[发明专利]用于汽车空腔中的加强和能量耗散的增韧可膨胀环氧树脂

说明书

本申请要求于2008年7月29日提交的美国临时专利申请61/084,396的优先权。

本发明涉及用于车身的框架结构，所述框架结构至少部分地填充有膨胀增韧环氧树脂粘合剂。

膨胀聚合物用于许多车辆应用中。这些材料的特征取决于它们在这些应用中用以执行的特定功能而极大地变化。一些膨胀聚合物用于座椅应用中。这些倾向于具有低压缩强度和高弹性的低密度聚氨酯泡沫体。其它膨胀聚合物用于汽车内部部件如转向轮、仪表安装板、仪表板等，以在碰撞的情况下部分地提供伤害减轻。这些还倾向于具有低低等至中等的压缩强度和中等至高等的弹性的稍微低密度材料。软聚合物泡沫体也在汽车顶篷中用于提供一定的缓冲，并且更重要地，提供声阻尼。这些类型的泡沫体倾向于制造成在装配过程中固定到车辆的分离零件或子部件。

其它膨胀聚合物用于填充汽车零件中的空腔。这样做主要是为了控制进入或通过空腔的流体的渗透，在所述空腔中流体可能引起损坏(如在水的情况下为生锈)。在一些情况下，这样做是为了减少噪音和振动。这些膨胀聚合物常常是基于聚氨酯或环氧树脂的材料，在许多情况下其在现场膨胀。一些可膨胀聚烯烃有时也用于这些应用中。将膏状或低熔点固体前体组合物涂敷于需要膨胀聚合物的地方，并且施加热量以使该组合物膨胀并且固化，从而形成泡沫体。这些材料的机械性能通常具有较小的重要性，只要该材料充分膨胀并且良好地粘附于相邻部件即可。通常想要高的膨胀率(1000％以上)，从而以最低的原料成本填充尽可能多的空间。

膨胀聚合物还用于加强应用中。将膨胀聚合物插入到金属结构的空腔中，并使该结构更坚固。这允许在结构中使用较少的金属。实际上，金属的一部分被较低密度的膨胀聚合物代替并且总的零件重量减少。与用于缓冲、伤害减轻、空腔密封和声学应用中的那些材料相比，用于加强应用中的膨胀聚合物倾向于更高密度的材料。

用于加强应用中的膨胀聚合物可以预制或者现场发泡。在第一种情况下，膨胀聚合物在发泡工艺中制备，并且常常制成具体零件形状。随后将该膨胀聚合物装配到旨在加强的具体零件中。这里，密度通常在80kg/m³至700kg/m³的范围内。在第二种情况下，在需要加强的部位提供可热膨胀的聚合物组合物，并且对该聚合物组合物进行加热以使其热膨胀并固化。这里的密度典型地在300kg/m³至700kg/m³的范围内。这些可膨胀聚合物几乎总是基于环氧树脂的。

这些方法中的每一种都有其问题。使用预先制备的泡沫体需要多个工艺步骤以形成泡沫体，使其成型为需要的几何形状，并将其装配到车辆中。有必要将预制的泡沫体固定到零件。这可以使用多种机械紧固件完成。然而，优选的方式是对预制泡沫体的表面涂敷另外的可膨胀聚合物组合物，并且将该聚合物组合物热膨胀以填充预制泡沫体和金属结构之间的空隙并且在它们之间提供良好的粘附。这无疑还需要更多的工艺步骤。

现场发泡(Foam-in-place)方法可以用于填充各种尺寸的空腔，并且常常用于填充结构和/或增强构件之间的小空隙(至多约12mm并且更典型地至多约8mm宽)并且将这些构件粘合在一起。现场发泡方法的显著缺点在于，可膨胀聚合物处于必须放置并保持在所需位置的固体材料的形式，直至其热膨胀并变得粘附于下面的基底为止。必须在将一个或其它构件装配在一起之前对它们涂敷可膨胀组合物。这导致额外的加工步骤和相关成本。

膨胀聚合物的物理性质在加强应用方面比在大部分的其它方面都重要得多。根据美国专利6,296,299和6,474,726，加强填料材料应当具有至少4MPa的压缩强度、至少10MPa的最大弯曲强度和不大于1.0g/cc的密度。这据称使得填料能够将负载从框架结构的负载冲击侧转移到相对的“对抗碰撞负载冲击侧”。这些专利认为松木和膨胀“环氧树脂B”满足这些需求。其它材料，包括聚氨酯泡沫体和膨胀“环氧树脂A”缺乏这些特性。

“加强”结构构件仅仅表示通过增强材料的存在提高将其变形所需要的力。需要的另一种性质是能量耗散，即，在零件变得变形时所消耗的功的量。在冲击状况下消散大量能量的能力是非常重要的，原因在于结构消耗更多能量的能力可以成为对车辆乘员造成伤害或没有伤害的区别所在。刚度和能量耗散不直接关联，并且比其它构件具有更高刚度的构件常常不具有更高的能量耗散。

所期望的是提供用于加强汽车结构构件的方法，其中可以容易并廉价地提供增强材料，并且其在增强的结构构件中提供高的能量耗散。