汽車塑料尾門專用復(fù)合材料和膠粘劑粘接性能的研究

楊文葉 朱長春 姜子敬 李文中 李振興 馬秋

（吉利汽車研究院（寧波）有限公司，寧波 315336）

1 前言

隨著新能源汽車的高速發(fā)展，汽車輕量化已經(jīng)成為行業(yè)技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵方向，而汽車零部件“以塑代鋼”實現(xiàn)更大程度的降重是車輛輕量化設(shè)計的有效手段之一。其中，塑料尾門作為車身輕量化開發(fā)的重點被國內(nèi)外整車廠、零部件和材料企業(yè)爭相研究。汽車塑料尾門與鋼制尾門相比，具有質(zhì)量輕、集成度高、設(shè)計自由、生產(chǎn)周期短和行人保護能力強等優(yōu)點[1,2]?？v觀汽車尾門由鈑金到塑料的技術(shù)革新，前后經(jīng)過片狀模塑料（SMC+SMC）內(nèi)外板組合、聚丙烯和片狀模塑料（PP+SMC）內(nèi)外板組合，第三代塑料尾門的主流選材方向為內(nèi)板采用玻纖增強的聚丙烯材料（PP-LGF），外板采用滑石粉改性的聚丙烯材料（PP+EPDM-T）[3]。尾門內(nèi)板材料PP-LGF 與SMC 相比，剛度模量相當，但密度僅是SMC 材料密度的1/2。此外，PPLGF 采用注塑工藝成型，結(jié)構(gòu)設(shè)計自由，耐熱穩(wěn)定性好，可回收利用[4]。尾門外板改性聚丙烯材料流動性好，可實現(xiàn)鈑金沖壓無法實現(xiàn)的形狀和結(jié)構(gòu)，提高了造型的設(shè)計自由度[5]。塑料尾門內(nèi)板和外板之間采用膠接工藝進行粘接。

當前汽車塑料尾門內(nèi)板材料主要采用PPLGF40，外板材料采用PP+EPDM-T30，內(nèi)外板之間通過聚氨酯膠粘合連接。聚氨酯類膠粘劑是分子鏈中含有氨酯基（-NHCOO-）或異氰酸酯基（-NCO-）類的膠粘劑，由異氰酸酯和多元醇反應(yīng)而成，其分子主鏈由軟段和硬段交替排列，具有良好的力學性能和彈性，適用于動態(tài)接縫的粘接和密封[6]。由于尾門作為開閉件和外觀件，具有極高的安全性能和外觀質(zhì)量要求，塑料尾門的材料主要依靠進口，也僅在部分外資汽車品牌中量產(chǎn)應(yīng)用，代表車型有路虎極光、東風標志308S、日產(chǎn)奇駿、沃爾沃XC60、寶馬i3、英菲尼迪QX50、福特Kuga等。

與傳統(tǒng)鋼制尾門不同，塑料尾門內(nèi)外板材料與膠粘劑的粘接性能直接關(guān)系到尾門性能的優(yōu)劣甚至成敗。因此，深入研究塑料尾門內(nèi)外板基材和膠粘劑在不同工況條件下的粘接性能和性能驗證評價辦法迫在眉睫。本研究對塑料尾門內(nèi)板材料PP-LGF40、外板材料PP+EPDM-T30，和雙組分聚氨酯膠粘劑進行粘接樣條的剪切強度、老化性能測試以及失效模式分析，研究塑料尾門基材與膠粘劑的粘接性能。

2 試驗部分

2.1 塑料尾門內(nèi)、外板和膠粘劑選材

通過分析汽車塑料尾門設(shè)計的性能要求，結(jié)合企業(yè)輕量化降重需求，確定本次試驗塑料尾門內(nèi)板材料PP-LGF40、外板材料PP+EPDM-T30 以及膠粘劑材料的主要性能要求（表1）。選取市場上滿足選材要求的5 種不同牌號的內(nèi)板PP-LGF40材料（編號A-1，A-2，A-3，A-4，A-5），5 種不同牌號的外板PP+EPDM-T30 材料（編號B-1，B-2，B-3，B-4，B-5），以及3 種不同牌號的雙組分聚氨酯粘接劑（編號C-1，C-2，C-3）作為研究對象。

表1 試樣材料性能要求

2.2 塑料尾門膠粘劑試驗項目和性能要求

表3 尾門內(nèi)、外板和膠粘劑粘接的失效模式評價標準

2.3 塑料尾門膠粘劑性能研究試驗

2.3.1 尾門內(nèi)外板材料表面處理

將5 種不同牌號的PP-LGF40 材料和5 種不同牌號的PP+EPDM-T30 材料制作成尺寸為100 mm×25 mm×2.5mm 的條狀試樣，然后使用酒精進行表面清潔后晾干，最后進行火焰處理并使用達因筆測試確保表面處理合格?；鹧嫣幚砀黜梾?shù)需要根據(jù)試樣材料的處理效果適當調(diào)整，處理次數(shù)通常為1 次。本研究經(jīng)火焰表面處理過的試樣采用達因筆測試，表面能達到48 J/m2以上的試樣視為粘接前合格樣件。

2.3.2 粘接材料

將雙組分聚氨酯膠粘劑的A、B 組分按照膠水配方比例通過膠槍的靜態(tài)混合膠嘴混合后擠出在粘接料片之間，樣條搭接長度（12.5±0.25）mm，膠層厚度1.5 mm，膠層內(nèi)部不能有氣泡，試片四周溢出的膠體需要清理干凈，試片粘膠后采用500 g 砝碼壓合，常溫固化2 h 成型后修剪殘膠，選取粘接狀態(tài)良好的樣品做后續(xù)試驗。

測試基材與膠粘劑粘接的力學性能，采用市面上成熟應(yīng)用的雙組分聚氨酯膠粘劑C-1，進行同一牌號的PP-LGF40 和PP-LGF40 材料粘接，粘接試樣分別標記為A-1/C-1/A-1，A-2/C-1/A-2,A-3/C-1/A-3,A-4/C-1/A-4,A-5/C-1/A-5；同一牌號的PP+EPDM-T30 和 PP+EPDM-T30 材料粘接，粘接試樣分別標記為B-1/C-1/B-1，B-2/C-1/B-2,B-3/C-1/B-3,B-4/C-1/B-4,B-5/C-1/B-5。

測試3 種雙組分聚氨酯膠粘劑的性能，選取綜合性能優(yōu)異的PP-LGF40 A-3 號材料和PP+EPDMT30 B-2 號材料粘接，粘接試樣分別標記為A-3/C-1/B-2，A-3/C-2/B-2，A-3/C-3/B-2。

近年來，副詞的特殊功能研究較受關(guān)注，尤其是副詞修飾體詞性結(jié)構(gòu)的問題。目前學界著重從語言的內(nèi)部和外部來解釋其存在的合理性，但對副詞和體詞及體詞性結(jié)構(gòu)之間的選擇關(guān)系還缺乏系統(tǒng)的論述。

2.3.3 性能測試

性能測試所用設(shè)備如表4。

表4 塑料尾門粘接試樣性能測試所用設(shè)備

常溫剪切強度測試，將試樣預(yù)先置于(23±2)℃，(55±5)%濕度的條件下平衡48 h，然后在拉力試驗機上按照GB/T 7124—2008《膠粘劑拉伸剪切強度的測定（剛性材料對剛性材料）》進行剪切強度測試，夾具間距115 mm，拉伸速度50 mm/min。根據(jù)實際膠粘面積計算剪切強度值，5 組平行樣取平均值，并記錄破壞外觀情況。

低溫剪切強度測試，將試樣預(yù)先置于(-40±2)℃溫度下保持4 h 后，在試驗箱內(nèi)進行剪切強度測試。

高溫剪切強度測試，將試樣預(yù)先置于(90±2)℃溫度下保持24 h 后，在試驗箱內(nèi)進行剪切強度測試。

熱老化剪切強度測試，將試樣預(yù)先置于(90±2)℃，(65±5)%濕度的濕熱箱內(nèi)保持168 h，然后再將試樣置放于常溫環(huán)境箱內(nèi)2 h 后進行剪切強度測試。

濕熱剪切強度測試，將試樣預(yù)先置于(40±2)℃，90%濕度的濕熱箱內(nèi)保持96 h，然后再將試樣置放于標準環(huán)境箱內(nèi)冷卻1 h 后進行剪切強度測試。

冷熱交變剪切強度測試，將試樣預(yù)先置于冷熱交變(90±2)℃/3 h→(20±5)℃/0.5 h→(-40±2)℃/2 h→(20±5)℃/0.5 h→，連續(xù)5 次循環(huán)。然后將樣品放置于常溫下平衡2 h 后進行剪切強度測試。

3 試驗結(jié)果分析

3.1 常溫、低溫和高溫剪切強度

同一牌號的PP-LGF40 和PP-LGF40 材料粘接，同一牌號的PP+EPDM-T30 和PP+EPDM-T30材料粘接，膠體固化后測試常溫、低溫和高溫環(huán)境下剪切斷裂失效截面外觀如圖1，剪切強度試驗結(jié)果如圖2。

圖1 粘接剪切斷裂面外觀

圖2 剪切強度試驗結(jié)果

由圖1a 和圖1d 試樣常溫剪切斷裂表觀可以看出，基材與膠粘劑之間受拉伸剪切作用斷裂時，膠粘劑基本從膠體中間斷裂，膠與基材未有分離，說明膠粘劑是100%的內(nèi)聚破壞，這是最理想的失效模式，判定為試驗有效。圖2 試驗結(jié)果顯示，在常溫下5 種PP-LGF40 和PP-LGF40 材料粘接的剪切強度分布在4.21～4.74 MPa，其中A-2/C-1/A-2試樣的剪切強度4.74 MPa 表現(xiàn)最優(yōu)，A-4/C-1/A-4試樣的剪切強度4.21 MPa 性能最差；常溫下5 種PP+EPDM-T30 和PP+EPDM-T30 試樣的剪切強度分布在3.43～4.28 MPa，其中B-1/C-1/B-1 試樣的剪切強度4.28 MPa 表現(xiàn)最優(yōu)，B-2/C-1/B-2、B-3/C-1/B-3 和B-4/C-1/B-4 試樣的剪切強度基本相當，B-5/C-1/B-5 試樣的剪切強度僅3.43 MPa。同一型號的聚氨酯粘接劑，進行不同材料、不同牌號基材的粘接剪切強度有明顯差異，表明膠水與基材粘接的性能與基材的選型有直接關(guān)系。PPLGF40 與PP-LGF40 材料粘接的剪切強度明顯高于PP+EPDM-T30 與PP+EPDM-T30 材料粘接的剪切強度，說明基材本身強度越高，測試的剪切強度越大；基材強度越低，在試驗中基材本身的形變會導(dǎo)致數(shù)據(jù)偏低[7]。因此，力學性能優(yōu)異的基材進行膠粘連接，可以提高零件的綜合性能。

圖1b 和圖1e 試樣低溫斷裂表觀顯示，膠粘劑與基材有部分分離，但未失效面積≥90%，判定試驗有效。圖2 顯示在低溫環(huán)境下PP-LGF40 和PPLGF40 材料粘接，PP+EPDM-T30 和 PP+EPDM-T30材料粘接的剪切強度相比于常溫環(huán)境剪切強度均有顯著提升。其中，PP-LGF40 和PP-LGF40 材料粘接低溫剪切強度較常溫分別提升了123%、139%、83%、108%和85%；PP+EPDM-T30 和PP+EPDM-T30 材料粘接低溫剪切強度較常溫分別提升了70%、98%、87%、75%和89%。產(chǎn)生這種現(xiàn)象主要是因為低溫環(huán)境下聚氨酯類膠粘劑高分子鏈之間相互作用增強，膠體本身的內(nèi)聚力變大，拉伸剪切強度提高。聚氨酯膠粘劑良好的耐低溫性能和低溫粘接高反應(yīng)性保障了塑料尾門內(nèi)外板膠粘在低溫環(huán)境下的安全性能。

圖1c 和圖1f 高溫斷裂表觀顯示膠粘劑從膠體中間斷裂，并且膠與基材未分離。圖2 顯示在高溫環(huán)境下PP-LGF40 和PP-LGF40 材料粘接高溫剪切強度較常溫分別降低了62%、51%、59%、58%和51%。PP+EPDM-T30 和 PP+EPDM-T30 材料粘接的高溫剪切強度相比于常溫分別降低了54%、51%、54%、76%和53%。高溫剪切強度降低主要是由于高溫狀態(tài)下膠粘劑的高分子鏈變軟，在剪切力作用下膠體高分子鏈發(fā)生相對位移，導(dǎo)致膠體的抗剪切能力變差。因此，塑料尾門內(nèi)外板的粘接在高溫環(huán)境下性能會下降，這就需要重點關(guān)注高溫環(huán)境下內(nèi)外板粘接的各項性能指標。

3.2 熱老化、濕熱老化和冷熱交變環(huán)境下的剪切強度

采用市面上成熟應(yīng)用的聚氨酯膠粘劑C-1，進行同一牌號的PP-LGF40 和PP-LGF40 材料粘接，同一牌號的PP+EPDM-T30 和PP+EPDM-T30 材料粘接，膠體固化后測試熱老化、濕熱老化和冷熱交變環(huán)境下的剪切試驗后斷裂失效界面外觀見圖3，剪切強度試驗結(jié)果見圖4。

圖3 剪切斷裂面外觀

圖4 剪切強度試驗結(jié)果

從圖3 的試樣剪切剝離表觀可以看出，在不同的老化條件下，膠粘劑本身發(fā)生斷裂，并未與基材分離，說明膠粘劑與不同基材粘接均能實現(xiàn)100%內(nèi)聚破壞。圖4 試驗結(jié)果顯示，PP-LGF40 和PPLGF40 材料粘接的熱老化剪切強度分布在3.05～3.23 MPa，相比于常溫剪切強度4.21～4.74 MPa 降低了24%～36%，其中A-2/C-1/A-2 試樣的抗剪切性能熱穩(wěn)定性最差。PP+EPDM-T30 和PP+EPDMT30 材料粘接的熱老化剪切強度分布在2.85～3.04 MPa，相比于常溫剪切強度3.43～4.28 MPa 降低了17%～37%，其中B-4/C-1/B-4 試樣的剪切強度降低幅度最大。

PP-LGF40 和PP-LGF40 材料粘接的濕熱剪切強度分布在3.16～4.33 MPa，相比于常溫剪切強度4.21～4.74 MPa 變化了-33%～2%。其中，A-2/C-1/A-2 試樣的濕熱老化剪切強度3.16 MPa 較常溫剪切強度4.74 MPa 降低了33%，降低最明顯；A-3/C-1/A-3 和A-4/C-1/A-4 試樣的濕熱剪切性能相比于常溫剪切強度略有提升。PP+EPDM-T30 和PP+EPDM-T30 材料粘接的濕熱老化剪切強度分布在3.2～4.02 MPa，其中B-1/C-1/B-1 試樣的濕熱老化剪切強度3.6 MPa 較常溫剪切強度4.28 MPa 降低了 16%；B-2/C-1/B-2 和 B-5/C-1/B-5 試樣的濕熱老化剪切強度分別為3.03 MPa 和2.85 MPa，相比于常溫剪切強度3.78 MPa 和3.43 MPa 分別提高了6%和9%。

PP-LGF40 和PP-LGF40 材料粘接冷熱交變剪切強度分布在4.09～4.88 MPa，較常溫剪切強度提升了3%～11%。而PP+EPDM-T30 和PP+EPDMT30 材料粘接的冷熱交變剪切強度分布在3.4～4.13 MPa，其中 A-1/C-1/A-1 和 A-4/C-1/A-4 試樣的冷熱交變剪切強度較常溫剪切強度分別降低了8%～10%，A-2/C-1/A-2、A-3/C-1/A-3 和A-5/C-1/A-5 試樣的冷熱交變剪切強度較常溫狀態(tài)分別提升了9%、8%和14%。

試驗結(jié)果顯示，PP-LGF40 和PP-LG40 材料粘接、PP+EPDM-T30 和 PP+EPDM-T30 材料粘接的剪切強度受熱老化影響最為顯著，在濕熱老化和冷熱交變老化前后性能損失微小或略微提升。這表明溫度是引起粘接試樣老化的主要原因，當溫度升高時，材料高分子鏈運動加劇，分子鏈之間易發(fā)生相對位移。當分子鏈的運動能超過化學鍵能時就會引起分子鏈的熱解或基團脫落[8]。當聚氨酯膠粘劑處于溫度高、濕度大的環(huán)境時，膠體吸水膨脹、分子鏈運動活躍，膠體內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力集中，當應(yīng)力值超過分子鏈的相互作用極限值時，聚氨酯膠粘劑分子間的相互作用會降低，導(dǎo)致試樣剪切強度降低[9]。

3.3 不同膠粘劑粘接性能研究

根據(jù)常溫、高溫、低溫和老化環(huán)境試驗結(jié)果，選取綜合性能優(yōu)異的PP-LGF40 A-3 牌號的材料和PP+EPDM-T30 B-2 牌號的材料，以及市面上的3 種膠粘劑 C-1、C-2、C-3，進行 PP-LGF40 和 PP+EPDM-T30 材料粘接性能研究，剪切試驗斷裂界面失效外觀如圖5，剪切強度試驗結(jié)果如圖6。

圖5 PP-LGF40與PP+EPDM-T30粘接剪切斷裂面外觀

圖6 PP-LGF40和PP+EPDM-T30粘接剪切強度

從圖5 的試樣剪切剝離表觀可以看出，在不同工況的剪切試驗條件下，膠粘劑本身發(fā)生斷裂，并未與基材分離，說明膠粘劑與不同基材粘接均能實現(xiàn)100%內(nèi)聚破壞。圖6 試驗結(jié)果顯示，PPLGF40 A-3 材料和 PP+EPDM-T30 B-2 材料采用雙組分聚氨酯C-1、C-2、C-3 膠粘的常溫剪切強度分別為 4.21 MPa、3.18 MPa 和 4.38 MPa，C-3 膠粘劑常溫剪切強度最優(yōu)。3 種膠粘試樣的低溫剪切強度分別為 8.77 MPa、5.26 MPa 和 6.86 MPa，相比于常溫剪切強度分別提升了108%、66%和57%，C-1 膠粘劑低溫環(huán)境下性能提升幅度最大。3 種膠粘劑高溫剪切強度分別為1.78 MPa、1.71 MPa 和1.91 MPa，相較于常溫剪切強度分別降低了58%、46%和56%，C-2 膠粘劑高溫性能損失相對較小。3 種膠粘劑的熱老化剪切強度分別為 3.08 MPa、3.67 MPa 和 3.55 MPa,較常溫剪切強度分別降低了27%、16%和19%，C-3 膠粘劑的熱老化剪切強度最優(yōu)，但抗熱老化性能衰減能力差于C-2。C-1 和C-2 膠粘劑的濕熱老化剪切強度分別為4.24 MPa 和3.32 MPa，相較于常溫剪切強度分別提升了1%和4%，但C-3 膠粘劑濕熱老化剪切強度3.89 MPa 相比于常溫性能降低了11%，說明C-3 的耐濕熱老化性能最差。 C-2 膠粘劑的冷熱交變剪切強度3.91 MPa,較常溫性能提升了23%，C-1 和C-3 膠粘劑的冷熱交變剪切強度分別為4.09 MPa 和3.83 MPa，相較于常溫性能分別降低了3%和12%。

試驗結(jié)果表明，C-1 膠粘劑的綜合性能最優(yōu)，也是市面上應(yīng)用最多的產(chǎn)品之一，C-2 膠粘劑的抗高溫、濕熱和冷熱交變性能衰減能力最優(yōu)。C-3 膠粘劑在高溫和熱老化環(huán)境中剪切強度優(yōu)于C-1 和C-2 膠粘劑。不同牌號的雙組分膠粘劑性能優(yōu)勢和劣勢存在較大差異，塑料尾門膠粘劑選型需要根據(jù)其實際使用環(huán)境選擇特性最優(yōu)的粘接劑。

4 結(jié)論

塑料尾門專用復(fù)合材料和膠粘劑的粘接性能是全塑尾門開發(fā)的關(guān)鍵。根據(jù)汽車尾門實際應(yīng)用過程中需要保證的性能，確定了塑料尾門基材和膠粘劑材料選擇的性能要求和測試評價方法。試驗表明，雙組分聚氨酯膠粘劑與不同的基材粘接均表現(xiàn)出了良好的粘接性能，力學性能優(yōu)異的基材粘接可以提高尾門的綜合性能。雙組分聚氨酯與基材粘接優(yōu)異的抗低溫剪切能力保障了尾門在極寒工況下的安全性，而高溫環(huán)境下明顯降低的剪切強度則是塑料尾門選材需要重點關(guān)注的指標。雙組分聚氨酯與基材的粘接受熱老化的影響最為顯著，在濕熱老化和熱交變老化條件下穩(wěn)定性較好。此外，不同牌號的雙組分膠粘劑性能優(yōu)勢和劣勢存在較大差異。因此，塑料尾門材料的開發(fā)需充分研究其在實際使用中的極端環(huán)境，必須保證高溫、低溫和老化的安全性能。