摘要：以自制濕固化型聚氨酯熱熔膠（PUR）為研究對象，通過對前風擋玻璃粘接膠受力分析，PUR聚氨酯熱熔膠在不同養護溫度、不同養護時間條件下的初始粘接強度和初始剪切強度的綜合分析安全駛離限制性條件。結果表明，當溫度T≤-10℃時，汽車前風擋玻璃維修后在0.5h達到快速安全駛離。
關鍵詞：濕固化型聚氨酯熱熔膠；風擋玻璃維修；快速安全駛離
Analysis the restrictedly factors of fast driving away for windscreen with PUR maintaining
Li Zhongjing, Luo Xi, Zhong Tian, Zhan Feng
(Guangdong pustar adhesives & sealants Co., Ltd., Dongguan Guangdong 523600)
Abstract: PUR which prepared by ourselves had been researched. The automobile front windscreen adhesive was to be stress analysis. The PUR initial adhesive strength and initial shear strength were to be researched by different curing temperature and times to analysis the restrictedly factors of fast driving away. The results showed that T≤-10oC, the automobile front windscreen can safe driving fast in 0.5h after repairing.
Keywords: PUR, maintaining of windscreen, fast driving away
聚氨酯粘接膠是汽車風擋玻璃安裝的最好粘接材料，世界95%的汽車風擋玻璃均采用單組分濕氣固化聚氨酯粘接膠[1,2]。隨著社會經濟的飛速發展，人們對快速裝配及汽車維修市場快速安全駛離要求越來越高，普通單組分濕氣固化聚氨酯粘接膠的性能受壞境影響非常大，尤其是低溫壞境下體系反應活性低，初始粘接強度小，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（簡稱PUR）采用加熱施工，分別依靠物理結晶和化學交聯固化兩種方式實現快速定位和形成最終粘接強度，兼具熱熔型膠粘劑和反應型膠粘劑兩類膠粘劑的優點[5,6]，不斷受到相關研究人員的重視。本文以自制PUR作為研究對象，通過對前風擋玻璃粘接膠進行受力分析，重點考察PUR養護時間、養護溫度對初始粘接強度和初始剪切強度的影響，并確定PUR用于汽車風擋玻璃維修時達到快速安全駛離的最佳條件。
1 實驗部分
表1 PUR的基本性能
|
項目 |
測試結果 |
項目 |
測試結果 |
|
密度（g/cm3） |
1.29 |
邵氏硬度（Shore A） |
60 |
|
固含量（%） |
99.2 |
拉伸強度（MPa） |
8.4 |
|
固化速度(mm/24h) |
3.1 |
拉斷伸長率（%） |
469 |
|
下垂度（mm） |
0 |
撕裂強度（N/mm） |
29.3 |
|
表干時間（min） |
10 |
剪切強度（MPa） |
5.9 |
選取自制的PUR作為研究對象，其基本性能（測試前PUR需放置于80℃烘箱內預熱1h，然后在標態下進行測試）如表1所示，符合標準HG/T4363-2012《汽車車窗用單組份聚氨酯膠粘劑》[7]中Ⅰ型產品的性能指標要求。初始粘接強度測試：以尺寸60*25*5mm的普通浮法玻璃為測試基材（經底涂預處理）制作圖1所示初始粘接測試試樣，膠粘尺寸為40*10*10mm。分別在溫度-20℃、-10℃、0℃、10℃和23℃條件下養護0.5h、1h、2h、3h、4h和5h時間后，用高低溫拉力試驗機以50mm/min的速度拉至破壞（圖1），記錄各養護點最大力F拉，拉伸強度δ=F拉/(a*b) ，其中：δ為拉伸強度，MPa；F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。初始剪切強度測試：按GB/T7124-1986標準制樣[8]，按照初始粘接強度測試條件進行試樣養護后，用高低溫拉力試驗機以50mm/min的速度拉至破壞，記錄各養護條件最大破壞力F剪，剪切強度τ=F剪/(a*b),其中：τ為剪切強度，MPa；F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。PUR固化情況測試：按HG/T4363-2012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。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10K/min。
圖1 初始粘接測試示意圖
2 結果與討論
2.1 前擋玻璃粘接膠受力分析
以小型汽車前擋玻璃維修為例，安裝維修后行駛速度V0正面碰撞障礙物，時間t后停止，速度Vt=0，設汽車前進方向為正方向，為保險起見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，總重量為m，根據沖量公式I=Ft=mVt-mV0，由于Vt=0，F=-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，前擋玻璃與水平面所成夾角為θ，受到水平方向力F，受到垂直向下重力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 ②；受到沿斜面向上剪切力：F剪=mg·sinθ+ F·cosθ= mg·sinθ+mV0/t·cosθ ③。通過公式可計算出前擋玻璃受到的最大粘接強度δmax和最大剪切強度τmax。
圖2 前擋玻璃受力分析
假設某小汽車前擋玻璃重量m1為12kg，駕駛員質量m2為60kg，g取10N/kg，汽車初始速度V0為48km/h（即V0=13.3m/s），水平正面碰撞障礙物，在時間t為0.15s[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4300mm，粘接寬度b為10mm，代入②式可得δmax=0.06MPa，代入③式可得τmax=0.14MPa。
2.2初始粘接強度性能分析
圖3 養護時間與初始粘接強度的關系 圖4 PUR的DSC曲線
圖3為養護時間與初始粘接強度的關系。可以看出，同一養護溫度下，養護時間與初始粘接強度成正比，養護溫度低于PUR結晶溫度（見圖4，T=13.6）時，隨養護時間延長，初始粘接強度變化不大，養護溫度高于PUR結晶溫度時（如23℃）隨養護時間的延長初始粘接強度變化最大，由0.11MPa變化至0.57MPa，增加了418.18%。原因是，養護溫度低于PUR結晶溫度時，初始粘接強度主要靠聚合物結晶產生內聚力，養護溫度高于PUR結晶溫度，PUR結晶能力消失，初始粘接強度主要來自其交聯固化的厚度，而在短時間內其交聯固化的厚度較薄（表2），養護時間越長，PUR交聯固化厚度增大，初始粘接強度變化大。由圖3還可以看出，同一養護時間下，養護溫度越低，初始粘接強度越大，在-20℃條件下養護0.5h時，PUR初始粘接強度可達到0.38MPa，隨著養護溫度的增大，初始粘接強度增大，原因是溫度越低，PUR交聯固化越慢，短時間PUR從較高溫度快速冷卻，結晶速度越快，高聚物鏈段收縮快，晶體緊密堆砌程度增大，體積收縮快，內聚力越大。
表2 PUR不同溫度5h內的固化情況
|
養護溫度/℃ |
交聯固化厚度/mm |
|||||
|
0.5h |
1h |
2h |
3h |
4h |
5h |
|
|
23 |
Ο |
0.27 |
0.49 |
0.76 |
0.99 |
1.18 |
|
10 |
Ν |
Ν |
Ο |
0.25 |
0.34 |
0.48 |
|
0 |
Ν |
Ν |
Ν |
Ο |
0.22 |
0.42 |
|
-10 |
Ν |
Ν |
Ν |
Ν |
Ο |
0.23 |
|
-20 |
Ν |
Ν |
Ν |
Ν |
Ν |
Ν |
Ν—PUR未表干成膜；Ο—PUR剛表干成膜。
同時可以看出（圖3），養護時間為t＜2h時，初始粘接強度隨養護溫度的升高而降低，養護時間t≥2h，隨養護溫度升高，初始粘接強度先減小后增大。原因是養護溫度升高，PUR的結晶度逐漸減小，初始粘接強度下降，隨著養護時間的增加，PUR逐漸交聯固化，養護時間t≤2h時，PUR交聯固化的厚度較薄（表2），PUR結晶度減小對初始粘接強度下降影響遠大于PUR交聯固化產生的初始粘接強度，當養護時間t≥2h后， PUR交聯固化厚度逐漸增大，初始粘接強度主要與PUR交聯固化厚度有關，故初始粘接強度逐漸增大。綜上所述，在-20℃～23℃下，PUR在0.5h均可達到快速安全駛離最大粘接強度δmax=0.06MPa。
2.3 初始剪切強度性能分析
圖5養護時間與初始剪切強度的關系
由圖5可知，初始剪切強度的隨養護時間和養護溫度的變化規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值上約小一半。這是由于PUR未固化時為鏈式結構，并非交聯網狀結構，故剪切力比粘接力更容易使PUR鏈斷裂。當溫度T≤-10℃，PUR在0.5h即可達到快速安全駛離最大剪切強度τmax=0.14MPa；當溫度在-10℃＜T≤0℃，PUR在4.0h后能達到快速安全駛離最大剪切強度；溫度在0℃＜T＜23℃時，PUR在2.0h內無法達到快速安全駛離最大剪切強度；當溫度T≥23℃時，PUR能在2.0h達到快速安全駛離最大剪切強度τmax=0.14MPa。
2.4 安全駛離條件綜合分析
表3 綜合安全駛離時間對比表
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溫度（℃） |
單項安全駛離時間（h） |
綜合安全駛離時間（h） |
|
|
初始粘接 |
初始剪切 |
||
|
-20 |
0.5 |
0.5 |
0.5 |
|
-10 |
0.5 |
0.5 |
0.5 |
|
0 |
0.5 |
4 |
4 |
|
10 |
0.5 |
/ |
/ |
|
23 |
0.5 |
2 |
2 |
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。可以看出，當溫度T≤-10℃，安全駛離的時間為0.5h；當溫度-10℃＜T≤0℃，其安全駛離時間為 0.5～4.0h；當溫度為0℃＜T≤10℃，安全駛離時間＞4h；當溫度10℃＜T＜23℃，在2.0h內無法達到安全駛離；當溫度T≥23℃，安全駛離時間為2.0h。由此看出，PUR特別適用于低溫條件下（T≤-10℃）要求快速駛離的風擋玻璃維修，安全駛離時間為0.5h。
3 結論
1、理論分析小汽車正面碰撞前風擋玻璃受到情況，并通過假定估算出最大粘接強度δmax=0.06MPa和最大剪切強度τmax=0.14MPa；
2、通過對PUR初始粘接強度和初始剪切強度性能分析，同一養護溫度下，初始粘接強度與養護時間成正比；養護時間為t＜2h時，初始粘接強度隨養護溫度的升高而降低，養護時間t≥2h，隨養護溫度升高，初始粘接強度先減小后增大，初始剪切強度的隨養護時間和養護溫度的變化規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（T≤-10℃）要求快速駛離的風擋玻璃維修，安全駛離時間為0.5h。