城軌車輛單組分聚氨酯失效性和相容性研究

徐鳳林，李清泉，蔡洋濤，方 驊，陳 鋆，李青青，張玲玉，吳夢杰，田玉龍，張敬芬 ，張彧賢

(1.杭州中車車輛有限公司，浙江 杭州 311223； 2.逸發(fā)新材料研究院, 江蘇 常州 213025)

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，2020年中國膠粘劑和膠粘帶工業(yè)協(xié)會表示，“十四五”期間我國膠粘劑的發(fā)展目標(biāo)是產(chǎn)量年均增長率為4.2%，銷售額年均增長率為4.3%。力爭到2025年末，改變國產(chǎn)產(chǎn)品高端不足、低端過剩的局面，使行業(yè)高附加值產(chǎn)品產(chǎn)值的比例達(dá)到40%以上。預(yù)計2025年膠粘劑產(chǎn)量達(dá)到855萬t。單組分聚氨酯的需求量亦與日俱增。單組分聚氨酯特指端基為—NCO的聚氨酯樹脂，即使用時不需要添加固化劑，直接將樹脂涂覆在需要的位置，利用空氣濕氣反應(yīng)而固化。

當(dāng)前大量的運(yùn)行車輛面臨著4級修、5級修時的工藝確認(rèn)難題，但缺乏經(jīng)驗和數(shù)據(jù)，這為現(xiàn)場工藝提供參考。為不斷完善粘接密封的操作規(guī)范和提升產(chǎn)品質(zhì)量，以及提高作業(yè)人員知識水平和技能水平，同時為儲備粘接密封知識做好準(zhǔn)備工作，也更好地為后續(xù)車輛運(yùn)營、新造過程中出現(xiàn)異常提供更有力的參考依據(jù)，本文對單組分聚氨酯失效性和相容性進(jìn)行了研究。

1 試驗材料制備與測試

為獲得單組分聚氨酯具體失效性因素和與不同膠粘劑相容性情況，設(shè)置相應(yīng)的對照組，并嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行樣板制作，隨后進(jìn)行膠條剝離試驗，并對試驗結(jié)果進(jìn)行分析。

1.1 主要原料及儀器

Sika265(單組分聚氨酯,PU1)，西卡(中國)有限公司；回天8955(單組分聚氨酯,PU2)，湖北南北車新材料有限公司；Corapur卡瑞得135R(單組分聚氨酯,PU3)，上海蒂姆新材料科技有限公司；回天8902(聚氨酯膠活化劑，簡稱活化)，湖北南北車新材料有限公司；回天8906(聚氨酯膠底涂劑，簡稱底涂)，湖北南北車新材料有限公司；sika Activate(溶劑型粘接促進(jìn)劑，簡稱活化)，西卡(中國)有限公司；sika 206 G+P(黑色溶劑型粘接促進(jìn)劑，簡稱底涂)，西卡(中國)有限公司；Corapur卡瑞得P-85(高活性溶劑底膠，簡稱底涂)，上海蒂姆新材料科技有限公司；Corapur卡瑞得C-95(混合溶劑型清潔劑)，上海蒂姆新材料科技有限公司；異丙醇(二甲基甲醇，清潔劑)，無錫市展望化工試劑有限公司。

氣動膠槍(型號：MA-310V)；溫濕度計(型號：G101)；電熱鼓風(fēng)干燥箱(型號：DHG-9246A)；游標(biāo)卡尺(型號：SF2000)；高低溫(濕熱)試驗箱(型號：STH-040L)。

1.2 材料的制備

膠條剝離試驗樣件制樣方法[]

檢查粘接場地環(huán)境溫、濕度(溫度：15～35 ℃；相對濕度：30%～70%)，滿足要求方可繼續(xù)進(jìn)行樣板制作。分別選取210 mm×297 mm的鋁合金、玻璃鋼樣件，在其表面進(jìn)行清潔、打磨、清潔、活化、底涂等的處理，每個步驟均需干燥15 min以上，方可進(jìn)行下一步操作；使用膠槍(膠嘴為三角形開口，底孔徑約15 mm)在樣板上并列打5個膠條，膠條成三角形，底部寬10 mm，高約10 mm，長約200 mm，具體如圖1所示。 按序?qū)γ總€樣板進(jìn)行編號，并使用記號筆寫在樣板背部。(注：打膠時膠槍嘴緊貼基材移動，打膠完成后使用刮板在膠條上部刮壓1次，使膠條最終成扁平狀，高約5 mm。)

圖1 樣板膠條示意圖

不同膠類相容性試驗

根據(jù)上述1.2.1制樣方法，將單組分濕氣固化sika265涂布在鋁合金表面，以膠粘劑作為基材，在基材表面上使用回天8902活化后涂布回天8955膠為1#樣件，2#樣件是在1#的涂布回天8902活化的基礎(chǔ)上再涂回天8906底涂后進(jìn)行施膠；同理，將回天8902活化、回天8906底涂、回天8955換成卡瑞得配套的活化劑、底涂劑、膠粘劑，從而得出3#、4#的樣件，具體如表1所示。

表1 不同膠類樣件相容性試驗方案[7]

基材前處理對比試驗

選取玻璃鋼、鋁合金兩種基材，在兩種基材表面做不同的表面處理后，使用sika265膠粘劑涂打在基材表面上。

表2 基材前處理對比試驗方案

1.3 材料測試

樣件按照DIN 54457:2014(DVS 1618:2003)/ISO 21194:2019檢測標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行膠條剝離耐溫變的老化試驗，具體步驟如下：

(1)在溫度23 ℃，相對濕度50%，靜置7 d后，剝離樣件第1道膠；

(2)在溫度20 ℃水中浸泡7 d后，取出，又在溫度23 ℃、相對濕度50%條件下調(diào)節(jié)2 h，然后剝離樣件第2道膠；

(3)在溫度80 ℃，靜置1 d，然后立即剝離樣件第3道膠；

(4)在溫度23 ℃、相對濕度50%條件下，靜置2 h，然后剝離樣件第4道膠；

(5)在溫度70 ℃、相對溫度100%條件下，靜置7 d，然后在溫度23 ℃、相對濕度50%條件下調(diào)節(jié)2 h；必要時，增加-30 ℃，靜置1 d，然后剝離樣件第5道膠。(注：以上5個步驟為同一塊樣件試驗順序)

2 結(jié)果與分析

2.1 相容性試驗?zāi)z條剝離結(jié)果

通過對相容性試驗方案下4組粘接試樣的制作和剝離試驗結(jié)果如圖2所示；試驗數(shù)據(jù)如表3所示。本實驗中，不同品牌單組分聚氨酯膠粘劑之間的相容性與粘附破壞(AF)占比有直接關(guān)系，因此將其作為考察指標(biāo)。即AF占比越低，不同膠粘劑相容性越好。

1# Sika265+回天8902 活化+回天8906底涂+回天8955(黑)

表3 相容性試驗結(jié)果

注：AF為粘附破壞；CF為內(nèi)聚破壞；SF為基材破壞。下同。

以膠粘劑(sika265+活化+底涂206)作為基材表面：①1#與2#對比，刷底涂的試樣從第3階段開始，基材表面(膠層)粘附破壞占比持續(xù)增大，相容性不佳；未刷底涂的試樣結(jié)果基本為基材破壞，相容性較好。說明同為單組分濕氣固化聚氨酯，不同品牌在不涂底涂情況下，相容性更好。②3#與4#對比，同為單組分濕氣固化聚氨酯，sika265為用于A1強(qiáng)度等級粘接膠，卡瑞得為135R用于A2/3強(qiáng)度等級密封膠(相比于A1要求，A2/3剪切、拉伸強(qiáng)度分別在1.5、2 MPa以上；而A1剪切、拉伸強(qiáng)度則分別在4、6 MPa以上)，試樣剝離結(jié)果均為粘附破壞，說明強(qiáng)度等級不同的單組分聚氨酯相容性較差。

2.2 基材前處理對比試驗結(jié)果

與相容性指標(biāo)一致，驗證2種不同基材表面進(jìn)行不同的前處理后單組分聚氨酯sika265的粘接性能。當(dāng)AF占比越低，粘接性能越好。

..基材——玻璃鋼的試驗結(jié)果

通過前處理對比試驗，得出基材為玻璃鋼時的測試結(jié)果，具體如表4、圖3所示。

表4 玻璃鋼基材上的試驗結(jié)果

1# RX-504 玻璃鋼膠條剝離試驗(清潔+打磨+清潔+活化+底涂)

基材——鋁合金的試驗結(jié)果

基材為鋁合金時的測試結(jié)果如表5所示。

表5 鋁合金基材上的試驗結(jié)果

2.3 試驗結(jié)果分析

基材——玻璃鋼

采用控制變量法對玻璃鋼表面進(jìn)行不同的前處理，根據(jù)表4、圖3可看出，玻璃鋼不飽和樹脂HR-9588與不飽和樹脂RX-504對比，基材表面比較光滑且無粉塵、污漬、脫模劑、膠衣等，粘接效果更好；另一方面，對比同樣玻璃鋼前處理,步驟越少粘接性能越差，同時也可以發(fā)現(xiàn)底涂對粘接影響的重要性。

基材——鋁合金

采用控制變量法對鋁合金表面進(jìn)行不同的前處理，根據(jù)表5可知，對比不同表面處理方式可看出不涂底涂、不打磨、不清潔進(jìn)行老化試驗都出現(xiàn)粘附破壞，粘接強(qiáng)度大大降低現(xiàn)象。說明鋁合金基材表面氧化層、污染、油膜若不去除干凈對粘接性能影響很大；若金屬表面陽極氧化未及時防護(hù)，出現(xiàn)表面污染、氧化等也會大大降低粘接強(qiáng)度。

3 結(jié)語

本研究對生產(chǎn)過程常用的膠粘劑之間是否具有相容性進(jìn)行了研究，同時也對粘接密封過程中前處理每個步驟的影響程度進(jìn)行了研究。

從膠粘劑相容性試驗結(jié)果可得出，同為單組分濕氣固化聚氨酯，不同品牌在不涂底涂情況下，相容性更好；強(qiáng)度等級不同的單組分聚氨酯相容性較差。

由基材前處理對比試驗的數(shù)據(jù)可得出，基材表面前處理每個步驟做到清潔、打磨、清潔、活化、底涂，以及基材無污染，此時粘接性能最佳。