探究用PU膠黏結汽車玻璃附件的過程控制方法

馬明輝

橫河電機（中國）有限公司 上海 200061

引言

隨著中國汽車市場規(guī)模的不斷擴大，消費者對汽車要求的不斷提高，依靠科技的不斷進步，整車設計時，在汽車前擋風玻璃上集成了各式各樣的功能，由于安全玻璃的安全標準限制，附件不可能在玻璃上做機械固定，只能采用黏結的形式固定。經過科技人員的不懈研究，聚氨酯（PU）黏結劑被證實是汽車玻璃附件的最佳黏結劑。一般情況下，玻璃附件的材料為金屬或塑料，玻璃的主要成分是二氧化硅，聚氨酯是合成的化學材料，要讓三者形成穩(wěn)定的鏈接性能又引入了硅烷偶聯(lián)劑作為底劑加強黏合效果，因此整個黏結系統(tǒng)會涉及5個物質，分別是玻璃、玻璃底劑、PU膠、附件底劑、附件，相互之間的位置關系，如圖1汽車玻璃黏結系統(tǒng)示意圖所示。整個系統(tǒng)中任何一個環(huán)節(jié)發(fā)生異常，都會產生黏結不良，而化學反應過程又是不能被直接觀察和測量的，因此對于關鍵因素的識別和控制就是控制黏結結果的關鍵。

圖1 汽車玻璃黏結系統(tǒng)示意圖

1 原理概述

1.1 PU膠即聚氨酯黏結劑，其分子鏈中含有-NCO基（異氰酸酯基）或-NH-COO-基（氨基甲酯基），具有高度的極性和活潑性，特別是-NCO基團可以和多種活潑的官能團反應，如-OH，-COOH，-NH2，-SH，-NHR，-CONH2，-CONHR，-SO2NH2等，反應形成界面化學鍵，而且分子間能形成氫鍵，產生較高的內聚力[1]。-NCO分子鏈結構，如圖2所示。

圖2 NCO基團分子鏈圖

1.2 底劑

硅烷偶聯(lián)劑是一類在分子中同時具有不同性質官能團（可水解基團和非水解基團）的有機硅化合物，一端可以與無機材料（如金屬，玻璃）表面的羥基反應形成共價鍵，另一端與有機物生成共價鍵[2]，從而讓兩種不同性質的材料偶聯(lián)在一起，起到復合材料性能的作用。如圖3和圖4所示。

圖3 硅烷偶聯(lián)劑反應機理

圖4 NCO基團反應機理

1.3 黏結機理

金屬或玻璃表面吸附水，羥基或金屬氧化物，-NCO與水反應的脲鍵與氧化物之間通過氫鍵螯合形成酰脲-氧化物絡合物，造就不同物質的黏結強度。

1.4 界面浸潤

固體表面和液體表面接觸時，原來的氣-固界面消失，形成新的液-固界面，液-固界面的浸潤性用θ角度大小來表示，θ角度越小，表示浸潤性越強，反之越差，如果達到完全浸潤，則高聚物在兩相界面上物理吸附所產生的黏結強度，比高聚物本身內聚強度還要大。浸潤角原理如圖5所示。

圖5 浸潤性原理圖

2 工藝過程概述

工藝工程師根據(jù)PU膠，硅烷偶聯(lián)劑的分子結構，反應機理以及環(huán)境要求設計工藝實現(xiàn)過程。

2.1 工藝過程設計

玻璃和附件處理，開始時分兩方面來單獨設計，到黏結膠合工序，合二為一，完成黏結過程，具體工藝流程設計如圖6，黏結工藝流程圖所示。

圖6 黏結工藝流程圖

2.2 工藝實現(xiàn)

為實現(xiàn)穩(wěn)定的黏結結果，在工藝實現(xiàn)的各個步驟上要充分考慮化學品的特性，工業(yè)效率，人機工學等方面的需求，設計每個工藝步驟所需要的工具和工作環(huán)境。

2.2.1 底劑（硅烷偶聯(lián)劑）采用水解型的，一旦遇到水或水蒸氣就會開始反應，失去與玻璃或附件表面氧化物形成偶聯(lián)[3]，因此底劑采用金屬容器密閉保存，開瓶后要盡快使用完成，化學品的保存和操作環(huán)境的濕度不可以大。

2.2.2 表面處理，玻璃和附件的表面從微觀上看是高低不平的，要達到更好的黏結效果，必須讓黏結劑完全適應黏合表面，要遵循浸潤理論，如果浸潤不完全，會產生局部氣泡或無法形成連接鍵，硅烷偶聯(lián)劑黏度小，表面張力低，可以使基體界面出于良好的潤濕狀態(tài)，讓黏結劑容易的自動展開到基體表面，形成良好的黏結強度，為了讓底劑充分反應，工藝設計用無紡布或毛氈做涂覆工具，因為這兩種材料對表面適應性比較強，也容易控制底劑的流速和流量，能夠使底劑均勻地，無遺漏地覆蓋到所有黏結區(qū)域。

2.2.3 底劑干燥，根據(jù)偶聯(lián)機理，硅烷偶聯(lián)劑的反應過程中，需要一個脫水的過程，因此在底劑涂覆后要對底劑進行干燥，保證脫水過程順利完成。

2.2.4 涂膠，由于底劑采用水解性質的，對水分子比較敏感，底劑在空氣中暴露時間過長，會和空氣中水分子先反應，減少硅烷偶聯(lián)劑和有機物形成共價鍵的計劃，影響最終的黏結強度，因此需要根據(jù)環(huán)境的濕度以及產品的TDS確定等待涂膠的時間，即在底劑干燥以后，必須在合理的時間內完成涂膠工作。

2.2.5 膠合過程，PU膠吸收空氣中的水蒸氣會逐漸固化，因此在涂膠完成以后，要盡快把涂好PU膠的附件壓合到玻璃上，用工裝一次性達到裝配尺寸要求，完成裝配和膠合過程。

2.2.6 成品固化，完成裝配以后，隨著PU膠與水分子的結合，PU會從外向內的逐漸從液體變成固體，并形成一定的連接強度和硬度，PU膠與水分子接觸以及發(fā)生反應的速度與溫度，濕度，時間都有關系，可以根據(jù)成本，效率，空間綜合考慮固化條件和固化時間。

2.2.7 產品檢驗，對于固化后和固化中的產品進行破壞性驗證，已證實過程和結果穩(wěn)健，可靠。

3 工藝控制點的選擇

根據(jù)PU膠，硅烷偶聯(lián)劑的特性，反應機理，以及產品實現(xiàn)工業(yè)化制造的工藝過程設計，分析并確定整個過程的質量控制點。

3.1 化學品的儲存控制點

根據(jù)化學品制造商提供的TDS的說明，PU膠，底劑需要在相對干燥的環(huán)境內儲存，因此，此工序的控制點有四個，①溫度控制在0-35攝氏度；②儲存環(huán)境要干燥通風；③超過有效期要隔離，不可以使用；④包裝破損的化學品不可以使用，隔離，報廢。

3.2 底劑的分裝

底劑在使用時，一定是從原始包裝中分出，裝在涂覆的容器中，用涂覆設備完成對玻璃表面或附件表面的涂覆作業(yè)，底劑容易水解，造成失效，所以整個分裝和涂覆作業(yè)需要控制使用時間，控制點如下：

3.2.1 原始包裝的開瓶時間，根據(jù)TDS的數(shù)據(jù)，原始包裝開瓶后，一定在開瓶時間內使用該瓶內底劑，如果在開瓶時間內不能消耗掉瓶中底劑，必須隔離，報廢；

3.2.2 分裝到作業(yè)瓶中的底劑要在盡量短的時間內用完，依據(jù)TDS和現(xiàn)場溫濕度條件，以及生產效率的要求，在1～4h之間尋找一個平衡的時間范圍作為控制點，此控制范圍，可以通過DOE來完成。

3.3 使用前準備

底劑是化學試劑調配出來的，由多重物質組成。為了能實現(xiàn)設計初衷，充分發(fā)揮底劑的能力，必須保證在使用時，整個溶液是均勻的，因此在分裝前，以及使用前要搖勻底劑，此處的控制點為搖勻方式，搖動時間或次數(shù)。

3.4 表面處理

3.4.1 根據(jù)機理分析，表面處理要達到3個目的：①黏結表面必須需全部浸潤，不能有疏漏；②表面浸潤性要到一定標準；③表面不能有底劑以外的物質，一旦有難以清除的物質存在于黏結劑于基體表面之間，就會阻止黏結劑于基體發(fā)生交聯(lián)反應。

3.4.2 對于表面處理工步的控制點設定如下：①目視涂覆痕跡是否處處均勻，無遺漏；②通過表面能測試液來確認標準作業(yè)后玻璃或附件表面張力，驗證和控制底劑涂覆結果，根據(jù)材料不同，可以通過DOE結果來確定表面能的最低界限，一般要不小于38dyn；③用于涂覆的毛氈或無紡布使用一段時間后會有脫落物遺留在涂覆表面，通過多次試驗確定毛氈或無紡布的最大使用周期，即一個毛氈頭或無紡布涂覆一定量的玻璃或附件以后，要立即更換新的，以防止毛氈頭或無紡布對玻璃或附件表面產生不利的影響。某種條件下，如果需要催化劑或激活劑，需要增加額外的擦干步驟。

3.5 底劑干燥

根據(jù)硅烷偶聯(lián)劑的反應機理可知，反應過程需要脫水，所以在底劑涂覆之后必須有個干燥過程，但是底劑本身又是水解性質的，對水敏感，放置在空氣中的時間不宜過長，因此，此處的質量控制點即為控制最短干燥時間和底劑涂覆后最長放置時間，根據(jù)產品的TDS說明，最短干燥時間控制在4～6min，具體時間要根據(jù)環(huán)境做DOE驗證，最長放置時間設定在2h以內。

3.6 PU膠涂膠

PU膠的黏度會影響涂膠量，膠量的多少會影響成品的黏結強度，因此要保持膠量的穩(wěn)定。在機器參數(shù)不變的前提下影響?zhàn)ざ鹊闹饕蛩厥菧囟?，保持膠管的溫度在恒定的溫度范圍內是膠量穩(wěn)定的前提，此工序的膠管溫度不宜過高，根據(jù)TDS以及效率要求，找到一個平衡點，并設定為控制點。

3.7 固化條件

裝配好以后，需要靜置等待PU膠從液態(tài)變化到有硬度，有強度的固態(tài)，每個PU產品的固化曲線不一樣，在項目開發(fā)時，結合TDS，通過DOE來確定溫濕度和時間的曲線，一般說來72小時可以固化到80%以上，所以此工序的工藝控制點為固化環(huán)境的溫度，濕度和固化靜置時間。

3.8 加工環(huán)境控制

依照工序的先后順序，整個過程至少要分4個區(qū)域，需要分別控制溫度和濕度，分別是化學品儲存室，底劑涂覆區(qū)域，加工區(qū)域和固化區(qū)域，每個區(qū)域分別依據(jù)所針對的主要因素設定溫度和濕度控制標準。在底劑涂覆區(qū)和加工區(qū)還有房間潔凈等級的要求，在項目階段考慮和控制，生產中，基礎設施部分不作為日常質量控制點。

4 重要控制點的管控工具和管控方法簡述

4.1 溫度和濕度的控制

需要采用自動采集溫度和濕度數(shù)據(jù)，并能自動記錄數(shù)據(jù)的監(jiān)控設備，當溫度和濕度超出設定的控制范圍，能夠觸發(fā)聲光報警，自動生成報警日志，以便能夠精確追溯；

4.2 時間控制

和時間以及次數(shù)（循環(huán)）相關的控制，首要選擇機械防錯設備，通過PLC和機械結構控制，硬性杜絕超期運轉或超期使用。如果考慮到效率與成本因素，而不能采用防錯設備，要采用自動計時器帶報警功能的監(jiān)控設備，做提醒，定義明確的操作規(guī)程，規(guī)范員工遵守時間和次數(shù)的要求。

4.3 敏感和關鍵的操作位置

如底劑涂覆工序，化學品分裝工序，涂膠工序等，要設置視頻監(jiān)控設備，便于追溯和分析異常狀況，能追溯的記錄至少要在1年以上。

4.4 難去除物質的處理

對于玻璃和附件表面有特別難于去除又影響?zhàn)そY的物質，在來料中抽檢，或要求供方工廠保證。

5 產品檢驗

所有的過程控制都是為了保證最終產品的機械性能滿足客戶和法規(guī)要求，因此成品檢驗的結果是最準確的判斷產品是否合格的依據(jù)，但是，完成整個黏結的工藝過程，從化學品分裝開始，到底劑涂覆，到涂膠，到安裝黏合，到固化，直到成品檢驗，最快也要72h，如果整個流程的生產效率高，節(jié)拍比較快，容易產生大量質量狀態(tài)不明的半成品庫存，在成品檢驗時發(fā)現(xiàn)檢驗結果是不合格的，那么需要做返工處理不良品的數(shù)量和報廢損失將非常大，因此，在整個工藝流程中，需要設定幾個半成品檢驗的控制點，以便及早發(fā)現(xiàn)異常，采取必要的措施。

5.1 半成品檢驗過程

5.1.1 玻璃和附件表面浸潤性檢查，用表面能試劑檢驗，判斷結論是合格和不合格，檢驗點的抽檢頻次和抽檢數(shù)量由質量工程師根據(jù)產品的質量水平決定，判斷結果為不合格的，需要進行異常處置，規(guī)則為追溯隔離流到后工序的產品，追溯的區(qū)間為上次檢驗合格記錄以后的所有加工過的產品。

5.1.2 底劑涂布后，采用百格劃刀實驗來判定底劑的強度，由于是非標準制作樣品，判斷依據(jù)是與合格封樣進行對比，結果比封樣差，判為不合格，需要進行異常處置，規(guī)則也是追溯和隔離，規(guī)則同上。

5.1.3 固化12h后，做扭矩和剪切強度檢驗，抽樣做破壞性實驗，并檢查固化厚度，黏結氣泡，檢查結果和標準對比，判斷為不合格的，由質量工程師來判斷初步原因，如果是固化條件（溫度，濕度）影響的，可以通過增加固化時間來做臨時對策，如果是由于化學品失效造成的不合格，需要進行異常處置，規(guī)則同上。

5.1.4 固化24小時后，做非破壞性扭矩和剪切實驗，對比標準來做判斷，判斷和處置規(guī)則同5.1.3。

5.2 成品檢驗方法

根據(jù)TDS以及國標要求，黏結成品檢驗分為H7和H14兩個級別，即固化7d以后的快刀實驗和固化14d以后的快刀實驗，具體檢驗標準由質量工程師依據(jù)不同客戶的要求來制定并執(zhí)行。

6 結束語

化學品本身就是現(xiàn)代精細化工的產物，不同物質之間的相互關聯(lián)和相互作用的影響因素有很多，我們在做工藝設計和實際生產過程中，就是要擴大有利因素的影響，避免不利因素的影響，因此要采用有針對性的方法，設備和控制手段來揚長避短，只要在生產過程中掌握并控制了所有的影響因素，結果就能夠得到保證，即使出現(xiàn)了異常狀況，只要了解黏結的根本機理，從機理出發(fā)進行排查，也能很快找到影響因素。隨著AI和大數(shù)據(jù)技術的發(fā)展，以上傳統(tǒng)的PU膠工藝過程控制手段，也會有新的，更有效，更經濟的方法和工具，這將是我們接下來努力的方向。