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聚氨酯胶黏剂在汽车内饰中的研究及应用进展

文章来源:2016聚氨酯年会 添加时间:2019-02-11
李有刚  柏兴华
(重庆中科力泰高分子材料股份有限公司 重庆 401336)
摘  要:介绍了几种常见聚氨酯胶黏剂以及在汽车内饰中的研究进展和应用现状,主要包括溶剂型胶黏剂(湿固化为主)、水性聚氨酯胶黏剂、无溶剂聚氨酯胶黏剂和反应性聚氨酯热熔胶等,以及它们在汽车内饰如顶棚、门内饰板、座椅等的最新应用,并展望了聚氨酯胶黏剂在汽车内饰的应用前景。
关键词:聚氨酯;胶黏剂;汽车内饰
近几年以来,随着我国汽车产业高速发展,胶黏剂在汽车中的应用得到了持续增长。根据应用部位的不同,汽车用胶黏剂主要分为5大类:车身胶、内饰胶、发动机底盘胶、零部件用胶、制造工艺用胶。
汽车内饰是指汽车顶棚、地毯、地垫、仪表板、内饰门板、座椅、后备箱行李架及备胎盖板等,他们在制造过程中通常由多层非金属材料复合成型,其中的联接材料主要为各种胶黏剂。
由于聚氨酯(PU)胶黏剂含有大量极性集团和活性反应基团,性能调节范围极广,可粘接材料多种多样,同 时使用工艺简单,且性能优异,粘接强度大,耐环境交变性好,特别适合于汽车内饰材料的粘接成型。
本综述介绍了 PU 胶在汽车内饰中的应用及研究进展。
1 汽车内饰材料中的聚氨酯胶黏剂品种
应用到汽车内饰中的聚氨酯胶黏剂主要类型主要分为溶剂型、水基型、无溶剂湿固化型、热熔胶等。
1.1 溶剂型聚氨酯胶
内饰用溶剂型聚氨酯胶是继氯丁万能胶之后发展起来的综合性能更优异的品种,常见有双组分聚氨酯胶和单组分湿固化聚氨酯胶。
李志岩等 [1]用甘油、乙二醇、一缩乙二醇和己二酸制成支化聚酯,然后与甲苯二异氰酸酯 ( TDI)、三羟甲基 丙烷 (TMP)、溶剂制得组分 A,由蓖麻油、TMP、 TDI、催化剂制得组分 B,以组分 A/ 组分 B 摩尔比为 1/1 混合,用于聚氨酯泡沫 / 玻纤 / 无纺布粘接,热压成型汽车顶棚。
宁志强以有机锡为促进剂,多异氰酸酯 PAPI 与聚醚 220 反应制得单组分端异氰酸酯、湿固化聚氨酯胶,用于汽车顶棚制造,粘接强度高、贮存性能好、黏度稳定,适合流水线喷涂作业 [2]
秦安川等发明了一种单组分湿固化聚氨酯胶,含聚醚多元醇30 ~ 70份、多异氰酸酯15 ~ 40份、扩链剂5 ~ 12份、 催化剂 0.01 ~ 0.1 份、增黏树脂 10 ~ 20 份、偶联剂 1 ~ 4 份、除水剂 1 ~ 2 份、溶剂油等,固化快、使用方便、 贮存稳定、特别适用于汽车顶棚粘接成型 [3]
1.2    水基型聚氨酯胶
水基型聚氨酯胶由于不含有机溶剂,安全、环保、固含量高、黏度调节方便、挥发性有机化合物(VOC)几 乎为0,因此在汽车内饰应用增长非常快,德国汽车工业的水基型聚氨酯胶应用最为广泛,年增长保持在8%~10%,日本汽车内饰胶几乎全部实现水性化。
傅和青等以聚醚二元醇、 TDI、1,4- 丁二醇 ( BDO) 和二羟甲基丙酸 (DMPA) 等为原材料,制备了 PU 预聚体,并以丙烯酸酯为改性剂合成出水性聚氨酯胶,用于汽车内饰 [4]
许戈文等将多元醇、异氰酸酯、环氧树脂、羟基橡胶四元共聚,并加入带羟基的丙烯酸酯乳化后滴加乙烯基单体、引发剂,反应得到环氧改性水性聚氨酯,大大提高了水性聚氨酯的综合性能 [5]
Arianne 等制备了一种低温活化的水性 PU 胶,由低结晶聚酯合成的 PU 分散体、丙烯酸共聚物、疏水改性 PU 分散体、碳化二亚胺等配制而成,对带脱模剂的汽车模塑坐垫粘接较好 [6]
水性胶较溶剂胶有好的环保性的同时,由于以水为分散介质,在储运和使用时对温度和施工工艺要求较为严格。应用时需注意到,水性胶的黏度随温度变化而变化明显,对低表面张力表面润湿性不足,烘干应以低温、长时间为宜,所以需要不断总结工艺经验,扬长避短,达到较佳的粘接效果。
1.3 无溶剂聚氨酯胶
无溶剂 PU 胶分双组分和单组分湿固化两大类,双组分胶黏剂多用于剪切强度高的场合,如玻璃钢(FRP)、工程塑料、片状模塑料(SMC)、金属等的结构性粘接,制造车身和零部件,在汽车内饰上应用相对不多。
长春依多科公司的单组分膏状聚氨酯胶用于内饰件粘接,由于挤出时黏度已较大,常温下可达到一定的初期定位效果。
重庆中科力泰公司的单组分环氧树脂改性端异氰酸酯聚氨酯胶开放时间长、固化快,与水反应后硬度高,粘接强度好,用于汽车顶棚骨架成型。
朱晓薇以多亚甲基多苯基多异氰酸酯、聚醚 220、混合催化剂在 (80 ± 5 ) ℃条件下,反应 4.5 h 制备了单组分 湿固化汽车顶棚胶,粘接强度达到 6.71 MPa,贮存稳定性好 [7]
1.4 反应性聚氨酯热熔胶
反应性聚氨酯热熔胶,主体成分为端 —NCO 预聚体,它结合了热熔胶的环保性、聚氨酯的优异粘接性、湿 固化的耐久性,且可低温涂布,在汽车内饰粘接上应用越来越广泛。
詹中贤以聚酯多元醇和4,4'-二苯甲烷二异氰酸酯(MDI)为主要原材料合成了端NCO基汽车内饰用热熔胶,表干时间 3 min,剪切强度 7.9 MPa,拉伸强度 9.3 MPa [8]
唐礼道等用预聚体法制备了硅烷封端的湿固化聚氨酯热熔胶。由于表面硅氧的富集,表面能有一定程度降低,提高了对一些低表面能材料的浸润性和粘接力 [9]
Henkel 公司采用间苯二甲酸与其它的二酸作为共聚体与聚酯二醇缩聚成改性聚酯,由其制备湿固化 PUR 对 低表面能材料如 PE、PP 具有较好粘接力 [10]
2 聚氨酯胶黏剂在汽车内饰件生产中的应用
2.1 汽车顶棚
现在汽车顶棚主要以聚氨酯硬质泡沫为主体,复合玻璃纤维、无纺布、表层面料而成,分干法工艺和湿法工艺。由于湿法工艺的顶棚力学性能、声学性能、成本都优于干法工艺,因此占据了市场主导地位。
湿法工艺采用液态端 NCO 聚氨酯,同时需要以水为固化剂,再热压成型,因此得名 " 湿法 "。湿法工艺又分 为一步法和两步法,一步法是将多层复合材料与表层面料一起热压而制得顶棚,两步法则先将多层复合材料先热 压成顶棚骨架,然后再与表层面料贴合制得顶棚 [11]。湿法工艺用胶以端 NCO 聚氨酯胶黏剂为主,改性水性聚氨酯胶也逐步应用于表层面料贴合。同时,在顶棚的附件装配中,可快速定位,粘接性好的湿固化聚氨酯热熔胶很 受市场欢迎。
2.2 汽车门内饰板
汽车门内饰板基本上由骨架、泡沫、表层面料构成,轿车的门内饰板的装饰性、功能性更强。因此,其结构也要复杂一些,一般分为上框架、中嵌板(含扶手)、下框架三部分 [12]。门板骨架常见材质有 ABS 塑料、改性 聚丙烯(PP)、麻纤维板。中间泡沫缓冲层有PU 软泡、PP 泡沫、聚乙烯(PE)泡沫或聚氯乙烯(PVC)泡沫。表层面料则有真皮、人造皮(PVC、PU 或热塑性聚烯烃类(T PO))、针织面料。由于国内外对材料回收的规 定越来越严格。因此,改性 PP 一体化材料,即 PP 骨架 /PP 泡沫 /T PO表皮的组合应用越来越多。由于聚氨酯胶 氨酯键极性较强,对弱极性 PP 板材的润湿能力较差,所以,在应用时需对 PP 作火焰处理或等离子处理,提高其表面张力达 34 mN/m 以上。成型工艺有真空吸塑、热压、手工包覆等,含有较高相对分子质量聚氨酯的溶液 型聚氨酯胶或水分散体可喷可刷,能提供较高的初粘力,非常适合门内饰板成型。
2.3 汽车后备箱行李架、备胎盖板
行李架和备胎盖板对装饰性要求不高,一般由无纺毛毡与骨架复合成型。骨架有密度板、PP蜂窝板、玻纤板、PU 蜂窝板等,因骨架材质、成型工艺不同而使用不同的胶黏剂。因成型工艺时间短、温度低(常温),湿气固化聚氨酯胶黏剂、水性聚氨酯能很好满足这些要求。
2.4 汽车座椅
汽车座椅由坐垫和金属支架组成,坐垫部分最常见就是聚氨酯高回弹模塑泡沫,再套装上装饰面料。为防止装饰面料在乘客乘坐时的滑移,一般用固定在座套上的塑料嵌条嵌入在泡沫垫中。但当汽车碰撞事故发生时,坐垫中的塑料嵌条是乘客安全的一大隐患。因此国外很多车型采用粘接工艺来固定座套,使用水性聚氨酯胶喷涂于坐垫上,干燥后装上座套,再高频热压定型,既美观又安全。
2.5 其他内饰粘接
汽车置物箱的植绒、门窗密封条的植绒,正逐步采用水性聚氨酯胶替代以前的溶剂型胶,环保、耐摩擦、牢度好。中央扶手的表皮包覆,一般手工操作,对聚氨酯胶的操作开放时间希望长一点更好,同时初粘力好、省力,现在以溶剂胶为主,但新的车型也在渐渐采用水性聚氨酯胶或热熔胶。
3 聚氨酯胶黏剂在汽车内饰中的应用新方向
随着消费者生活水平的提高和国家法规的完善,车内装饰越来越个性化,汽车车内环境也越来越受到关注。常规的氯丁万能胶、溶剂性聚氨酯胶、苯乙烯 - 丁二烯 - 苯乙烯嵌段共聚物 (SBS) 正快速退出市场,水性聚氨酯和湿气固化聚氨酯将得到更多的应用。但水性 PU 对塑料基材的附着力、干燥速度的不足,还需要通过提高固含量、采用更多综合改性措施来达到和超过溶剂胶的性能。同时,大力挖掘 PUR的技术潜力,利用湿固化、光固化等多元固化协配,提升工艺操作的效率;利用其它低成本高分子材料混合改性,降低成本。更进一步,利用生物基原材料的的绿色、可降解的优点,持续升级聚氨酯水性胶、热熔胶的环保优势。
随着技术水平的不断提高,聚氨酯胶黏剂在汽车内饰的应用潜力会更加巨大。
参  考  文  献
[1]    李志岩,罗晶,肖风弟.汽车内饰材料用聚氨酯胶黏剂 [J].粘接 ,1998,19(1):17-18.
[2]    宁志强.快速固化汽车顶棚胶的研制 [J].化学与粘合 ,2007,29(3):179-196.
[3]    李有刚,秦安川,柏兴华,等.汽车顶棚用单组份湿固化聚氨酯胶黏剂及其制备方法 : 中国 ,10401753B[P].2016-04-06.
[4]    李付亚,傅和青,黄洪,等.改性水性聚氨酯汽车内饰胶的合成 [J].中国胶黏剂 ,2008.17(6):37-45.
[5]    许戈文,熊潜生.四元共聚水性聚氨酯汽车内饰胶的制备方法 : 中国 ,101824294A[P].2010-09-08.
[6]    MCCARTHYAE,RAYNER,T J.Low Temperature Thermal Activated Water-Dispersed Adhesive Com positions: US,6541550B1[P].2003-04-01.
[7]    朱晓薇,苏春辉,张洪波,等.预聚体法制备汽车顶棚用单组份湿固化聚氨酯胶黏剂 [J].化学工程与装备 ,2013(5): 17-19.
[8]    詹中贤.汽车内饰用反应型聚氨酯热熔胶的研制 [J].聚氨酯工业 2008.23(6): 25-27.
[9]    唐礼道,杨建军,张建安,等.用硅烷封端的湿固化聚氨酯热熔胶的研制 [J].中国胶黏剂 ,2007,16(4): 37-39.
[10]  LI Yingjie,HEUCHER R.Moisture Curable Hot-Melt Adhesive and Method for Bonding Substrates Using Name: US,6221978[P].2001-04-24.
[11]  刘新义,张浩,郝刚刚,等.一种新型汽车顶棚及其生产工艺 : 中国 ,103921504A[P].2014-07-16.
[12]  胡勇.汽车内饰门板总成的设计与工艺研究 [J].企业科技与发展,2014,376(12):63-66.
Research and Application Progress ofPolyurethane Adhesives for Automotive Interior
LI Yougang,BAI Xinghua
( ZKLT Polymer Co.Ltd,Chongqing 401336,China )
Abstract:The development and application of the main Polyurethane adhesives for automotive interiors were reviewed,including solvent-based Polyurethane (mostly cured by moisture),waterborne Polyurethane,no solvent Polyurethane and reactive hot melt Polyurethane adhesive.The automotive interiors included roof lining,door trim and seat cushion,etc.Finally,the future development direction of Polyurethane adhesive for automotive interiors was expected.
Keywords: Polyurethane;adhesive;automotive interior
作者简介 : 李有刚    男,1969 出生,技术总监,主要从事胶黏剂等高分子材料的合成及应用研究。

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