汽车橡胶植绒密封条的材料和工艺

汽车橡胶植绒密封条的材料和工艺1.前言橡胶植绒密封条在汽车密封条系统中占据非常重要的地位，不论是功能还是价值。从功能方面来看，橡胶植绒密封条包括车门窗玻璃导轨密封条和腰线密封条，除了基本的密封和降低风噪功能之外，还为玻璃升降提供了导轨和支撑，而且还属于汽车的外饰零件。从价值方面讲，橡胶植绒密封条的价值约占汽车整车密封条价值的1/3到1/2。2.植绒密封条的典型结构2.1玻璃导轨密封条的典型结构根据结构的复杂程度分为简单型、普通型和复杂型，如图一所示。a)简单型b)普通型c)复杂型2.2腰线密封条的典型结构根据安装位置，腰线密封条分为内腰线密封条和外腰线密封条。这里介绍外腰线密封条，因为大部分外腰线密封条是橡胶植绒密封条，而内腰线密封条大部分是塑料植绒密封条。外腰线密封条根据结构分为无骨架型和有骨架型，如下图二所示。图二外腰线密封条典型结构3植绒密封条的组成材料3.1玻璃导轨密封条的组成材料，分别列于表一。3.3材料的要求和选择3.3.1橡胶胶料汽车密封条绝大部分选择以三元乙丙橡胶（EPDM）为弹性体的胶料，原因是三元乙丙橡胶具有优异的耐热老化、耐臭氧老化和耐大气天候老化性能，符合汽车作业环境的要求。同时三元乙丙橡胶具有挤出加工性好，硫化速度快的特点，因此现在被广泛地应用于采用连续挤出硫化生产的汽车密封条上。根据分子量大小和分布、乙烯与丙烯比例、第三单体类型和含量等因素的不同，三元乙丙橡胶分为不同的品种。上述因素的不同将直接导致橡胶密封条的加工和成品的性能。因此，在配方开发工作中，三元乙丙橡胶的选择非常重要。根据加工、产品性能和成本的要求，选择相应的牌号。现在橡胶密封条多采用第三单体为ENB型的三元乙丙橡胶。这里推荐采用高分子量、中乙烯含量、高ENB含量的三元乙丙橡胶生产橡胶汽车植绒密封条，可以获得良好的物理机械性能、低温性能、快速硫化和高填充低成本方面的平衡。同时也可以根据需要使用两种不同品种的三元乙丙橡胶并用来平衡产品性能和加工性能。一般地，选择快压出和/或半补强碳黑作为补强剂，通常使用的型号为N550或N539和N774或N762。同时可以选择一些无机矿物质作为填料以降低成本，如煅烧陶土，轻质碳酸钙等。软化剂通常选用石蜡基油或环烷基油，这两种油和三元乙丙橡胶的相容性基本相似。但是石蜡基油更适合于三元乙丙橡胶的挤出，而且由于石蜡基油比环烷基油闪点高，更适于采用常压高温硫化工艺。3.3.2植绒绒毛据植绒的用途不同可采用不同的纤维制造植绒绒毛，如棉纤维、粘胶纤维、聚丙烯腈、聚酰胺、聚酯纤维等。汽车植绒密封条通常采用聚酰胺或聚酯纤维绒毛，有时候也采用聚酰胺和聚酯纤维混合绒毛。绒毛的长度为0.5-0.8mm，绒毛的纤度为1.7-3.3dtex，颜色大部分为黑色，最近在一些高档车上采用彩色绒毛。评价聚酰胺和聚酯纤维绒毛的主要性能指标如下：飞升性能，包括飞升时间和绒毛落下后的分布、比体积电阻、含水率、长度不均率飞升性能是评价植绒绒毛在静电场中的运动行为，它直接影响植绒的密度。比体积电阻与绒毛在静电场中绒毛下落时的直立程度有关。聚酰胺和聚酯纤维的吸水率差异很大，前者为6%，后者小于1%对同一种绒毛来说，吸水率不同，其比体积电阻有一些差异。对于静电植绒采用的绒毛，在使用前必须进行预处理以保证绒毛的导电性和分散性，预处理一般采用静电处理和筛选。同时在使用前根据当地的气候情况进行适当的状态调节，也就是将绒毛放在植绒房内（环境温度15-25℃,相对湿度45-55%）进行24小时以上的存放。使用过的绒毛经过再次静电处理和筛选1-2次后，可以回收重复使用。3.3.3植绒粘合剂选择植绒粘合剂首先应考虑粘合剂基体与密封条弹性体具有良好的浸润性。植绒粘合剂根据组分、分为有溶剂型和无溶剂型，根据固化反应机理又可分为单组分和双组分。在橡胶植绒密封条实际生产中通常选择以聚氨酯为基体二甲苯或酮类为溶剂的单组分粘合剂，根据生产工艺可以在粘合剂配方中加入适量的催化剂以提高粘合剂的固化速率。评价溶剂型单组分植绒粘合剂的主要性能指标如下：1.密度、2.固含量、3.粘度，常采用涂4杯法或Brookfield粘度、4.暴露停放期、5.固化温度和时间A.密度是单位体积粘合剂的质量。B.固含量是粘合剂中树脂填料等不挥发成分所占的质量份数，它是溶剂型粘合剂的重要指标之一，直接影响粘合剂的质量价值比，在使用过程中影响粘度、涂层厚度，甚至影响粘接性能。C.粘度是描述粘合剂内部流体层之间存在的摩擦力的物理量，它直接影响其工艺性能，粘度过大则涂胶困难，而粘度过小则影响胶层厚度及初粘力。D.暴露停放期是指粘合剂在一定的温度下保持粘度稳定的停放时间，此时溶剂挥发很少并且没有发生任何化学交联，它是保证绒毛植入粘合剂层的一项重要指标，主要取决于溶剂的挥发时间。E.固化温度和时间是指粘合剂达到活化温度完全固化时的温度和对应的时间。通常在选择和设计粘合剂配方时应该考虑因素包括：1.有一定的粘度范围容易涂胶；2.表面张力小浸润性好；3有足够的暴露停放期并有理想的固化速率。3.3.4金属骨架外腰线密封条的金属骨架采用低碳钢带或铝合金带，通过冷弯曲成型，镶嵌在橡胶里。为了能够与橡胶有较好的粘结，通常情况下在金属骨架包覆橡胶前，其表面预涂了一层粘合剂以达到金属与橡胶的良好粘结。金属骨架的厚度通常为0.5-0.8mm，宽度和弯曲的形状取决于装配的汽车板金结构。4.橡胶植绒密封条的生产工艺4.1生产工艺流程4.1.1生产工艺流程图典型的橡胶植绒密封条生产工艺流程图如图三所示：图三橡胶植绒密封条生产工艺流程4.1.2生产工艺描述橡胶植绒密封条的生产工艺由挤出硫化和涂胶植绒两大主要过程组成。其中挤出硫化过程与普通橡胶密封条相同，通常采用复合挤出，经过微波硫化和热空气硫化而成形。挤出时应注意尽可能减小两种不同硬度胶料的挤出速度差，通过挤出模具设计、胶料配方设计和挤出温度调整达到优化。由于两种硬度胶料的碳黑含量不同导致吸收微波的能力不同，从而经过微波后两种胶料的升温存在差异，这种差异应在配方设计时予以考虑，尽可能使两种胶料硫化同步挤出过程中牵引速度对于产品的成型和硫化后的密封条稳定性起着非常重要的作用。在整个挤出硫化生产线上，应保持牵引速度的稳定并使胶料尽可能保持挤出成形时的被拉伸状态，直到达到工艺硫化程度，否则就会产生密封条截面尺寸不稳定现象。植绒过程主要由预处理、涂胶、静电植绒和固化组成。实际生产过程影响因素很多，工艺控制比较复杂，是橡胶植绒密封条最重要的生产过程。固化完成的密封条经过绒毛清理装置，将表面的浮毛清理掉。通过切断机进行初始定长切断，切断的植绒密封条码放在包装箱中，检验后入库、发货或进一步加工。4.2静电植绒工艺过程4.2.1静电植绒工作原理静电植绒的过程是在经过预处理的橡胶表面上涂上一层粘合剂，涂有粘合剂的橡胶密封条经过静电植绒箱时，带电绒毛在静电场的作用下沿电力线方向移动到预涂的粘合剂层中，并垂直定位，释放电荷。植绒后的橡胶密封条经过热通道，粘合剂发生固化使绒毛保持在橡胶表面上。因此，要达到好的植绒质量，必须保证粘合剂与橡胶表面有足够的粘接强度，同时植入粘合剂的绒毛有足够的保持强度。4.2.2静电植绒过程分析4.2.2.1橡胶密封条表面的预处理过程为了能够使粘合剂与橡胶密封条表面有很好的粘结，在涂胶前对橡胶密封条植绒部位的表面进行适当的预处理是非常必要的。预处理分为1.机械打毛和2.放电处理。放电处理一般采用电晕的方式，就是通过高压电极在橡胶密封条表面进行高压气体放电，产生极性表面，从而获得粘合剂与橡胶密封条良好的粘结强度。机械打毛是通过金属毛刷进行打磨，使橡胶密封条植绒部位的表面变得粗糙，获得一定的粗糙度，使得粘合剂渗透到这些凸凹不平的沟痕中，固化后在界面区产生齿合力，从而获得良好的粘合强度。但是在实际中一定要注意将打磨后的表面清理干净。一般地，植绒面相对大或规整时建议采用打磨方式；植绒面相对小或不规整时建议采用电晕处理。4.2.2.2涂胶过程目前工业化生产中，橡胶密封条植绒的涂胶方法有三种方式，喷胶、刷胶、喷胶与刷胶并用。喷胶是使用压缩空气将粘合剂从喷胶罐中压出，通过喷胶嘴将粘合剂喷到橡胶密封条需要植绒部位的表面上。喷胶的特点是使用起来生产效率高，胶层厚度均匀易实现自动化，适合大面积涂胶。采用喷胶方式的涂胶过程，喷出粘合剂的雾化程度是非常重要的一项指标。雾化程度与粘合剂的粘度、喷胶嘴的直径和喷胶压力直接相关。刷胶是压缩空气将粘合剂从喷胶罐中压出，通过刷胶刷子将粘合剂涂到橡胶密封条要植绒部位的表面上。其特点是使用方便，适用于较小的涂胶面。采用刷胶方式的涂胶过程，粘合剂的粘度对刷胶的质量影响很大。粘度高会造成出胶不充分产生缺胶，而粘度低可能会造成流胶产生植绒过度。相对于刷胶，喷胶效果较好，因为喷胶的过程实际上是粘合剂分子以一定的速度撞击到橡胶密封条表面上，而刷胶则是粘合剂分子附着在橡胶密封条表面上。而且采用喷胶方式，粘合剂胶层均匀并且容易控制，一般地粘合剂胶层的厚度约为植绒绒毛长度的十分之一。但是刷胶方式比喷胶方式工艺消耗少并且对环境的污染小。对于结构简单的橡胶密封条，一般采用喷胶或者刷胶，而相对复杂的涂胶面可以考虑用喷胶与刷胶并用的方式进行。同时在实际生产中可以根据需要采用多组喷胶系统或多组刷胶系统。粘合剂与橡胶表面的粘结强度直接影响植绒的质量，粘结强度低造成固化后的粘合剂层容易从橡胶表面剥离，致使植绒密封条寿命下降或功能失效。因此，保证粘合剂层与橡胶表面良好的粘接是植绒工艺最重要的控制要素之一。除了涂胶前的预处理能够增加粘合剂层与橡胶表面的粘接之外，粘合剂的性能和涂胶工艺也是非常重要。如果选择的粘合剂与橡胶的表面张力大粘合剂层与橡胶表面不能达到良好的浸润，粘结力就小。同时粘合剂中的溶剂有利于其与橡胶表面的的浸润，它可以将橡胶表面溶解而产生“溶胀”现象。如果粘合剂层较厚，容易产生从橡胶表面脱落，如果粘合剂层胶薄，则使绒毛植入深度不够而产生绒毛植绒强度不够，因此在实际中要有适当的涂胶厚度。如果涂胶前橡胶的温度过高会使粘合剂的溶剂快速挥发而导致暴露停放期缩短，粘度增大，绒毛植入粘合剂层的深度不够或很难植入，样会使植绒强度不够，因此在生产中应该控制涂胶前橡胶的温度，一般地控制在80-90℃。4.2.2.3静电植绒过程静电植绒的过程是将静电处理的绒毛（两端产生极性）投入植绒箱的供料系统中，植绒绒毛经过供料系统中的计量刷以一定的数量从静电场的一端开始，在静电磁场的作用下，按照静电磁场的方向，向待植绒的橡胶表面运动，并以一定的速度植入预涂的粘合剂层中。图四是典型的工业化的橡胶密封条的静电植绒的工艺示意图。由于绒毛的比体积电阻与温度和相对湿度有关，因此植绒箱往往封闭在一个可以调节温湿度的植绒房里。一般地，温度控制在20±5℃，相对湿度控制在45-55%。静电植绒过程中的电源电压一般为30-1000KV，电流强度一般只有几个微安。带电绒毛在静电场中以100-200CM/S的速度冲向粘合剂层，在粘合剂层定位和放电，多余的绒毛有空气气流和抽出器清除。橡胶密封条往往有多个植绒部位，而且植绒面都不在同一个平面上，这就给植绒带来了很大难度。一方面要使植绒绒毛尽可能地垂直定位于植绒面上，同时又要保证有足够大的植绒密度。在实际生产过程中通过使用一些植绒工装使各个植绒面打开并尽可能与绒毛下落的方向垂直。但是对于一些复杂的橡胶密封条，有两个或两个以上的植绒面是相对的，这样通过植绒工装不可能保证达到这两个相对的植绒面的植绒效果。通常情况下采用两步植绒法分步植绒或两套静电植绒机同步植绒。为了达到良好的植绒效果，绒毛与粘合剂良好的浸润也是非常重要的。决定浸润性的因素是浸润角，该角越小，浸润性越好，当浸润角接近于0°时，粘合剂具有流延性。在实际操作中浸润角小于60°就可以满足粘合剂与植绒绒毛的浸润效果。当浸润角较小时，绒毛被粘合剂呈倒置的碗状包覆。如果浸润角大于90°，绒毛与粘合剂的接触面积减少导致绒毛粘结不牢固，如图五所示绒毛在不同浸润角度下的浸润效果。4.2.4固化过程静电植绒后的橡胶密封条经过热空气通道或红外线热通道