一步法頂棚骨架成型膠粘劑的施膠工藝對頂棚成型的影響

劉恩 何彬 李有剛 冉忠祥 郭強

摘 要：由于聚氨酯無溶劑環(huán)保膠粘劑作為汽車頂棚骨架成型膠粘劑的推廣應用，汽車頂棚濕法制造成型法克服了環(huán)保的枷鎖而受到頂棚制造商的青睞，汽車頂棚濕法制造工藝其本質(zhì)就是汽車頂棚骨架成型膠粘劑的施膠工藝。本文通過研究頂棚濕法制造工藝一步成型法成型過程中噴水量/噴膠量、模壓溫度、模壓壓力、噴膠噴水后的放置時間對頂棚出模硬度、彎曲強度的影響，分析原因并總結(jié)出使頂棚成型達到最佳效果的施膠工藝：（噴水量/噴膠量） %=60%～120%;模壓溫度≥120℃;模壓壓力≥0.3MPa;噴膠噴水后的放置時間≤5min。

關鍵詞：聚氨酯;單組分膠粘劑;頂棚;無溶劑膠;濕氣固化

中圖分類號：TQ339 文獻標識碼：A 文章編號：1001-5922（2021）05-0013-05

Influence of Sizing Process of One-Step Ceiling Skeleton Forming Adhesive on Ceiling Forming

Liu En， He Bin， Li Yougang， Ran Zhongxiang，Guo Qiang

（Chongqing Zhongke Litai Polymer Materials Co.， Ltd.， Chongqing 401336， China）

Abstract：Because of the popularization and application of polyurethane solvent-free environmentally friendly adhesive as the forming adhesive for automobile roof frame， the automotive roof wet manufacturing molding method overcomes the environmental protection shackles and is favored by roof manufacturers. The essence of the wet manufacturing technology of automobile roof is the sizing process of the car roof frame forming adhesive. In this paper， by studying the influence of water spray amount/gluing amount， molding temperature， molding pressure， and storage time after spraying water on the roof mold hardness and bending strength during the one-step molding process of the ceiling wet manufacturing process. The reasons were analyzed and the? sizing process to achieve the best effect of roof molding was summarized： （water spray / glue spray）% = 60%～120%; molding temperature≥120 ℃; molding pressure ≥0. 3MPa; the storage time after spraying is less than or equal to 5 min.

Key words：polyurethane; single component adhesive; ceiling; solvent-free adhesive; moisture curing

隨著聚氨酯無溶劑環(huán)保膠粘劑作為汽車頂棚骨架成型膠粘劑的推廣應用，汽車頂棚濕法生產(chǎn)克服了環(huán)保的枷鎖并以其成本低廉、性能優(yōu)異、成型靈活而受到頂棚制造商的青睞。但由于頂棚濕法生產(chǎn)時間還不長，部分頂棚制造商的設備改造還不徹底，工藝參數(shù)積累還不完善，對頂棚成型膠粘劑的工藝性能認識不足，在轉(zhuǎn)型濕法制造過程中出現(xiàn)了較多問題。頂棚骨架成型膠粘劑是聚氨酯無溶劑單組分濕固化膠粘劑，是專為汽車頂棚骨架模壓成型而開發(fā)的一類膠粘劑，在頂棚基材相同的情況下其工藝性能直接決定整個頂棚成型工藝和性能，因此，汽車頂棚濕法制造工藝其本質(zhì)就是汽車頂棚骨架成型膠粘劑的施膠工藝。

而頂棚在成型過程中初粘強度即出模硬度是一項無法準確描述（從模具取出幾秒鐘內(nèi)隨著溫度從110℃以上的高溫急劇降低到常溫，硬度在不斷發(fā)生變化），但又很重要的工藝性能，直接影響產(chǎn)品是否良好成型及最終的頂棚強度。如果出模硬度不夠，產(chǎn)品定型不好，基本無法完好從模具中取出，最終彎曲強度亦無法得到保證。彎曲強度是主機廠要求對頂棚定量測試的一項重要指標，是頂棚完全成型后的頂棚強度的重要反映。彎曲強度本質(zhì)上反映的是內(nèi)飾頂棚骨架基材疊加成型后的整體強度，雖然膠粘劑的占比很小，但在這些基材強度相同的情況下，頂棚骨架膠的粘接性能和膠水固化后本身的強度對最終頂棚硬度也有相當重要的影響，或者說，在基材強度不足的情況下，膠粘劑對整個頂棚的強度有重要的補強作用。

汽車頂棚濕法成型過程是通過頂棚骨架膠粘劑將PU半硬質(zhì)泡沫、增強玻纖、無紡布和面料在高溫高壓下粘接壓合成型的過程。一步法成型的一般結(jié)構(gòu)如圖1所示，最中間一層是PU半硬泡，上下各有一層玻纖，最上層是面料，最下層是無紡布。在PU泡上、下滾涂上膠粘劑，并噴水后疊成圖1的結(jié)構(gòu)，在110℃～140℃的模具中模壓成型。[1]汽車頂棚濕法一步成型工藝本質(zhì)上就是頂棚骨架膠粘劑的施膠工藝及固化過程。

初粘強度即出模硬度反映的是汽車頂棚濕法成型的工藝性能，彎曲強度反映的是頂棚成型后的成品性能。聚氨酯頂棚骨架膠粘劑的施膠工藝不僅影響頂棚成型工藝性能，還會影響頂棚的最終性能。本文通過研究頂棚制造濕法工藝一步成型法成型過程中噴水量（相對于噴膠量而言）、模壓溫度、模壓壓力、噴膠噴水后的放置時間對頂棚出模硬度、彎曲強度的影響來闡述頂棚骨架成型最佳制造工藝，總結(jié)出使頂棚成型達到最佳效果的施膠工藝。

1 試驗部分

1.1 主要原料和設備

1.1.1 主要原料

PK-618頂棚骨架成型膠粘劑，理論固含量100%，聚氨酯單組分無溶劑濕固化膠粘劑，自制;玻纖（克重150g/m2）東莞市匯洲高分子材料股份有限公司;? PP無紡布 （克重30g/m2）白銀博誼無紡布有限公司; PU半硬泡，密度22kg/m3，厚度7mm，自制;汽車頂棚面料（滌綸扎染250g/m2）? 長樂市航翔針紡織有限公司。

1.1.2 主要設備

氣動熱壓機：KT520B-01T;W77噴槍：2mm口徑，日本巖田; 手持推拉力計：HG-500;電腦式拉力試驗機：HF-9002。

1.2 制樣方法

按一步法頂棚工藝制取測試出模硬度、彎曲強度的樣件：

1.2.1 出模硬度制樣

（1）裁取需要尺寸的制樣材料：100mm×100mm的PU半硬泡、玻纖、無紡布、面料

（2）在PU半硬泡上下兩側(cè)噴膠，上側(cè)膠量：40g/m2下側(cè)膠量：90g/m2;膠噴完后噴一定量的水。

成型：按圖1疊加材料在一定的模壓間隙、溫度、壓力、時間下模壓成型，參照濕法頂棚工藝。[1]

1.2.2 彎曲強度制樣

（1）裁取制樣材料：400mm×310mm的PU半硬泡、玻纖、無紡布、面料。

（2）在PU半硬泡上下兩側(cè)噴膠，上側(cè)膠量：40g/m2下側(cè)膠量：90g/m2;膠噴完后噴一定量的水。

成型：按圖1疊加材料在一定的模壓間隙、溫度、壓力、時間下模壓成型，參照濕法頂棚工藝。[1]

1.3 測試方法

1.3.1 出模硬度測試

剛從模壓機上取出的模壓制品放在直徑10mm的培養(yǎng)皿上，在5s內(nèi)用手持推拉力計壓產(chǎn)品中心點壓到剛好接觸到培養(yǎng)皿底部為止，讀取最大值即為出模硬度（N）。

1.3.2彎曲強度測試

按長安標準CTS-01.05.02-A3-2016（汽車頂蓋內(nèi)襯技術(shù)規(guī)范）將從模壓機上壓合的400mm×310mm的樣塊裁成5塊76mm×305mm的樣條，并在溫度23±2℃、相對濕度50%±5%的標準環(huán)境下放置直到重量恒定（一般情況下放置48h后視為聚氨酯膠粘劑熟化完全）然后在彎曲實驗機上進行實驗，支撐點跨距152mm，實驗速度13mm/min，樣條撓度6.3mm。讀取加載力的最大值并取五塊樣塊的平均值。

2 結(jié)果與討論

2.1 噴水量對出模硬度和彎曲強度的影響

PK-618是單組分無溶劑濕固化膠粘劑，其固化原理就是膠粘劑中-NCO基團與水發(fā)生化學反應，如式（1）所示。這個反應既是發(fā)泡反應，也是固化反應。發(fā)泡反應可以產(chǎn)生二氧化碳氣體使膠水膨脹滲透到基材的縫隙中，增加膠水與基材的粘接面積，固化反應能將PU半硬泡、玻纖、無紡布和面料粘接到一起使頂棚成型，達到頂棚設計要求。同時，-NCO基團與水反應生成的聚脲結(jié)構(gòu)有提高頂棚強度的作用，[2]因此，噴水量對頂棚成型至關重要。

2-NCO + H2O → -NHCONH- + CO2↑

理論計算噴水量是噴膠量的5.3%，但并不是所有的水都能參與NCO反應，因此實際噴水量應遠大于理論噴水量。本試驗在模壓壓力0.4MPa，模壓溫度120℃，模壓30s條件下進行，上側(cè)噴膠量40g/m2，下側(cè)噴膠量90g/m2的情況下對上側(cè)和下側(cè) 噴水量/噴膠量 同時分別從20%、40%、60%、80%、100%、120%制作樣件進行測試（噴膠噴水后馬上模壓），分別制樣測試出模硬度和彎曲強度，測試結(jié)果見圖2（a）和圖2（b）。從圖中可以看出，噴水量低于噴膠量60%的時候， 出模硬度和彎曲強度較低，從模具中取出不方便，且頂棚最終強度較低，不能滿足生產(chǎn)需要，噴水量高于60%之后基本平穩(wěn)，噴水量影響不大。

噴水量不是越多越好，如果噴水量太多，會污染面料，且不參與反應的水會蒸發(fā)吸熱導致模腔內(nèi)溫度降低，從而對出模硬度產(chǎn)生一定的影響。

因此，在使用PK-618這一類聚氨酯頂棚成型骨架膠成型過程中，噴水量不建議低于60%，也不建議超過120% 。

從圖2（a）和（b）可以看出，噴水量對出模硬度和頂棚最終彎曲強度的影響基本一致，但也略有差異，當噴水量太多之后，雖然由于多余的水分揮發(fā)降低了模具溫度使得固化速率略有降低而使出模硬度略有降低，但并沒有使最終彎曲強度受到明顯影響，因為最終彎曲強度是完全熟化成型的產(chǎn)品，其膠水固化后的大分子經(jīng)過較長時間的結(jié)晶和分子重排，使最終強度趨于一致。而出模硬度是從模具出來一瞬間的硬度，受到是否完全反應、結(jié)晶速率以及過多的水作為增塑劑的影響較大。

2.2 模壓溫度對出模硬度和彎曲強度的影響

上側(cè)噴膠量40g/m2，噴水量40g/m2;下側(cè)噴膠量90g/m2，噴水量90g/m2;噴水后不放置直接在模壓壓力0.4MPa，模壓時間30s，模壓溫度分別為80℃、100℃、120℃、140℃制樣出來測試出模硬度和彎曲強度。 測試結(jié)果如圖3（a）和（b）。

從圖3可以看出，在模壓溫度低于120℃時，出模硬度和彎曲強度均達不到最佳效果，模壓溫度大于120℃時出模硬度達到最佳效果，且趨于平穩(wěn)。頂棚成型過程是NCO基團與水發(fā)生化學反應的發(fā)泡過程和固化過程，這個過程需要很高的溫度來激活才能在短時間內(nèi)完成。頂棚成型過程中骨架膠需要通過適當?shù)陌l(fā)泡反應滲透到玻纖、無紡布、面料中將這些材料粘接起來，但模壓成型時間較短，一般在30～60s，如果模壓溫度低了，傳熱效率低，催化劑的催化活性還沒來得及完全激活，使得NCO與水沒有得到充分反應并固化，因此出模硬度和彎曲強度較低。隨著模壓溫度的提高，當達到最佳激活溫度后，NCO基團已經(jīng)與水發(fā)生了充分的發(fā)泡反應和固化反應，再提高模壓溫度就沒有明顯的變化。模壓溫度也不是越高越好，需要考慮頂棚基材的耐溫性，溫度太高可能會破壞基材且浪費能源。

從圖3（a）和（b）可以看出，出模硬度與彎曲強度隨模具溫度變化的趨勢基本一致。那么當模具溫度低的情況下，頂棚出模后有一個后熟化過程，不僅可以吸收空氣中的水分進一步與未反應完全的NCO反應，還可以進行重結(jié)晶實現(xiàn)分子重排，那為什么后熟化后彎曲強度還是沒有得到提高呢？因為在模具中溫度低了，化學反應不完全，固化過程形成的分子鏈較短，在從模具中取出后在室溫下的后熟化過程中會吸收空氣中的水汽進一步固化，但這個過程反應極其緩慢，只是未反應的極少部分NCO與水反應了，形不成長鏈分子，對分子結(jié)晶重排影響不會太大，更起不了主導作用。而且由于模具溫度較低，NCO與水反應中發(fā)泡反應較弱，膠水膨脹滲透力減弱，使得膠水與基材接觸不充分，且固化不完全，粘接效果較差，基材疊加的整體結(jié)構(gòu)剛度不足，這個整體強度沒有辦法通過后期膠水后熟化的結(jié)晶分子重排來彌補。

2.3 模壓壓力對出模硬度和彎曲強度的影響

上側(cè)噴膠量40g/m2，噴水量40g/m2;下側(cè)噴膠量90g/m2，噴水量90g/m2;噴水后不放置直接在模壓溫度120℃，模壓時間30s，模壓壓力分別為0.1MPa、0.2MPa、0.3MPa、0.4MPa分別制樣測試出模硬度和彎曲強度，測試結(jié)果如圖4（a）和（b）。

從圖4可以看出，模壓壓力大于等于0.3MPa時，頂棚出模硬度和彎曲強度效果最佳，趨于穩(wěn)定。這是因為成型過程中膠粘劑含的NCO與水反應產(chǎn)生CO2氣體發(fā)泡并產(chǎn)生壓力使膠粘劑與基材充分接觸，如果模壓壓力過低，則膠粘劑與基材接觸不充分，從而粘接效果達不到最佳狀態(tài)，整個基材結(jié)構(gòu)的整體硬度發(fā)揮不充分，因此出模硬度和彎曲強度會降低。同時，模壓壓力進一步升高，但NCO與水的量一定，產(chǎn)生二氧化碳的氣體量一定，導致內(nèi)部壓力達到最大后，再提高模壓壓力就沒有明顯的變化。因此，為了頂棚更好的成型，保證一定的模壓壓力是必須的。

2.4 噴膠噴水后晾置時間對出模硬度和彎曲強度的影響

上側(cè)噴膠量40g/m2，噴水量40g/m2;下側(cè)噴膠量90g/m2，噴水量90g/m2;噴水后不放置直接在模壓壓力0.4MPa，模壓溫度120℃，模壓時間30s， 通過噴膠噴水后不同晾置時間制樣測試出模硬度和彎曲強度，如圖5（a）和（b）所示。

從圖5可知噴膠噴水后在室溫放置時間會影響出模硬度和彎曲強度，冬天氣溫低，放置20min以內(nèi)影響較小，20min后出模硬度與彎曲強度逐漸降低，這是因為部分NCO與水在室溫下逐漸發(fā)生化學反應從而失去膠粘劑應有的粘接效果。夏天氣溫較高時，NCO與水在室溫下反應較快，失效較快，僅放置10min出模硬度和彎曲強度就出現(xiàn)斷崖式下降。因此出模硬度和彎曲強度隨放置時間會逐步下降，且氣溫越高，下降幅度越大。無論是冬天還是夏天，噴膠噴水后，NCO與水的化學反應已經(jīng)開始，其有效粘接成分在逐漸減少，因此，噴膠噴水后最好在5min內(nèi)及時模壓成型。如果由于設備故障或其它原因較長時間沒有模壓成型，之后需要繼續(xù)模壓可以重新噴膠噴水后進行。

3 結(jié)論

（1）試驗結(jié)果表明，汽車頂棚用PK-618類聚氨酯骨架膠粘劑噴水量的最佳范圍是60%～120%，噴水量少于60%，NCO反應不完全，粘接效果不夠，出模硬度不足，彎曲強度不能滿足要求。

（2）模壓溫度≥120℃，頂棚出模硬度和彎曲強度最佳且出模硬度和彎曲強度相對平穩(wěn)。 模壓溫度指的是模具內(nèi)表面最低溫度，比設備設置溫度要低。

（3）模壓壓力≥0.3MPa時，頂棚出模硬度和彎曲強度達到最佳狀態(tài)，模壓壓力過低，模具內(nèi)壓不足，粘接面接觸面積不夠，粘接效果不佳，導致出模硬度和彎曲強度達不到正常生產(chǎn)要求。

（4）噴膠噴水后放置時間：無論冬天還是夏天，噴膠噴水后最好5min內(nèi)模壓成型。若因特殊工藝考慮，在夏天溫度較高時最多晾置10min，冬天氣溫較低最多晾置20min，涼置時間過長，會導致膠水中-NCO與水發(fā)生化學反應而逐漸喪失粘接效果，從而頂棚出模硬度和彎曲強度較低。

汽車頂棚濕法一步法成型過程實質(zhì)上是頂棚骨架膠粘劑在一定工藝條件下固化的過程，這個過程是一個化學反應的過程，工藝參數(shù)的設置直接決定頂棚成型品質(zhì)。因此，結(jié)合成型膠粘劑的工藝性能及生產(chǎn)現(xiàn)場實際情況設計合適的工藝參數(shù)是頂棚成型過程的重要環(huán)節(jié)，不能脫離所用骨架成型膠粘劑的工藝性能來設計頂棚濕法成型工藝。隨著頂棚骨架膠無溶劑化的推進及施膠工藝的嫻熟運用，頂棚濕法制造工藝將得到蓬勃發(fā)展[3]。

參考文獻

[1]韋曉.汽車聚氨酯頂棚濕法生產(chǎn)工藝研究及其自動化生產(chǎn)線設計[J].企業(yè)科技與發(fā)展，2015（10）：12-14.

[2]李紹雄，劉益軍.聚氨酯膠粘劑[M].北京：化學工業(yè)出版社，1998.

[3]張拓.汽車頂棚不同生產(chǎn)工藝的對比分析[J].汽車工藝與材料，2016（4）：21-23.