高速動(dòng)車組地板支撐粘接用膠研究與開(kāi)發(fā)

潘樂(lè) 石守東

摘要：從國(guó)外的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)和木材與聚氨酯膠粘劑粘接機(jī)理出發(fā)，介紹了高速動(dòng)車組地板支撐粘接用膠的選型思路和技術(shù)要求。

關(guān)鍵詞：高速動(dòng)車組；地板粘接；膠粘劑

為滿足高速動(dòng)車組運(yùn)營(yíng)時(shí)的舒適度，高速動(dòng)車組地板普遍采用浮筑式地板結(jié)構(gòu)，它由3大部件組成：地板支撐、地板和地板布。其中地板支撐起支撐地板的重要功能，是整個(gè)地板安裝的基礎(chǔ)，它粘接在鋁合金車體底架上。影響地板支撐粘接強(qiáng)度的主要因素是膠粘劑的類型，因此有必要對(duì)膠粘劑的選型進(jìn)行深入研究。

1 CRH3型高速動(dòng)車組地板結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介

CRH3型高速動(dòng)車組地板支撐使用進(jìn)口優(yōu)質(zhì)桃花芯木加工而成，質(zhì)地堅(jiān)硬，長(zhǎng)度從80 mm到1 800 mm不等。采用木質(zhì)地板支撐有以下優(yōu)點(diǎn)：木材密度小，質(zhì)量輕，可以減輕地板的整體質(zhì)量；木材調(diào)整方便，易進(jìn)行刨平，切割，鉆孔等加工；干燥的木材不導(dǎo)電，與金屬連接沒(méi)有電位差，不腐蝕金屬；木材與其他材料連接工藝簡(jiǎn)單，可以使用膠粘接、螺栓、釘子等連接。本例中就使用粘接方式安裝地板支撐。

2 地板支撐用膠選型分析

木材粘接常用的膠粘劑有脲醛樹(shù)脂，酚醛樹(shù)脂和乙酸-醋酸乙烯酯乳液等膠粘劑，但這些膠粘劑性能均不能滿足地板支撐的粘接要求。脲醛樹(shù)脂、酚醛樹(shù)脂含有甲醛，在使用過(guò)程中持續(xù)揮發(fā)，對(duì)環(huán)境影響較大；而乙酸-醋酸乙烯酯乳液硬度小，強(qiáng)度過(guò)低。在歐洲等發(fā)達(dá)國(guó)家，廣泛使用無(wú)溶劑反應(yīng)型聚氨酯膠粘劑，但進(jìn)口膠粘劑存在著成本較高，運(yùn)輸周期長(zhǎng)，貨源緊張等缺點(diǎn)，亟需開(kāi)發(fā)國(guó)產(chǎn)化的低成本無(wú)溶劑反應(yīng)型聚氨酯膠粘劑。

本文先對(duì)地板支撐—聚氨酯膠粘劑之間的粘接機(jī)理進(jìn)行了分析，又對(duì)地板支撐粘接用膠性能要求進(jìn)行了解析，然后聯(lián)合湖北回天新材料公司開(kāi)發(fā)了阻燃、環(huán)保、綜合性能優(yōu)異的地板支撐粘接用雙組分聚氨酯膠粘劑，經(jīng)過(guò)小樣實(shí)驗(yàn)，第3方檢驗(yàn)后，該膠粘劑獲得批準(zhǔn)進(jìn)行裝車實(shí)驗(yàn)。

3 木材-膠粘接界面粘接機(jī)理分析

木材與聚氨酯膠粘劑之間的粘接力主要來(lái)源于機(jī)械作用力和化學(xué)鍵力。

3.1 機(jī)械作用力

機(jī)械作用力，又稱機(jī)械互鎖作用，本質(zhì)是摩擦力，類似于釘鍵作用、勾鍵作用、根腱作用、榫鍵作用[1]。趙殊[2]等人針對(duì)機(jī)械互鎖作用對(duì)聚氨酯膠粘劑-木材粘接強(qiáng)度的影響進(jìn)行深入了研究，他們利用的實(shí)驗(yàn)基材為PE板，這種板與聚氨酯膠粘劑不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)、不能形成氫鍵、表面酸常數(shù)Ka和表面堿常數(shù)Kb均為0，PE板與聚氨酯膠粘劑也沒(méi)有界面酸堿作用。用不同粗糙度的砂紙打磨PE板以形成深度，寬度不同的溝槽，結(jié)果表明在其他條件相同的條件下，隨著PE板表面粗糙度的增加，剪切強(qiáng)度增加。木材是一種多孔性材料，微觀下木材的表面具有細(xì)長(zhǎng)的溝槽[3]。這一點(diǎn)為機(jī)械作用力的形成提供了基礎(chǔ)。

3.2 化學(xué)鍵力

化學(xué)鍵包括離子鍵，共價(jià)鍵及金屬鍵，這里說(shuō)的化學(xué)鍵主要是共價(jià)鍵。共價(jià)鍵力即2個(gè)原子之間通過(guò)共用電子對(duì)連接的作用力，共價(jià)鍵的鍵能可達(dá)63～712 kJ/mol。共價(jià)鍵的形成需要膠粘劑和基材上都有適合反應(yīng)的基團(tuán)，而木材的主要成分是纖維素，半纖維素及木質(zhì)素[3]。纖維素的化學(xué)結(jié)構(gòu)是由D-吡喃葡萄糖環(huán)彼此以β-1，4-糖苷鍵以C1椅式構(gòu)象聯(lián)接而成的線形高分子，纖維素分子的每個(gè)葡萄糖基環(huán)上均有3個(gè)羥基[4，5]。這些羥基可以與聚氨酯膠粘劑中的—NCO鍵基團(tuán)反應(yīng)，形成—NCOOH鍵。這樣通過(guò)形成共價(jià)鍵，聚氨酯膠粘劑與木材表面的粘接強(qiáng)度在機(jī)械作用力的基礎(chǔ)上大大提高。

4 地板支撐粘接膠性能要求分析

4.1 符合高速動(dòng)車組總體技術(shù)規(guī)范要求

根據(jù)CRH3型高速動(dòng)車組總體技術(shù)規(guī)范的規(guī)定，首先所有非金屬材料必須具有良好的阻燃性能并通過(guò)《DIN 5510-2-2009 鐵路車輛中的預(yù)防性防火第2 部分：材料和構(gòu)件的燃燒特性和燃燒并發(fā)現(xiàn)象——分類、要求和檢驗(yàn)方法》標(biāo)準(zhǔn)的防火性能測(cè)試；其次環(huán)保性能需滿足《TB/T 3139 機(jī)車車輛內(nèi)裝材料及室內(nèi)空氣有害物質(zhì)限量》要求。

4.2 強(qiáng)度要求

高速動(dòng)車組運(yùn)營(yíng)時(shí)，地板支撐承受的載荷主要有以下幾種：

（1）地板上方的旅客，行李等的重力；

（2）車輛加速，減速時(shí)作用在地板支撐上的剪切力。

上述載荷要求對(duì)粘接接頭的剪切強(qiáng)度、膠粘劑固化后的粘接強(qiáng)度、本體的拉伸強(qiáng)度、硬度提出了要求。粘接接頭由木質(zhì)的地板支撐、膠粘劑和鋁合金地板組成，當(dāng)接頭破壞類型為木質(zhì)地板支撐破壞時(shí)可以得到最大的粘接強(qiáng)度，此時(shí)的剪切強(qiáng)度必須達(dá)到3.5 MPa以上，膠粘劑本體強(qiáng)度的最低要求為7 MPa。動(dòng)車組地板設(shè)計(jì)要求滿員時(shí)，地板整體的下沉量不得超過(guò)2 mm，結(jié)合以往的經(jīng)驗(yàn)，膠粘劑本體的邵A硬度不能小于80。

4.3 工藝性能要求

工藝性能要求主要體現(xiàn)在適用期、黏度以及觸變性方面。

生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)，首先將攪拌好的膠粘劑使用一次性裱花袋進(jìn)行分裝，然后手持裱花袋將膠粘劑擠到鋁合金車體上。通過(guò)對(duì)實(shí)際生產(chǎn)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，適合生產(chǎn)要求的膠粘劑適用期為25～55 min，既能滿足生產(chǎn)節(jié)奏的要求，不至于造成浪費(fèi)，同時(shí)保持生產(chǎn)效率，不因膠粘劑固化速度影響到下一道工序的施工；黏度方面，主要表現(xiàn)為產(chǎn)品的擠出性，由于是手工施膠，要求產(chǎn)品從裱花袋中擠出順暢；產(chǎn)品是粘接條形木塊，要求產(chǎn)品有合適的觸變性能，膠粘劑在自然狀態(tài)下堆積5 mm高不流淌，能穩(wěn)定保持形狀。

5 國(guó)產(chǎn)地板支撐粘接膠開(kāi)發(fā)

根據(jù)上述技術(shù)要求，唐山軌道客車有限公司聯(lián)合湖北回天新材料公司開(kāi)發(fā)了一種阻燃、環(huán)保、綜合性能優(yōu)異的木材粘接用雙組分聚氨酯膠粘劑。在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行的小樣實(shí)驗(yàn)中，該膠粘劑完全滿足工藝及技術(shù)要求。為了充分驗(yàn)證該膠粘劑的綜合性能，選擇了一節(jié)高速動(dòng)車組的地板支撐進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。在整車級(jí)的實(shí)驗(yàn)中，檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)為將粘接完好的地板支撐進(jìn)行破壞性拆除，破壞發(fā)生在地板支撐則合格，最終該膠粘劑順利通過(guò)了檢驗(yàn)。

6 結(jié)語(yǔ)

上述實(shí)驗(yàn)車出廠后將定期對(duì)該膠粘劑的應(yīng)用性能進(jìn)行跟蹤監(jiān)測(cè)。膠粘劑隨車上線運(yùn)營(yíng)后的性能表現(xiàn)將最終決定該其是否符合高速動(dòng)車組地板支撐粘接需要。

參考文獻(xiàn)

[1]李玉學(xué)，蔡永源，周振豐，等.膠粘劑制備及應(yīng)用[M].天津：天津科學(xué)技術(shù)出版社，1984.

[2]趙殊.聚氨酯膠粘劑對(duì)木材膠接機(jī)理研究I——機(jī)械互鎖作用對(duì)粘接強(qiáng)度的影響[J].粘接，2007，29（4）：13-15.

[3]唐星華.木材用膠粘劑[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2002.

[4]高潔，湯列貴.纖維素科學(xué)[M].北京：科學(xué)出版社，1996.

[5]Han J S，Rowell J S.Chemical Composition of Fibers，in Paper and Composites from Agro-Based Resources.London：CRC Press，1996：83-134.