摘要：以自制湿固化型聚氨酯热熔胶（PUR）为研究对象，通过对前风挡玻璃粘接胶受力分析，PUR聚氨酯热熔胶在不同养护温度、不同养护时间条件下的初始粘接强度和初始剪切强度的综合分析安全驶离限制性条件。结果表明，当温度T≤-10℃时，汽车前风挡玻璃维修后在0.5h达到快速安全驶离。
关键词：湿固化型聚氨酯热熔胶；风挡玻璃维修；快速安全驶离
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
聚氨酯粘接胶是汽车风挡玻璃安装的最好粘接材料，世界95%的汽车风挡玻璃均采用单组分湿气固化聚氨酯粘接胶[1,2]。随着社会经济的飞速发展，人们对快速装配及汽车维修市场快速安全驶离要求越来越高，普通单组分湿气固化聚氨酯粘接胶的性能受坏境影响非常大，尤其是低温坏境下体系反应活性低，初始粘接强度小，安全驶离时间太长，已无法满足社会需求[3,4]。湿固化型聚氨酯热熔胶（简称PUR）采用加热施工，分别依靠物理结晶和化学交联固化两种方式实现快速定位和形成最终粘接强度，兼具热熔型胶粘剂和反应型胶粘剂两类胶粘剂的优点[5,6]，不断受到相关研究人员的重视。本文以自制PUR作为研究对象，通过对前风挡玻璃粘接胶进行受力分析，重点考察PUR养护时间、养护温度对初始粘接强度和初始剪切强度的影响，并确定PUR用于汽车风挡玻璃维修时达到快速安全驶离的最佳条件。
1 实验部分
表1 PUR的基本性能
|
项目 |
测试结果 |
项目 |
测试结果 |
|
密度（g/cm3） |
1.29 |
邵氏硬度（Shore A） |
60 |
|
固含量（%） |
99.2 |
拉伸强度（MPa） |
8.4 |
|
固化速度(mm/24h) |
3.1 |
拉断伸长率（%） |
469 |
|
下垂度（mm） |
0 |
撕裂强度（N/mm） |
29.3 |
|
表干时间（min） |
10 |
剪切强度（MPa） |
5.9 |
选取自制的PUR作为研究对象，其基本性能（测试前PUR需放置于80℃烘箱内预热1h，然后在标态下进行测试）如表1所示，符合标准HG/T4363-2012《汽车车窗用单组份聚氨酯胶粘剂》[7]中Ⅰ型产品的性能指标要求。初始粘接强度测试：以尺寸60*25*5mm的普通浮法玻璃为测试基材（经底涂预处理）制作图1所示初始粘接测试试样，胶粘尺寸为40*10*10mm。分别在温度-20℃、-10℃、0℃、10℃和23℃条件下养护0.5h、1h、2h、3h、4h和5h时间后，用高低温拉力试验机以50mm/min的速度拉至破坏（图1），记录各养护点最大力F拉，拉伸强度δ=F拉/(a*b) ，其中：δ为拉伸强度，MPa；F拉为破坏荷载，N；a为试件粘接面长度，mm；b为试件粘接面宽度，mm。初始剪切强度测试：按GB/T7124-1986标准制样[8]，按照初始粘接强度测试条件进行试样养护后，用高低温拉力试验机以50mm/min的速度拉至破坏，记录各养护条件最大破坏力F剪，剪切强度τ=F剪/(a*b),其中：τ为剪切强度，MPa；F剪为破坏荷载，N；a为试件搭接面长度，mm；b为试件搭接面宽度，mm。PUR固化情况测试：按HG/T4363-2012中固化速度进行测试，分别测试PUR在上述时间点（与初粘粘接强度时间间隔一致）的固化情况。DSC曲线测定：采用德国Netzsch公司的Perkirr Elmer型差示扫描量热仪在N2气氛下测试PUR的DSC曲线，升温速率为10K/min。
图1 初始粘接测试示意图
2 结果与讨论
2.1 前挡玻璃粘接胶受力分析
以小型汽车前挡玻璃维修为例，安装维修后行驶速度V0正面碰撞障碍物，时间t后停止，速度Vt=0，设汽车前进方向为正方向，为保险起见假定驾驶员受到的阻力完全由前挡玻璃提供，以前挡玻璃与驾驶员作为整体研究对象，总重量为m，根据冲量公式I=Ft=mVt-mV0，由于Vt=0，F=-mV0/t，方向与前进方向相反。同样以前挡玻璃和驾驶员作为研究对象，前挡玻璃与水平面所成夹角为θ，受到水平方向力F，受到垂直向下重力G ，其受力分析如图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。通过公式可计算出前挡玻璃受到的最大粘接强度δmax和最大剪切强度τmax。
图2 前挡玻璃受力分析
假设某小汽车前挡玻璃重量m1为12kg，驾驶员质量m2为60kg，g取10N/kg，汽车初始速度V0为48km/h（即V0=13.3m/s），水平正面碰撞障碍物，在时间t为0.15s[9]时停止运动（Vt=0），前挡玻璃与水平面的夹角θ为30°，前挡玻璃与车框的粘接长度a为4300mm，粘接宽度b为10mm，代入②式可得δmax=0.06MPa，代入③式可得τmax=0.14MPa。
2.2初始粘接强度性能分析
图3 养护时间与初始粘接强度的关系 图4 PUR的DSC曲线
图3为养护时间与初始粘接强度的关系。可以看出，同一养护温度下，养护时间与初始粘接强度成正比，养护温度低于PUR结晶温度（见图4，T=13.6）时，随养护时间延长，初始粘接强度变化不大，养护温度高于PUR结晶温度时（如23℃）随养护时间的延长初始粘接强度变化最大，由0.11MPa变化至0.57MPa，增加了418.18%。原因是，养护温度低于PUR结晶温度时，初始粘接强度主要靠聚合物结晶产生内聚力，养护温度高于PUR结晶温度，PUR结晶能力消失，初始粘接强度主要来自其交联固化的厚度，而在短时间内其交联固化的厚度较薄（表2），养护时间越长，PUR交联固化厚度增大，初始粘接强度变化大。由图3还可以看出，同一养护时间下，养护温度越低，初始粘接强度越大，在-20℃条件下养护0.5h时，PUR初始粘接强度可达到0.38MPa，随着养护温度的增大，初始粘接强度增大，原因是温度越低，PUR交联固化越慢，短时间PUR从较高温度快速冷却，结晶速度越快，高聚物链段收缩快，晶体紧密堆砌程度增大，体积收缩快，内聚力越大。
表2 PUR不同温度5h内的固化情况
|
养护温度/℃ |
交联固化厚度/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刚表干成膜。
同时可以看出（图3），养护时间为t＜2h时，初始粘接强度随养护温度的升高而降低，养护时间t≥2h，随养护温度升高，初始粘接强度先减小后增大。原因是养护温度升高，PUR的结晶度逐渐减小，初始粘接强度下降，随着养护时间的增加，PUR逐渐交联固化，养护时间t≤2h时，PUR交联固化的厚度较薄（表2），PUR结晶度减小对初始粘接强度下降影响远大于PUR交联固化产生的初始粘接强度，当养护时间t≥2h后， PUR交联固化厚度逐渐增大，初始粘接强度主要与PUR交联固化厚度有关，故初始粘接强度逐渐增大。综上所述，在-20℃～23℃下，PUR在0.5h均可达到快速安全驶离最大粘接强度δmax=0.06MPa。
2.3 初始剪切强度性能分析
图5养护时间与初始剪切强度的关系
由图5可知，初始剪切强度的随养护时间和养护温度的变化规律与初始粘接强度基本一致。通过与初始粘接强度对比可知，初始剪切强度在相同条件下比初始粘接强度数值上约小一半。这是由于PUR未固化时为链式结构，并非交联网状结构，故剪切力比粘接力更容易使PUR链断裂。当温度T≤-10℃，PUR在0.5h即可达到快速安全驶离最大剪切强度τmax=0.14MPa；当温度在-10℃＜T≤0℃，PUR在4.0h后能达到快速安全驶离最大剪切强度；温度在0℃＜T＜23℃时，PUR在2.0h内无法达到快速安全驶离最大剪切强度；当温度T≥23℃时，PUR能在2.0h达到快速安全驶离最大剪切强度τmax=0.14MPa。
2.4 安全驶离条件综合分析
表3 综合安全驶离时间对比表
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温度（℃） |
单项安全驶离时间（h） |
综合安全驶离时间（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 |
综合初始粘接强度和初始剪切强度确定安全驶离时间列于表3。可以看出，当温度T≤-10℃，安全驶离的时间为0.5h；当温度-10℃＜T≤0℃，其安全驶离时间为 0.5～4.0h；当温度为0℃＜T≤10℃，安全驶离时间＞4h；当温度10℃＜T＜23℃，在2.0h内无法达到安全驶离；当温度T≥23℃，安全驶离时间为2.0h。由此看出，PUR特别适用于低温条件下（T≤-10℃）要求快速驶离的风挡玻璃维修，安全驶离时间为0.5h。
3 结论
1、理论分析小汽车正面碰撞前风挡玻璃受到情况，并通过假定估算出最大粘接强度δmax=0.06MPa和最大剪切强度τmax=0.14MPa；
2、通过对PUR初始粘接强度和初始剪切强度性能分析，同一养护温度下，初始粘接强度与养护时间成正比；养护时间为t＜2h时，初始粘接强度随养护温度的升高而降低，养护时间t≥2h，随养护温度升高，初始粘接强度先减小后增大，初始剪切强度的随养护时间和养护温度的变化规律与初始粘接强度基本一致。
3、通过对PUR安全驶离条件综合分析，得出PUR特别适用于低温条件下（T≤-10℃）要求快速驶离的风挡玻璃维修，安全驶离时间为0.5h。