汽車車身密封系統(tǒng)用橡塑材料的應用與發(fā)展

黃碩,王亮,黃江玲,高祥達

(東風汽車公司技術中心非金屬材料室，湖北武漢 400058)

?

汽車車身密封系統(tǒng)用橡塑材料的應用與發(fā)展

黃碩,王亮,黃江玲,高祥達

(東風汽車公司技術中心非金屬材料室，湖北武漢 400058)

摘要：車身密封系統(tǒng)對汽車車身的密封、減震起到重要作用，可降低乘客艙噪聲，隔水、隔熱、防塵，是汽車車身的重要組成部分。詳細介紹了車身密封系統(tǒng)橡塑材料的性能及要求，并按照車身密封系統(tǒng)的分類對比分析了不同部位和工況下車身密封系統(tǒng)橡塑材料的應用情況、性能特點和材料選型規(guī)則，探討了車身密封系統(tǒng)橡塑材料的研究現狀及未來的發(fā)展趨勢。

關鍵詞：車身密封系統(tǒng)；橡塑材料

0引言

汽車車身密封系統(tǒng)是汽車車身的重要組成部分，主要包含用于車門、車窗、車身、天窗、發(fā)動機箱和后備(行李)箱等部位的橡塑密封條。車身密封系統(tǒng)主要起到隔音、防塵、防滲水和減震的作用，并且能夠保持和維護車內小環(huán)境，對車內乘員、機電裝置和附屬物品起到重要的保護作用。作為汽車車身密封系統(tǒng)的主要組成材料，橡膠、聚氯乙烯和熱塑性彈性體等橡塑材料已得到廣泛的應用。據不完全統(tǒng)計，車身密封系統(tǒng)中橡膠、聚氯乙烯和熱塑性彈性體等橡塑材料在單車中的用量已超過25 kg。隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，汽車輕量化和燃油排放等環(huán)保要求日益提升，熱塑性彈性體材料和微發(fā)泡橡膠材料在車身密封系統(tǒng)中的應用會逐年增加[1-2]。

1車身密封系統(tǒng)橡塑材料

在車身密封系統(tǒng)中，主要應用的橡塑材料有三元乙丙橡膠(EPDM)、聚氯乙烯(PVC)塑料以及熱塑性彈性體材料。

1.1三元乙丙橡膠

EPDM橡膠是由乙烯、丙烯單體加入少量非共軛二烯烴聚合而成。其結構特點是在聚合物分子主鏈上無不飽和雙鍵，而在支鏈上引入了不飽和雙鍵，因而具有極好的耐臭氧性能和耐氣候性能以及良好的加工性能和低壓縮永久變形，耐熱最高可達160 ℃左右，長期耐熱溫度最高可達120 ℃，耐低溫達-40 ℃，耐極性溶劑和無機介質好，包括水、高溫蒸汽及冷卻液，是生產密封條的重要材料。根據車身密封系統(tǒng)各部位和功能需求的不同，在實際應用中，在EPDM材料中加入硫化、防護、補強、操作體系材料和特殊賦予材料(如著色劑、發(fā)泡劑)，可制得密實膠(包括黑色膠和彩色膠)和海綿膠。

1.1.1EPDM密實膠材料

對強度、伸長率以及壓縮永久變形有較大要求的車身密封系統(tǒng)，多選用EPDM密實膠或以密實膠為基材與EPDM海綿膠、骨架共擠組成復合膠條。根據溫度、介質環(huán)境及使用條件的不同，EPDM密實膠的材料性能定義必須同時滿足較高的機械強度及耐老化性能等要求。

1.1.2EPDM海綿膠材料

用于車身密封系統(tǒng)的EPDM海綿膠多為空心泡管結構，具有較好的溫、濕度保持功能和隔音降噪功能，相比密實膠極大地減輕了質量?，F在，大部分有天候要求的密封系統(tǒng)均采用帶有空心結構的EPDM海綿橡膠材料，如門框密封系統(tǒng)、車門密封系統(tǒng)，行李箱密封系統(tǒng)、發(fā)動機箱蓋密封系統(tǒng)等。

1.2聚氯乙烯材料

聚氯乙烯(PVC)材料是傳統(tǒng)的通用塑料，通過加入改性劑可以使其耐老化性能大為改善，外觀性能近似于橡膠, 并且具有接近橡膠的表面光滑性、柔軟性及回彈性，在汽車車身密封系統(tǒng)中有一些應用。但由于其回彈性較差，在車身密封系統(tǒng)上主要用于機械強度及回彈性能要求較低的非動態(tài)密封系統(tǒng)，如玻璃包邊條、內外側條和一些密封條的夾持部位材料。

1.3熱塑性彈性體(TPE)材料

熱塑性彈性體材料(TPE)是包埋在熱塑性基體(如PP或PA等塑料)內的化學交聯(硫化)橡膠性彈性體，其結構特點是由塑料和橡膠兩相組成，故兼有塑料和橡膠的特點，如加工無須硫化、容易實現精確斷面的控制、材料可回收利用、環(huán)境友好性高。但由于其彈性較差，壓縮永久變形較大，同時海綿體的制造技術尚不夠成熟，且價格較高，故其用量受到很大限制。隨著TPE制造技術的提高和完善，其應用范圍正逐步擴大。目前，TPE材料在車身密封系統(tǒng)方面，主要用于窗臺內外密封系統(tǒng)和玻璃導槽以及密封條接角膠的制造，在角窗玻璃、前后風擋玻璃包膠也已逐漸有一些TPE的應用。

2橡塑材料在車身密封系統(tǒng)的應用

車身密封系統(tǒng)的分類方法較多，可以按密封件安裝部位、密封特點、膠料復合結構、材料品種等進行分類。作者根據工作環(huán)境的不同，將汽車車身密封系統(tǒng)分為2個主要系統(tǒng)：承受靜載荷的密封條系統(tǒng)和承受動載荷的密封系統(tǒng)，并討論這2個系統(tǒng)的橡塑材料的應用情況。

2.1承受靜載荷的密封系統(tǒng)及橡塑材料的應用

2.1.1前后風窗玻璃密封系統(tǒng)及橡塑材料

前后風窗密封系統(tǒng)一般起到裝飾的作用，而不起主要密封作用，玻璃和車身主要是靠玻璃膠粘結起來的。風窗玻璃密封系統(tǒng)與風窗玻璃、車身的連接方式現在多為密封嵌條、粘接劑將玻璃同車身安裝并固定。根據其產品性能要求以及結構特點，風窗玻璃密封系統(tǒng)橡塑材料的耐候性、耐光老化性能等外觀要求較高，材料的拉伸性能、壓縮永久變形、耐動態(tài)疲勞等性能要求較低，因此，前、后風窗玻璃密封系統(tǒng)多采用由單一EPDM密實橡膠或PVC材料制成，TPV材料可降低質量，是未來的發(fā)展趨勢。

2.1.2角窗玻璃密封系統(tǒng)橡塑材料

角窗玻璃密封系統(tǒng)主要起到將角窗玻璃包邊、裝飾并部分密封的作用。由于角窗玻璃整體尺寸較小，可以用擠出基本斷面、然后再模壓(注射)接角或采用整體模壓(注射)成型2種方法來實現橡塑材料包膠。也可以在角窗玻璃周邊直接注射上軟PVC或TPE材料包邊。傳統(tǒng)的角窗玻璃密封系統(tǒng)同前、后風窗玻璃密封系統(tǒng)一樣是使用單一實體EPDM橡膠或PVC材料。由于該部位的材料無需較高的壓變性能，高端車已開始逐漸采用TPE材料，以達到更加環(huán)保、更高質感的目的。

2.2承受動載荷的密封系統(tǒng)及橡塑材料的應用

2.2.1發(fā)動機罩密封系統(tǒng)橡塑材料

發(fā)動機罩密封系統(tǒng)，用于發(fā)動機罩前的密封以及發(fā)動機蓋同車身前部的密封，其作用主要是阻止發(fā)動機艙內的廢氣浸入乘客室內、完全密閉發(fā)動機艙的間隙，并阻止發(fā)動機艙噪聲的外泄。其橡塑材料主要是使用海綿橡膠+軟實體橡膠+金屬骨架三復合或海綿橡膠+硬實體橡膠二復合結構的密封條。由該系統(tǒng)使用環(huán)境的特殊性決定，密封條用材必須能耐120 ℃的高溫，同時對汽車所使用的潤滑劑、制冷劑、油、玻璃洗滌劑等具有良好的穩(wěn)定性，一般多采用EPDM橡膠。

2.2.2車門密封系統(tǒng)橡塑材料

汽車車門密封系統(tǒng)主要包括車門密封條和車門框密封條。車門密封條主要用于車門的固定、減震、防塵及密封，其結構有2種：一種為全海綿膠泡管，另一種由密實膠基體和海綿膠組成，這種密封膠粘貼或鑲嵌在車門上，與門框密封條配合，以增加車門與車體的密封作用。目前，隨著工藝發(fā)展和輕量化趨勢，全海綿膠泡管逐漸成為車門密封條的發(fā)展趨勢，且根據發(fā)泡管部位的不同，泡棉的材料配比有所不同。如圖1所示，該門密封條的斷面中紅色部位的泡管的壓縮負荷需符合產品定義，可應用密度較輕、回彈性好的橡膠泡棉材料，而藍色部位與車身鈑金連接，耐撕裂強度要求高，可采用密度、強度稍高的材料。

車門框密封采用帶有完整的玻璃導槽結構的密封條，用于密閉車身頂蓋與門框之間的間隙，它不但要保證密封性，還要承受關門時的沖擊力，因此它既要有彈性，也要有韌性，主要由密實膠基體和海綿膠泡管兩部分組成。密實膠內含有金屬骨架，起到加強膠條的定型和固定作用。海綿膠泡管柔軟并富有彈性，起著受壓變形、卸壓反彈的功能。

決定車門密封系統(tǒng)的密封性、安裝牢固性及車門關閉力大小的材料性能因素主要為材料硬度、材料密度，且耐候性、耐老化性及氣味性要求均較高，多選用強度和壓變性能好的EPDM密實橡膠和海綿橡膠。

2.2.3活動天窗密封系統(tǒng)及橡塑材料的應用

活動天窗密封系統(tǒng)是為改善車廂內的通風而設置的。根據其開啟方式可分為滑動式和升降式2種系統(tǒng)。為降低與玻璃的摩擦阻力，需在密封條的密封面上進行植絨或涂層處理。活動天窗玻璃密封條的制造公差非常嚴格，任何幾何形狀的偏差都將導致雨水的浸入或增大天窗玻璃的關閉力，導致電動機構操縱失靈，因此該系統(tǒng)多選用收縮量小、耐候性好的EPDM橡膠材料。該材料定義參見表1。

2.2.4行李箱蓋密封系統(tǒng)橡塑材料

行李箱蓋或者后背門密封系統(tǒng)由含骨架的密實膠基體和海綿膠泡管組成，能夠承受一定的沖擊力，保證后蓋關閉時的密封，對防水性的要求極高。為滿足其工況，必須使用耐候性高、壓縮永久變形性能優(yōu)異、耐撕裂強度大的EPDM橡膠材料。

2.2.5玻璃升降密封系統(tǒng)橡塑材料

玻璃升降密封系統(tǒng)較為復雜，它包括了導向和密封功能。該系統(tǒng)主要包括窗框玻璃導槽和窗臺內、外密封條。窗框玻璃導槽密封條可由不同硬度的EPDM密實膠組成，鑲嵌入車身保證尺寸配合的精確性，達到密封防滲漏、隔音的作用。密封條的唇邊還粘貼有植絨面，當玻璃上下移動時可以降低玻璃與膠條之間的滑動摩擦并降低噪聲。目前，TPV材料的應用已逐漸取代EPDM的應用，它主要采取三層共擠出的工藝一次成型，如圖2所示，分為基材、底部和側面滑材以及唇邊滑材?；牟捎脙r格較低的TPV材料，滑材采用摩擦因數低、耐磨性好的材料，以降低成本。

窗臺內、外密封條通常由單一彈性體或與金屬骨架復合擠出生產，通過金屬卡子將密封條與車身板固定。中高檔轎車已實現采用2種硬度的熱塑性彈性體材料復合擠出來制造密封條：密封部位采用軟質材料，裝卡部位采用高硬度的材料。為美化車身外觀，完善密封性，將窗框玻璃導槽密封條與窗臺內、外密封條制成一體化的玻璃升降密封條將是未來的趨勢。

2.3車身密封系統(tǒng)橡塑材料選材特性

針對各部位車身密封系統(tǒng)的不同工況要求，對橡塑材料的選材特性進行了歸類和總結，見表1。

3車身密封系統(tǒng)橡塑材料發(fā)展趨勢

3.1提升可回收性

歐盟提出汽車材料的利用率2015年達到95%。我國《汽車產品回收利用技術政策》于2006年2月6日頒布，鼓勵汽車生產制造過程中使用可循環(huán)利用的材料，以利于材料的回收利用：2010年汽車材料必須85%可再生，到2017年進一步提升至95%。因此，以熱塑性彈性體(TPE)為基體的密封條的使用有快速增長的趨勢：

(1)TPE材料的可回收性，可以減少原來使用EPDM成品不可回收帶來的廢膠污染問題；

(2)TPE材料加工過程中無須加熱硫化，減少了加工過程中的能耗和加熱后的揮發(fā)物污染；

(3)隨著TPE的發(fā)展，現在的性能可以接近EPDM性能，在部分產品上達到可以替代的性能，如玻璃升降密封系統(tǒng)中的內水切、玻璃導槽等。

3.2提升散發(fā)性能

我國自2007年1月1日起對汽車內飾產品實施有害物質的認證，國家正在制定《車內污染物濃度限值及測量方法》標準，表2為各主機廠對散發(fā)性能的要求。

為了迎合這種趨勢，滿足VOC要求，車身密封系統(tǒng)的橡塑材料除了TPE材料的應用之外，在低排放新型材料的應用上還可以對橡膠促進體系進行升級。

在EPDM膠料中，非亞硝基促進劑的使用替代可提升原有EPDM橡膠的散發(fā)性。EPDM橡膠新型促進劑見表3。

3.3輕量化趨勢的影響

隨著汽車輕量化迫切程度日益提升，車身密封系統(tǒng)輕量化的趨勢主要有以下2個方面：(1)使用TPE+PP的結構替代EPDM+金屬骨架的結構；(2)啟用低密度的EPDM膠來替代密實膠。

3.3.1TPE材料應用于輕量化

一般情況下，橡膠的密度多在1.1～1.4 g/cm3的范圍內，部分情況下會使用更高密度的膠料，這導致車身密封系統(tǒng)的質量會達到9～10 kg(包括其中使用的鋼制骨架材料)；而TPE的密度一般為0.9～1.05 g/cm3，這就使得同樣體積下的材料質量下降明顯；由于TPE和PP等塑料材料的工藝兼容性和良好的結合力，在部分成品中可以直接使用PP等材料來替代鋼制骨架，這又導致了質量的直接下降。由于上述因素，在內外水切上應用的PP+TPE的形式變得廣泛起來。

3.3.2低發(fā)泡EPDM膠料的應用

現在車身密封系統(tǒng)的骨架夾持部位使用的膠料均為EPDM密實膠，其密度高達1.2 g/cm3?，F在的發(fā)展趨勢是使用低發(fā)泡的實心膠進行替代，要求其密度在0.95～1.05 g/cm3。這種新的要求在日系車中使用較多，要求新的膠料系統(tǒng)的改進。這是一個新的膠種，目前在國內尚未大規(guī)模推廣和應用。

綜合分析可見，由于具有較低的密度、與PP有良好的粘結性、類似材料的加工工藝、可回收利用性好以及環(huán)保性能好等特性，TPE材料在車身密封系統(tǒng)中的應用具有廣泛的前景。

4總結

隨著科技的進步、汽車工業(yè)的發(fā)展，車身密封系統(tǒng)結構的合理性，設計的人性化，生產工藝的流程化、自動化，產品的安全性、環(huán)保性、可回收性、配套美觀性、多樣性等已成為當下汽車密封系統(tǒng)的發(fā)展趨勢。尤其隨著新興材料的不斷涌現，車身密封系統(tǒng)橡塑材料正在不斷地推陳出新和提高，從而滿足汽車輕量化、低成本和環(huán)保的發(fā)展目標。在未來，低密度、微發(fā)泡EPDM橡膠的開發(fā)和應用，TPE材料的進一步推廣將是車身密封系統(tǒng)橡塑材料的重要發(fā)展方向。

參考文獻:

【1】陳海燕.汽車橡膠密封條技術概述[J].橡膠工業(yè)，2003,50(1):26-29.

【2】何偉.汽車車身彈性體密封系統(tǒng)[J].中國橡膠，2002,18(19):28-30.

Development and Application of Rubber and Plastic Materials of Car Body Sealing System

HUANG Shuo,WANG Liang,HUANG Jiangling, GAO Xiangda

(Non-metallic Material Technology Branch, Technical Center, Dongfeng Motor Corporation,Wuhan Hubei 400058, China)

Keywords:Car body sealing system; Rubber and plastic materials

Abstract:Car body sealing system plays an important role in car body sealing and shock absorption,via reducing passenger cabin noise,isolating water,heat and dust，which is an important part of car body. The performance and requirements of rubber and plastic materials of car body sealing system were introduced particularly. The application, characteristics and material selection rules of rubber and plastic materials of car body sealing system were contrasted and analyzed according the classification of car body sealing systems. In the end, the research status and developing trend of rubber and plastic materials of car body sealing system were discussed.

收稿日期：2015-11-13

作者簡介：黃碩，男，碩士，從事汽車用高分子材料的應用與研究工作。E-mail:huangshuo@dfmc.com.cn。

中圖分類號:U465.4+2

文獻標志碼：A

文章編號：1674-1986(2016)03-086-04