淺析軌道車輛常用膠粘劑粘接力的形成和老化因素

朱梅奇

摘要 ：本文介紹了了膠粘劑粘接力形成和老化失效的基本原理，以及在軌道車輛選膠時(shí)對老化因素考慮的重要性。

關(guān)鍵詞 ：軌道車輛 膠粘劑 粘接力 老化 濕熱

1、前言

隨著軌道車輛技術(shù)的發(fā)展，膠粘劑和膠接技術(shù)在輕軌車、地鐵車和動車組等軌道車輛中獲得了廣泛的應(yīng)用。越來越多的部位開始使用膠粘劑來代替?zhèn)鹘y(tǒng)連接方式，膠粘劑用于軌道客車工業(yè)具有粘接、密封、隔熱、防漏、隔聲、緊固、減重、減振、阻尼、導(dǎo)電、灌注等功能。膠粘劑的應(yīng)用領(lǐng)域如此廣泛，其老化性能是人們普遍關(guān)心的。如今，粘接結(jié)構(gòu)在車輛結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)比例逐步增加，膠粘劑老化對車輛結(jié)構(gòu)壽命的影響也越來越大。因此，在車輛粘接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)師能了解膠粘劑的老化因素，盡量避免這些因素對粘接結(jié)構(gòu)的影響，在車輛使用安全和壽命方面具有重要意義。

2、 膠粘劑粘接力的產(chǎn)生：

想要了解膠粘劑的老化，首先要了解膠粘劑粘接力產(chǎn)生的原因。膠粘劑與被粘物表面之間通過界面相互吸引和連接作用的力稱粘接力。粘接力的來源是多種力的加和作用。

2.1 化學(xué)鍵力

化學(xué)鍵力又稱主價(jià)鍵力，存在于原子（或離子）之間。化學(xué)鍵包括離子鍵、共價(jià)鍵及金屬鍵三種不同形式。離子鍵力是帶正電荷的正離子和帶負(fù)電荷的負(fù)離子之間的相互作用力。共價(jià)鍵力即兩個(gè)原子之間通過公用電子對連接的作用力。絕大多數(shù)有機(jī)化合物的分子都通過共價(jià)鍵組成。金屬鍵力是金屬正離子之間由于電子的自由運(yùn)動而產(chǎn)生的連接力。

2.2 分子間的作用力

分子間的作用力又稱次價(jià)鍵力。分子間作用力包括取向力、誘導(dǎo)力、色散力（以上諸力合稱范德華力）和氫鍵力。取向力即極性分子永久偶極距之間產(chǎn)生的引力。誘導(dǎo)力是指分子固有偶極距和誘導(dǎo)偶極距之間的靜電力。色散力是分子色散作用產(chǎn)生的引力，所謂色散作用，是指分子內(nèi)電子對原子核瞬間不對稱狀態(tài)。這些力的共同特點(diǎn)是隨分子距離增大而急劇下降。氫鍵作用產(chǎn)生的力稱為氫鍵力。

分子作用力是粘接力的主要來源，它廣泛存在于所有粘接體系中。因此對軌道車輛進(jìn)行粘接施工操作時(shí)，清潔粘接基材表面油脂、灰塵等雜物是非常重要的，需要加以適當(dāng)管控。尤其是在車輛段施工時(shí)，車輛經(jīng)過長時(shí)間的運(yùn)營，表面油漬灰塵較難清理，需要對清潔工作的質(zhì)量要求更為嚴(yán)格。

2.3 界面靜電力

當(dāng)金屬與非金屬材料（例如高分子膠粘劑）密切接觸時(shí)，由于金屬電子的親和力低，容易失去電子；而非金屬對電子的親和力高，容易得到電子，故電子可以從金屬轉(zhuǎn)移向非金屬，使界面兩側(cè)產(chǎn)生接觸電勢，并形成雙電層產(chǎn)生靜電吸引。金屬材料的表面能相對較高，膠粘劑在金屬上粘接更容易產(chǎn)生良好的潤濕，因此在軌道車輛設(shè)計(jì)時(shí)對金屬的粘接相對效果更好。

2.4 機(jī)械作用力

從物理學(xué)的觀點(diǎn)來看，機(jī)械作用并不是產(chǎn)生粘接力的因素，而是增加粘接效果的一種方法。粘接劑是充滿被粘物表面的凸凹之處的，固化后在界面區(qū)產(chǎn)生了咬合力，這些類似于木箱邊角的嵌接，釘子與木材的結(jié)合或者樹根植入泥土的作用。機(jī)械連接力的本質(zhì)是摩擦力。

因此在軌道車輛粘接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，對于那些較為光滑的基材表面（如高光面漆表面等）可以做適當(dāng)?shù)拇蚰ヌ幚?，從而增加粘接力?

3、 高分子膠粘劑的老化

軌道車輛在戶外運(yùn)營時(shí)，車輛上使用的各種膠粘劑也會暴露在各種老化介質(zhì)中，由于受內(nèi)外因素的綜合作用，使性能逐漸變壞，以致最后粘接強(qiáng)度減小，失去了粘接作用，這就是所謂的老化現(xiàn)象。

有機(jī)膠粘劑材料老化的原因，主要有內(nèi)因和外因兩種。內(nèi)因主要指：構(gòu)成高分子材料的基本成分——有機(jī)膠粘劑本身的結(jié)構(gòu)狀態(tài)（包括化學(xué)結(jié)構(gòu)和物理結(jié)構(gòu)）和高分子材料體系內(nèi)部各組分的性質(zhì)、比例等。外因是指外界的環(huán)境因素：有物理因素、化學(xué)因素和生物因素等，其中太陽光、氧、熱、濕度等是引起各種高分子膠粘劑材料老化的重要因素。

3.1 太陽光

軌道車輛尤其是高速動車組在運(yùn)營時(shí)經(jīng)常暴露在強(qiáng)烈的日光下，太陽光中的紫外線是膠粘劑老化的主要因素，雖然到達(dá)地面的紫外線量很少，但它的光能卻很大，這個(gè)能量能夠使許多膠粘劑高聚物發(fā)生光氧化反應(yīng)。該反應(yīng)一般是在有機(jī)膠粘劑層的表面進(jìn)行，首先引發(fā)表面高聚物的老化，并隨著老化時(shí)間的推移而逐步向內(nèi)層發(fā)展。因此，在大氣環(huán)境下，有機(jī)膠粘劑受光面積的大小和單位面積上所接受的光強(qiáng)度的大小，對有機(jī)膠粘劑的老化速度有很大影響。

一般來說，輻射到地面上的紫外線強(qiáng)度和太陽的高速以及海拔高度有關(guān)，太陽高速低或海拔高速高，紫外線強(qiáng)度增加。在我國高原環(huán)境下，由于太陽輻射能較強(qiáng)，有機(jī)膠粘劑的迅速老化破壞從而構(gòu)成了高原環(huán)境對材料破壞的主要特點(diǎn)。

因此，在對軌道車輛選用膠粘劑時(shí)要重點(diǎn)考慮其耐紫外線性能，對于長時(shí)間暴露在太陽光下的部位（如列車的車窗和車頂?shù)龋┮褂媚妥贤饩€的結(jié)構(gòu)粘接劑和密封粘接劑。

3.2 氧和臭氧

氧是一種活潑的氣體，在接近地面的大氣層中氧占空氣容積的21%。膠粘劑的老化，實(shí)際上也是在熱的參與下或者在光的引發(fā)下進(jìn)行的氧化反應(yīng)；或是兩者皆有之的氧化反應(yīng)過程，從而引起膠層的老化。

大氣中的臭氧，主要是離地面20-30km的大氣上層形成的，在那里由于氧吸收了太陽輻射的短波紫外線而分解成的原子態(tài)氧。臭氧濃度隨地區(qū)、大氣層高度、季節(jié)及氣象條件（如雷雨的影響）不同而有一定的變化。由于臭氧的氧化性更強(qiáng)，因此對膠粘劑的老化更為嚴(yán)重。

在軌道車輛的受電弓附近時(shí)常有高壓形成的空氣擊穿放電現(xiàn)象，類似于雷雨中形成臭氧的條件，因此對其附近使用的膠粘劑要考慮耐臭氧老化性，以免該部位出現(xiàn)過快的老化影響設(shè)備性能。

3.3 熱和氣溫

太陽光的紅外線為物質(zhì)所吸收，都轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，熱是促進(jìn)高分子材料老化的又一重要因素。熱具有很高的活性，隨著溫度的升高會使分子的熱運(yùn)動加速，從而引起某些高聚物發(fā)生降解與交聯(lián)。降解的結(jié)果，表現(xiàn)為材料的分子量降低以及強(qiáng)度、伸長率等下降；而交聯(lián)的結(jié)果，則表現(xiàn)為材料的分子量增大以及材料剛性的提高等。

有機(jī)膠粘劑在大氣暴曬老化過程中，因溫度的交替變化，熱脹冷縮往復(fù)不斷地進(jìn)行，引起有機(jī)膠粘劑內(nèi)應(yīng)力的變化，導(dǎo)致變形，破壞了它與基材的粘接力，從而造成粘接性能下降。

熱老化反應(yīng)通常隨溫度的升高而加速，一般來講，溫度升高10℃，反應(yīng)速度就加快一倍。

3.4 水和相對濕度

在大氣環(huán)境中，水對于高分子材料的作用表現(xiàn)為降水、潮濕、凝露等多種形式的作用。雨水，特別是凝露形成的水膜，能夠滲入材料內(nèi)部，使膠粘劑內(nèi)部物質(zhì)被水溶解或吸收，從而逐步改變材料的物料組成和比例，加速材料的老化。膠粘劑的失效往往是由于腐蝕介質(zhì)（離子、水分子、氧氣等）滲透到膠粘劑與基材之間的界面層，并累計(jì)一定濃度后引起界面破壞或基材自身的腐蝕，從而導(dǎo)致整個(gè)粘接結(jié)構(gòu)老化失效。

因此，在軌道車輛粘接接頭設(shè)計(jì)時(shí)，需要注意對活化劑和底涂劑的使用，優(yōu)化膠粘劑與基材接觸面的粘接性能。

4、結(jié)論

通過對粘接力的形成和粘接的老化失效我們可以發(fā)現(xiàn)，雖然粘接相對于鉚接和焊接來講比較方便操作，但對于選膠和施膠工藝來講也有較為嚴(yán)格的要求，否則會出現(xiàn)短時(shí)間因老化使膠粘劑失效的危險(xiǎn)。因此在軌道車輛生產(chǎn)中，要全面綜合地考慮粘接接頭的設(shè)計(jì)，做好設(shè)計(jì)前膠粘劑與被粘基材的人工加速老化樣板的試驗(yàn)，以及粘接結(jié)構(gòu)動靜態(tài)受力模擬試驗(yàn)，從設(shè)計(jì)源頭把關(guān)，保證粘接部位的質(zhì)量，使軌道車輛具有更高的品質(zhì)。

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