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(shí)現(xiàn)更大程度的降重是車輛輕量化設(shè)計(jì)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(diǎn)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(jì)自由、生產(chǎn)周期短和行人保護(hù)能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)[1,2]。縱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?yàn)閮?nèi)板采用玻纖增強(qiáng)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(dāng)，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(jì)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(dòng)性好，可實(shí)現(xiàn)鈑金沖壓無法實(shí)現(xiàn)的形狀和結(jié)構(gòu)，提高了造型的設(shè)計(jì)自由度[5]。塑料尾門內(nèi)板和外板之間采用膠接工藝進(jìn)行粘接。

當(dāng)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(xué)性能和彈性，適用于動(dòng)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(jìn)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(fēng)標(biāo)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(yàn)證評價(jià)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(jìn)行粘接樣條的剪切強(qiáng)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(yàn)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(jì)的性能要求，結(jié)合企業(yè)輕量化降重需求，確定本次試驗(yàn)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(hào)的內(nèi)板PP-LGF40材料（編號(hào)A-1，A-2，A-3，A-4，A-5），5 種不同牌號(hào)的外板PP+EPDM-T30 材料（編號(hào)B-1，B-2，B-3，B-4，B-5），以及3 種不同牌號(hào)的雙組分聚氨酯粘接劑（編號(hào)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(yàn)項(xiàng)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(jià)標(biāo)準(zhǔn)

2.3 塑料尾門膠粘劑性能研究試驗(yàn)

2.3.1 尾門內(nèi)外板材料表面處理

將5 種不同牌號(hào)的PP-LGF40 材料和5 種不同牌號(hào)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(jìn)行表面清潔后晾干，最后進(jìn)行火焰處理并使用達(dá)因筆測試確保表面處理合格。火焰處理各項(xiàng)參數(shù)需要根據(jù)試樣材料的處理效果適當(dāng)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(dá)因筆測試，表面能達(dá)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(yàn)。

測試基材與膠粘劑粘接的力學(xué)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(jìn)行同一牌號(hào)的PP-LGF40 和PP-LGF40 材料粘接，粘接試樣分別標(biāo)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(hào)的PP+EPDM-T30 和 PP+EPDM-T30 材料粘接，粘接試樣分別標(biāo)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(hào)材料和PP+EPDMT30 B-2 號(hào)材料粘接，粘接試樣分別標(biāo)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(xué)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(qiáng)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(yàn)機(jī)上按照GB/T 7124—2008《膠粘劑拉伸剪切強(qiáng)度的測定（剛性材料對剛性材料）》進(jìn)行剪切強(qiáng)度測試，夾具間距115 mm，拉伸速度50 mm/min。根據(jù)實(shí)際膠粘面積計(jì)算剪切強(qiáng)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(qiáng)度測試，將試樣預(yù)先置于(-40±2)℃溫度下保持4 h 后，在試驗(yàn)箱內(nèi)進(jìn)行剪切強(qiáng)度測試。

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

熱老化剪切強(qiáng)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(jìn)行剪切強(qiáng)度測試。

濕熱剪切強(qiáng)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(biāo)準(zhǔn)環(huán)境箱內(nèi)冷卻1 h 后進(jìn)行剪切強(qiáng)度測試。

冷熱交變剪切強(qiáng)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(jìn)行剪切強(qiáng)度測試。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 常溫、低溫和高溫剪切強(qiáng)度

同一牌號(hào)的PP-LGF40 和PP-LGF40 材料粘接，同一牌號(hào)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(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果如圖2。

圖1 粘接剪切斷裂面外觀

圖2 剪切強(qiáng)度試驗(yàn)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(shí)，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(yàn)有效。圖2 試驗(yàn)結(jié)果顯示，在常溫下5 種PP-LGF40 和PP-LGF40 材料粘接的剪切強(qiáng)度分布在4.21～4.74 MPa，其中A-2/C-1/A-2試樣的剪切強(qiáng)度4.74 MPa 表現(xiàn)最優(yōu)，A-4/C-1/A-4試樣的剪切強(qiáng)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(qiáng)度分布在3.43～4.28 MPa，其中B-1/C-1/B-1 試樣的剪切強(qiáng)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(qiáng)度基本相當(dāng)，B-5/C-1/B-5 試樣的剪切強(qiáng)度僅3.43 MPa。同一型號(hào)的聚氨酯粘接劑，進(jìn)行不同材料、不同牌號(hào)基材的粘接剪切強(qiáng)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(qiáng)度明顯高于PP+EPDM-T30 與PP+EPDM-T30 材料粘接的剪切強(qiáng)度，說明基材本身強(qiáng)度越高，測試的剪切強(qiáng)度越大；基材強(qiáng)度越低，在試驗(yàn)中基材本身的形變會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)偏低[7]。因此，力學(xué)性能優(yōu)異的基材進(jìn)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?cái)嗔驯碛^顯示，膠粘劑與基材有部分分離，但未失效面積≥90%，判定試驗(yàn)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(qiáng)度相比于常溫環(huán)境剪切強(qiáng)度均有顯著提升。其中，PP-LGF40 和PP-LGF40 材料粘接低溫剪切強(qiáng)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(qiáng)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?yàn)榈蜏丨h(huán)境下聚氨酯類膠粘劑高分子鏈之間相互作用增強(qiáng)，膠體本身的內(nèi)聚力變大，拉伸剪切強(qiáng)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?cái)嗔驯碛^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(qiáng)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(qiáng)度相比于常溫分別降低了54%、51%、54%、76%和53%。高溫剪切強(qiáng)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(huì)下降，這就需要重點(diǎn)關(guān)注高溫環(huán)境下內(nèi)外板粘接的各項(xiàng)性能指標(biāo)。

3.2 熱老化、濕熱老化和冷熱交變環(huán)境下的剪切強(qiáng)度

采用市面上成熟應(yīng)用的聚氨酯膠粘劑C-1，進(jìn)行同一牌號(hào)的PP-LGF40 和PP-LGF40 材料粘接，同一牌號(hào)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(yàn)后斷裂失效界面外觀見圖3，剪切強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果見圖4。

圖3 剪切斷裂面外觀

圖4 剪切強(qiáng)度試驗(yàn)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(shí)現(xiàn)100%內(nèi)聚破壞。圖4 試驗(yàn)結(jié)果顯示，PP-LGF40 和PPLGF40 材料粘接的熱老化剪切強(qiáng)度分布在3.05～3.23 MPa，相比于常溫剪切強(qiáng)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(qiáng)度分布在2.85～3.04 MPa，相比于常溫剪切強(qiáng)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(qiáng)度降低幅度最大。

PP-LGF40 和PP-LGF40 材料粘接的濕熱剪切強(qiáng)度分布在3.16～4.33 MPa，相比于常溫剪切強(qiáng)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(qiáng)度3.16 MPa 較常溫剪切強(qiáng)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(qiáng)度略有提升。PP+EPDM-T30 和PP+EPDM-T30 材料粘接的濕熱老化剪切強(qiáng)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(qiáng)度3.6 MPa 較常溫剪切強(qiáng)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(qiáng)度分別為3.03 MPa 和2.85 MPa，相比于常溫剪切強(qiáng)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(qiáng)度分布在4.09～4.88 MPa，較常溫剪切強(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)度較常溫剪切強(qiáng)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(qiáng)度較常溫狀態(tài)分別提升了9%、8%和14%。

試驗(yàn)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(qiáng)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(dāng)溫度升高時(shí)，材料高分子鏈運(yùn)動(dòng)加劇，分子鏈之間易發(fā)生相對位移。當(dāng)分子鏈的運(yùn)動(dòng)能超過化學(xué)鍵能時(shí)就會(huì)引起分子鏈的熱解或基團(tuán)脫落[8]。當(dāng)聚氨酯膠粘劑處于溫度高、濕度大的環(huán)境時(shí)，膠體吸水膨脹、分子鏈運(yùn)動(dòng)活躍，膠體內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力集中，當(dāng)應(yīng)力值超過分子鏈的相互作用極限值時(shí)，聚氨酯膠粘劑分子間的相互作用會(huì)降低，導(dǎo)致試樣剪切強(qiáng)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(yàn)結(jié)果，選取綜合性能優(yōu)異的PP-LGF40 A-3 牌號(hào)的材料和PP+EPDM-T30 B-2 牌號(hào)的材料，以及市面上的3 種膠粘劑 C-1、C-2、C-3，進(jìn)行 PP-LGF40 和 PP+EPDM-T30 材料粘接性能研究，剪切試驗(yàn)斷裂界面失效外觀如圖5，剪切強(qiáng)度試驗(yàn)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(qiáng)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(yàn)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(shí)現(xiàn)100%內(nèi)聚破壞。圖6 試驗(yàn)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(qiáng)度分別為 4.21 MPa、3.18 MPa 和 4.38 MPa，C-3 膠粘劑常溫剪切強(qiáng)度最優(yōu)。3 種膠粘試樣的低溫剪切強(qiáng)度分別為 8.77 MPa、5.26 MPa 和 6.86 MPa，相比于常溫剪切強(qiáng)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(qiáng)度分別為1.78 MPa、1.71 MPa 和1.91 MPa，相較于常溫剪切強(qiáng)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(qiáng)度分別為 3.08 MPa、3.67 MPa 和 3.55 MPa,較常溫剪切強(qiáng)度分別降低了27%、16%和19%，C-3 膠粘劑的熱老化剪切強(qiáng)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(qiáng)度分別為4.24 MPa 和3.32 MPa，相較于常溫剪切強(qiáng)度分別提升了1%和4%，但C-3 膠粘劑濕熱老化剪切強(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)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(yàn)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(qiáng)度優(yōu)于C-1 和C-2 膠粘劑。不同牌號(hào)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(shí)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(shí)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(jià)方法。試驗(yàn)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(xué)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(qiáng)度則是塑料尾門選材需要重點(diǎn)關(guān)注的指標(biāo)。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(hào)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(shí)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。