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摘要：以自制湿固化型聚氨酯热熔胶（PUR）为研究对象，通过对前风挡玻璃胶粘剂进行受力分析，考查了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变化规律，综合分析了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即达到快速安全驶离要求。
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
中图分类号：TQ436+.4 文献标识码：A 文章编号：1001-5922（2016）09-0058-04
聚氨酯胶粘剂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胶粘剂。随着社会经济的飞速发展，人们对快速装配及汽车维修快速安全驶离要求越来越高。普通单组分湿气固化聚氨酯胶粘剂的性能受环境影响较大，尤其是低温下体系反应活性较低，初始粘接强度较小，安全驶离时间太长，已无法满足社会需求。湿固化型聚氨酯热熔胶（PUR）采用加热施工，分别依靠物理结晶和化学交联固化2种方式实现快速定位并形成最终粘接强度，其兼具了热熔型和反应型2类胶粘剂的优点。本研究以自制的PUR作为研究对象，通过对前风挡玻璃胶粘剂进行受力分析，重点考查了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，并确定了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
选取自制的PUR作为研究对象，其基本性能（测试前PUR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，按照HG/T4363-2012《汽车车窗用单组分聚氨酯胶粘剂》标准中Ⅰ型产品的性能指标要求进行试验。
（1）初始粘接强度测试：以尺寸60mm×25mm×5mm的普通浮法玻璃为测试基材（经底涂预处理）制作图1所示的初始粘接测试试样，胶粘尺寸为40mm×10mm×10mm。分别在-20、-10、0、10、23℃条件下养护0.5、1、2、3、4、5h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，粘接强度δ=F拉/（a×b）（式1），其中，δ为粘接强度（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）。
（2）初始剪切强度测试：按照GB/T7124-1986《胶粘剂拉伸剪切强度测定方法》标准制样，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，记录各养护条件下最大破坏力F剪，剪切强度τ=F剪/（a×b）（式2），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）。
（3）PUR固化情况测试：按照HG/T4363-2012《汽车车窗玻璃用单组分聚氨酯胶粘剂》标准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。
（4）DSC曲线测定：采用德国Netzsch公司的PerkirrElmer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）。
2 结果与分析
2.1 前挡玻璃胶粘剂受力分析
以小型汽车前挡玻璃维修为例，安装维修后以行驶速度为V0进行正面碰撞障碍物，时间t后停止，速度Vt=0，设汽车前进方向为正方向，且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，总质量为m（kg），根据冲量公式I=F·t=mV，-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，前挡玻璃与水平面形成的夹角为θ，受到水平方向力为F，受到垂直向下重力为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·siθ+mg·cosθ（式3）；受到沿斜面向上剪切力为F剪=mg·sinθ+F·cosθ=mg·sinθ+mV0/t·cosθ（式4）。通过公式1～4可计算出前挡玻璃受到的相对最大粘接强度δmax和相对最大剪切强度τmax。
假设某小汽车前挡玻璃质量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，代入式2可得δmax=0.06MPa，代入式3可得τmax=0.14MPa。
2.2 初始粘接强度性能分析
图3为养护时间与初始粘接强度的关系。由图3可知，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相对最大，由0.11MPa变化至0.57MPa，增加了418.18%。其原因可能是，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的内聚力；养护温度高于PUR结晶温度时，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（见表2），养护时间越长，PUR交联固化厚度越大，初始粘接强度变化也大。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℃养护0.5h时，PUR初始粘接强度可达到0.38MPa，随着养护温度的提高，初始粘接强度开始减小，其原因是温度越低，PUR交联固化越慢，短时间内PUR从较高温度快速冷却，结晶速度加快，高聚物链段收缩较快，晶体紧密堆砌程度增大，体积收缩较快，内聚力变得越大。 从图3还可看出，养护时间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时，随养护温度升高，初始粘接强度先减小后增大。其原因可能是养护温度升高，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。当养护时间t≤2h时，PUR交联固化的厚度较薄（见表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即可达到快速安全驶离的相对最大粘接强度（δmax=0.06MPa）。
2.3 初始剪切强度的性能分析
由图5可知：初始剪切强度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℃时，PUR在0.5h即可达到快速安全驶离的相对最大剪切强度（τmax=0.14MPa）；当温度在-10℃max=0.14MPa）。
2.4 安全驶离条件综合分析
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。由表3可知：当温度T≤-10℃，安全驶离的时间为0.5h；当温度一10℃4h；当温度10℃ 3
结论
（1）理论分析了小汽车正面碰撞前风挡玻璃受力情况，并估算出相对最大粘接强度δmax=0.06MPa和相对最大剪切强度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；当养护时间t<2h时，初始粘接强度随养护温度的升高而降低，当养护时间t≥2h时，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（≤-10℃）要求快速驶离的风挡玻璃维修，安全驶离时间为0.5h。
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
中图分类号：TQ436+.4 文献标识码：A 文章编号：1001-5922（2016）09-0058-04
聚氨酯胶粘剂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胶粘剂。随着社会经济的飞速发展，人们对快速装配及汽车维修快速安全驶离要求越来越高。普通单组分湿气固化聚氨酯胶粘剂的性能受环境影响较大，尤其是低温下体系反应活性较低，初始粘接强度较小，安全驶离时间太长，已无法满足社会需求。湿固化型聚氨酯热熔胶（PUR）采用加热施工，分别依靠物理结晶和化学交联固化2种方式实现快速定位并形成最终粘接强度，其兼具了热熔型和反应型2类胶粘剂的优点。本研究以自制的PUR作为研究对象，通过对前风挡玻璃胶粘剂进行受力分析，重点考查了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，并确定了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
选取自制的PUR作为研究对象，其基本性能（测试前PUR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，按照HG/T4363-2012《汽车车窗用单组分聚氨酯胶粘剂》标准中Ⅰ型产品的性能指标要求进行试验。
（1）初始粘接强度测试：以尺寸60mm×25mm×5mm的普通浮法玻璃为测试基材（经底涂预处理）制作图1所示的初始粘接测试试样，胶粘尺寸为40mm×10mm×10mm。分别在-20、-10、0、10、23℃条件下养护0.5、1、2、3、4、5h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，粘接强度δ=F拉/（a×b）（式1），其中，δ为粘接强度（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）。
（2）初始剪切强度测试：按照GB/T7124-1986《胶粘剂拉伸剪切强度测定方法》标准制样，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，记录各养护条件下最大破坏力F剪，剪切强度τ=F剪/（a×b）（式2），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）。
（3）PUR固化情况测试：按照HG/T4363-2012《汽车车窗玻璃用单组分聚氨酯胶粘剂》标准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。
（4）DSC曲线测定：采用德国Netzsch公司的PerkirrElmer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）。
2 结果与分析
2.1 前挡玻璃胶粘剂受力分析
以小型汽车前挡玻璃维修为例，安装维修后以行驶速度为V0进行正面碰撞障碍物，时间t后停止，速度Vt=0，设汽车前进方向为正方向，且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，总质量为m（kg），根据冲量公式I=F·t=mV，-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，前挡玻璃与水平面形成的夹角为θ，受到水平方向力为F，受到垂直向下重力为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·siθ+mg·cosθ（式3）；受到沿斜面向上剪切力为F剪=mg·sinθ+F·cosθ=mg·sinθ+mV0/t·cosθ（式4）。通过公式1～4可计算出前挡玻璃受到的相对最大粘接强度δmax和相对最大剪切强度τmax。
假设某小汽车前挡玻璃质量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，代入式2可得δmax=0.06MPa，代入式3可得τmax=0.14MPa。
2.2 初始粘接强度性能分析
图3为养护时间与初始粘接强度的关系。由图3可知，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相对最大，由0.11MPa变化至0.57MPa，增加了418.18%。其原因可能是，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的内聚力；养护温度高于PUR结晶温度时，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（见表2），养护时间越长，PUR交联固化厚度越大，初始粘接强度变化也大。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℃养护0.5h时，PUR初始粘接强度可达到0.38MPa，随着养护温度的提高，初始粘接强度开始减小，其原因是温度越低，PUR交联固化越慢，短时间内PUR从较高温度快速冷却，结晶速度加快，高聚物链段收缩较快，晶体紧密堆砌程度增大，体积收缩较快，内聚力变得越大。 从图3还可看出，养护时间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时，随养护温度升高，初始粘接强度先减小后增大。其原因可能是养护温度升高，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。当养护时间t≤2h时，PUR交联固化的厚度较薄（见表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即可达到快速安全驶离的相对最大粘接强度（δmax=0.06MPa）。
2.3 初始剪切强度的性能分析
由图5可知：初始剪切强度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℃时，PUR在0.5h即可达到快速安全驶离的相对最大剪切强度（τmax=0.14MPa）；当温度在-10℃
2.4 安全驶离条件综合分析
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。由表3可知：当温度T≤-10℃，安全驶离的时间为0.5h；当温度一10℃
结论
（1）理论分析了小汽车正面碰撞前风挡玻璃受力情况，并估算出相对最大粘接强度δmax=0.06MPa和相对最大剪切强度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；当养护时间t<2h时，初始粘接强度随养护温度的升高而降低，当养护时间t≥2h时，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（≤-10℃）要求快速驶离的风挡玻璃维修，安全驶离时间为0.5h。