風(fēng)擋玻璃維修用PUR安全駛離限制性條件分析

李忠經(jīng)，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(fēng)擋玻璃維修用PUR安全駛離限制性條件分析

李忠經(jīng)，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(fēng)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(yǎng)護溫度、不同養(yǎng)護時間條件下的初始粘接強度和初始剪切強度的變化規(guī)律，綜合分析了安全駛離限制性條件。結(jié)果表明：當(dāng)溫度T≤-10 ℃時，汽車前風(fēng)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(fēng)擋玻璃維修；快速安全駛離

聚氨酯膠粘劑是汽車風(fēng)擋玻璃安裝的最好粘接材料，世界95%的汽車風(fēng)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(jīng)濟的飛速發(fā)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(huán)境影響較大，尤其是低溫下體系反應(yīng)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(jié)晶和化學(xué)交聯(lián)固化2種方式實現(xiàn)快速定位并形成最終粘接強度，其兼具了熱熔型和反應(yīng)型2類膠粘劑的優(yōu)點[5，6]。本研究以自制的PUR作為研究對象，通過對前風(fēng)擋玻璃膠粘劑進行受力分析，重點考查了PUR養(yǎng)護時間、養(yǎng)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(fēng)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(nèi)預(yù)熱1 h，然后在標(biāo)態(tài)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(biāo)準(zhǔn)[7]中Ⅰ型產(chǎn)品的性能指標(biāo)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(jīng)底涂預(yù)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(yǎng)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(yǎng)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(xiàn)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(biāo)準(zhǔn)制樣[8]，按照初始粘接強度測試條件進行試樣養(yǎng)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(yǎng)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(xiàn)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(biāo)準(zhǔn)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(jié)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(shè)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(zhì)量為m（kg），根據(jù)沖量公式I=F·t=mVt-mV0，由于Vt=0，F(xiàn)=-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(shè)某小汽車前擋玻璃質(zhì)量m1為12kg，駕駛員質(zhì)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(yǎng)護時間與初始粘接強度的關(guān)系。由圖3可知，同一養(yǎng)護溫度下，養(yǎng)護時間與初始粘接強度成正比。養(yǎng)護溫度低于PUR結(jié)晶溫度（見圖4，T=13.6 ℃）時，隨養(yǎng)護時間延長，初始粘接強度變化不大；養(yǎng)護溫度高于PUR結(jié)晶溫度時（如23 ℃），隨養(yǎng)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(yǎng)護溫度低于PUR結(jié)晶溫度時，初始粘接強度主要靠聚合物結(jié)晶產(chǎn)生的內(nèi)聚力；養(yǎng)護溫度高于PUR結(jié)晶溫度時，PUR結(jié)晶能力消失，初始粘接強度主要來自其交聯(lián)固化的厚度，而在短時間內(nèi)其交聯(lián)固化的厚度較?。ㄒ姳?），養(yǎng)護時間越長，PUR交聯(lián)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(yǎng)護時間下，養(yǎng)護溫度越低，初始粘接強度越大，在-20 ℃養(yǎng)護0.5 h時，PUR初始粘接強度可達到0.38 MPa，隨著養(yǎng)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(lián)固化越慢，短時間內(nèi)PUR從較高溫度快速冷卻，結(jié)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(nèi)聚力變得越大。

圖3 養(yǎng)護時間與初始粘接強度的關(guān)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(nèi)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(yǎng)護時間t＜2 h時，初始粘接強度隨養(yǎng)護溫度的升高而降低，養(yǎng)護時間t≥2 h時，隨養(yǎng)護溫度升高，初始粘接強度先減小后增大。其原因可能是養(yǎng)護溫度升高，PUR的結(jié)晶度逐漸減小，初始粘接強度下降，隨著養(yǎng)護時間的增加，PUR逐漸交聯(lián)固化。當(dāng)養(yǎng)護時間t≤2 h時，PUR交聯(lián)固化的厚度較?。ㄒ姳?），PUR結(jié)晶度減小對初始粘接強度下降影響遠大于PUR交聯(lián)固化產(chǎn)生的初始粘接強度；當(dāng)養(yǎng)護時間t≥2 h后， PUR交聯(lián)固化厚度逐漸增大，初始粘接強度主要與PUR交聯(lián)固化厚度有關(guān)，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(yǎng)護時間和養(yǎng)護溫度的變化規(guī)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(shù)值約小一半。這是由于PUR未固化時為鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)，并非交聯(lián)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，故剪切力比粘接力更容易使PUR鏈斷裂。當(dāng)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(dāng)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(dāng)溫度在0 ℃＜T＜23 ℃時，PUR在2.0 h內(nèi)無法達到快速安全駛離的相對最大剪切強度；當(dāng)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(yǎng)護時間與初始剪切強度的關(guān)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(dāng)溫度T≤-10 ℃，安全駛離的時間為0.5 h；當(dāng)溫度-10 ℃＜T≤0 ℃時，其安全駛離時間為0.5～4.0 h；當(dāng)溫度為0 ℃＜T≤10 ℃，安全駛離時間t＞4 h；當(dāng)溫度10 ℃＜T＜23 ℃時，在2.0 h內(nèi)無法達到安全駛離；當(dāng)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(fēng)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(jié)論

（1）理論分析了小汽車正面碰撞前風(fēng)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(yǎng)護溫度下，初始粘接強度與養(yǎng)護時間成正比；當(dāng)養(yǎng)護時間t＜2 h時，初始粘接強度隨養(yǎng)護溫度的升高而降低，當(dāng)養(yǎng)護時間t≥2 h時，隨養(yǎng)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(yǎng)護時間和養(yǎng)護溫度的變化規(guī)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(fēng)擋玻璃維修，安全駛離時間為0.5 h。

[1]李進衛(wèi).低碳經(jīng)濟助力聚氨酯膠黏劑成為汽車市場新貴[J].聚氨酯工業(yè),2015,30(7):58-64.

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[7]全國膠粘劑標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)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(xué)工業(yè)出版社,2013.

[8]全國膠粘劑標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)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(biāo)準(zhǔn)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(chǎn)原材料、配方、專家、教授資料咨詢

2016-04-06

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

無錫誠信印刷包裝新材料應(yīng)用研究所收集了國內(nèi)外膠粘劑研究專家、教授詳細(xì)資料，也可為膠粘劑生產(chǎn)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。