與點(diǎn)膠設(shè)備的匹配性，特別是雙組分粘接膠的計(jì)量系統(tǒng)、混料系統(tǒng)。

2.2.6 性能驗(yàn)證

選擇有機(jī)硅膠黏劑產(chǎn)品時(shí)，使用前對(duì)其進(jìn)行粘接性、熱老化和氣密性等試驗(yàn)[10]。

2.3 性能要求

選擇有機(jī)硅膠黏劑需要結(jié)合硬度、固化深度、外觀、拉伸強(qiáng)度、斷裂伸長(zhǎng)率、粘接強(qiáng)度、抗撕裂強(qiáng)度、耐溫性能、耐油耐溶劑性、阻燃性能、導(dǎo)熱性能、電性能、剝離性能、低揮發(fā)組分含量等要求。

3 結(jié)語(yǔ)

經(jīng)過(guò)近30年的發(fā)展，我國(guó)汽車(chē)膠黏劑的品種已經(jīng)比較齊全，一些技術(shù)難度相對(duì)較高的汽車(chē)用膠在主要品種上已基本可以滿足要求。單/雙組分室溫濕氣固化脫醇縮合型有機(jī)硅膠黏劑健康、環(huán)保；對(duì)金屬材料（例如鎳、錫、金、銀、銅）完全無(wú)腐蝕；具有更廣泛的模量調(diào)節(jié)范圍，適合更多使用環(huán)境；對(duì)塑料基材的粘接性能持久、透明產(chǎn)品耐黃變能力強(qiáng)；溫度適用范圍更寬，在-60～200℃多次交變后其密封及粘接性能不受影響；保存期長(zhǎng)（常溫12～18個(gè)月）。因此，該類(lèi)膠黏劑逐漸成為汽車(chē)ECU密封材料的首選。然而室溫固化時(shí)間較長(zhǎng)（2～3 h以上）、空氣濕度對(duì)固化程度影響較大、僅可用于薄層 （一般≤6 mm）固化、粘接面的結(jié)構(gòu)要求較為苛刻（不可用于密閉環(huán)境下固化）、機(jī)械強(qiáng)度較低等因素制約著它們的廣泛應(yīng)用，需要進(jìn)一步改善和提高。

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