门头道密封用3M压敏胶粘带脱胶分析

贾 妮 ， 陈晓锋 ， 吕均益 ， 柳 宁 ， 赵艳青 ， 魏恒永

（上汽大众汽车有限公司长沙分公司，长沙 410132）

0 引言

丙烯酸泡棉胶带是以高密度泡棉为基材，丙烯酸为背胶设计，因其优异的粘接强度和良好的密封性能，在汽车上广泛应用[1]；相比于传统的铆接、焊接、螺栓等连接方式，它能有效地避免在车身上打孔，减低车身锈蚀的风险和加工工时[2]。车门头道密封条则是装配在汽车车门并与门框密封条配合使用，可以增加车门与车身间的密封作用，从而起到隔音、减震、防尘、防水的作用，在中高档车型上使用越来越普遍[3-4]。车门头道密封条与车身的粘接普遍使用丙烯酸泡棉压敏胶[5]，这种粘接方式可拆卸且灵活性大，可以填补零件与车身的形面差，从而对于拐角弯折位置也可以做到有效粘接。目前头道密封条的安装考虑到人工成本的节约及质量的稳定性，大部分已从人工滚压安装方式改用设备自动安装，使用较多的设备有Grohmann及Thyssenkrupp。新技术、新工艺、新设备的引入大大提高了生产效率，但同时也带来了粘接质量不稳定、易导致脱胶的问题[6]。因此，非常有必要研究这类问题产生的根本原因，并从理论上确认工艺改善方向，最终使此类脱胶问题得以解决并得到稳定控制。

1 故障分析

车门头道密封条是使用3M公司的丙烯酸泡棉压敏胶ST1200与车门板金进行粘接，整车下线后，检查发现胶带与车身表面发生界面粘合破坏[6]，肉眼没有观察到有残胶留在车门油漆表面。由图1看出：第一，脱胶主要发生在锁扣板区域（图1a）和底部区域（图1b）；第二，胶面光亮，无明显受压后产生的变形，无污染（图1c）。

图 1 脱胶头道密封条Fig.1 Degumming door sealing

对失效件测试其剥离强度，确认零件本身质量状态；对新状态零件测试其剥离强度，研究作用时间对剥离强度的影响，剥离强度测试标准为DIN 1464[7]，使用Zwick 2010拉力机，粘接时使用自动滚轮对胶面进行滚压。使用Kruss MSA型表面张力仪研究粘合部件表面能[8]对剥离强度的影响。结合白光扫描[9]及泡管压缩力研究外部剪切对剥离强度的影响，泡管压缩力使用Zwick 2010拉力机和专用工装进行测量，测试标准参照PV3364。使用Texscan的I-Scan系统[10]测试粘合面压力大小与分布，研究压力对压敏胶剥离强度的影响。

图 2 失效零件剥离强度测试曲线（胶带宽度8.5 mm）Fig.2 Peeling force test curve for failure part, the width of the tape is 8.5 mm

2 分析结果与讨论

2.1 失效零件剥离强度测试

选择脱胶区域的失效零件，截取光亮、无明显压痕及污染部分200～300 mm，再次粘贴在平面油漆板上进行试验。失效零件在80 ℃下加热2 h后，冷却至室温测试其剥离强度，最终测得剥离强度为22.0 N/cm（图2）。脱开形式主要是以界面粘合破坏为主，兼具部分内聚破坏[11]。结果表明，即使在进行二次粘合的情况下，该丙烯酸泡棉压敏胶也能满足标准20 N/cm的要求，表现出良好的粘接性能。

2.2 胶带与粘合部件作用时间对剥离强度的影响

选取新状态零件进行剥离强度测试，在实验中保持滚压力、滚压速度、清洁方式等因素一致，胶带与粘合表面作用时间为变量，对与标准板粘合不同时间的胶带进行剥离强度测试，结果如图3所示。由图可知，20 min后剥离强度达到28.7 N/cm，说明ST1200具有优越的初粘力；40 min后基本趋于稳定，且胶带从泡棉层撕裂，残胶均匀分布于板金和部件两侧。按照目前该主机厂总装车间实际生产工艺40台/h的产量，从完成密封条安装到密封条受到侧框外板剪切力，相隔27个工位，期间相隔时间为41 min，能够保证泡棉胶带粘接力趋于稳定。

图 3 反应时间对粘接力的影响Fig.3 Effect of reaction time on peeling force

2.3 粘合部件表面能及清洁

胶粘剂对被粘基材的粘接过程是一个复杂的物理化学过程，综合了润湿吸附、配位作用、化学反应、分子扩散和机械互锁等形式的粘接过程[12]。胶带在粘合部件表面充分浸润是保证有效粘接的重要因素，空腔注蜡为该品牌车型特有的防腐工艺，车门板金由于门槛饰条定位孔的存在，特别是在车门底部，容易被溢蜡污染。对不同状态密封条粘合面表面能及胶带剥离强度进行测试，测试结果见表1。

表 1 表面清洁对表面能[8]及剥离强度的影响Table 1 Effect of cleaning and surface energy on peeling force[8]

由表1可以看到：蜡雾的存在明显降低粘合面表面能，特别是极性组分，由初始态的5.03 mN/m降低至0.28 mN/m，不满足标准中不低于4.00 mN/m的要求。同时，蜡雾的存在也明显影响胶带的剥离力，由初始态35.1 N/cm降低至16.3 N/cm，但该蜡雾可以被异丙醇清洁，清洁后的表面基本可以回复到初始状态。所以，为了避免蜡雾对粘接性能的影响，建议在进行头道密封条的施工前先对粘合面使用异丙醇进行清洁。

2.4 钣金尺寸及密封条压缩负荷分析

头道密封条通过泡棉胶ST1200粘合在门内板上[2]，当车门关闭时，头道密封条泡管作用在侧框外板上形成整车的头道密封。门钣金为结构复杂的曲面，不同位置（见图4）泡管受力情况不同，使用内窥镜观察门关闭状态下密封条泡管受压情况，如图5所示。可以发现：位置C处泡管挤压严重，开口向上翻开，剪切力Fx较大，而正向压力Fy较小，对比位置D处泡管受压情况，泡管变形小，开口向下闭合，剪切力Fx较小，而正向压力Fy较大。特别是当门内板与侧框外板间隙变小或密封条压缩负荷变大时，此时胶带受到的剪切力将会随之变大，当车门长期在该状态下闭合时，均会产生脱胶风险。

图 4 不同位置受力分析Fig.4 Force analysis for different location

图 5 车门内板与侧框外板间隙Fig.5 Gap between the door and outer frame

对门内板和侧框外板进行白光扫描[7]，数据合成间隙，如图4所示。结果表明，位置C区域门板尺寸超差，要求±1.0 mm，实际均低−1.0 mm，间隙偏小。同时，对胶区域密封条在门关闭条件下，其压缩程度更大，受到更强的切剪力，不利于粘结（图 6）。

图 6 缺陷零件压缩负荷Fig.6 Compression force for failure part

2.5 气压力缸设备压力分析

ST1200胶带为压敏胶，足够的压力传递到胶带表面是保证其有效粘接的必要因素，压力大小及分布可以通过压敏纸或压力传感器来表征。相比于传统的压敏纸，美国Tekscan公司生产的IScan传感器薄且柔软，可用于曲面测试，它能更加精确地记录每个点的数据，同时实时采集图像供静态或动态分析[10]。对失效位置压力分布进行测试，结果见图7。结果表明，失效位置压力均不能达到胶带横截面上获得压力100%在10 N以上、80%在20 N以上的要求，且部分位置宽度方向压力分布不均，主要集中在内侧，这也可以充分解释脱胶总是从内侧开始的原因。

图 7 3M胶带压力分布情况Fig.7 Force distribution for 3M tape

以位置b的测试结果为例，有颜色区域为实时采集图像，横向代表胶带长度方向，纵向代表胶带宽度方向，颜色越深代表压力越大；调整前胶带所受压力为15～17 N/cm2，从胶带颜色来看，压力分布不均匀，而经过调整后，胶带所受压力能保持在20 N以上，且从胶带颜色来看，压力分布均匀。

2.6 整改状态跟踪及预防措施

经过分析发现，影响脱胶的主要原因是粘接压力不足及粘接面未得到充分清洁，密封条的压缩力及钣金尺寸超差为次要影响因素。优化门板金尺寸及密封条压缩负荷至公差范围内，调整设备气压缸保证胶带横截面上获得压力100%在10 N以上、80%在20 N以上，同时生产线增加粘接面清洁工艺，跟踪项目车批量生产后未发现脱胶，脱胶问题得到解决；为保证后续批量生产的稳定性，要求定期对上述参数进行测量。

3 结论

1）脱胶的主要因素是粘接表面不够清洁，且胶带表面受到的压力不够。

2）从便捷性和有效性来考虑，建议开发浸润效果和初粘力更好的3M压敏胶带,以保证后续产品质量的稳定性。