軌道車輛用聚氨酯膠黏劑防火測試方法探討

李人哲 鐘源 竇阿波 郭演義

(1.中車株洲電力機車有限公司 大功率交流傳動電力機車系統(tǒng)集成國家重點實驗室 湖南株洲 412001) (2.華測檢測認證集團股份有限公司 廣東深圳 518133)

軌道交通車輛以快速、安全、準點、節(jié)能、環(huán)保和舒適的優(yōu)勢成為人們?nèi)粘３鲂械氖走x。在運行中,最主要的危險是列車顛覆及失火[1],因此軌道交通的防火安全是一項極為重要的性能指標。根據(jù)GB/T 21562—2008《軌道交通可靠性、可用性、可維修性和安全性規(guī)范及示例》[2],需要更早地評估其安全風險,在設計時應考慮符合安全完整性等級(Safety Integrity Level,SIL)要求[3]。歐盟法令TSI(Technical Specification for Interoperability)規(guī)定各歐盟成員國的軌道交通車輛必須實現(xiàn)互通,提出的FIRST(火焰蔓延性、可燃性/點燃性、熱釋放速率、產(chǎn)煙濃度、煙氣毒性)概念是車輛防火設計目前最為先進、全面和最具有代表性的理念[4]。在歐盟國家,EN 45545系列防火標準已經(jīng)廣泛應用于軌道交通領域,我國在相關領域也發(fā)布了一系列阻燃標準。但在實際應用中,特別是在軌道車輛應用部位較多的彈性聚氨酯(PU)膠黏劑,其制樣和測試方面都沒有統(tǒng)一的規(guī)范,導致在質(zhì)量驗收過程存在較多困難。

本研究重點分析聚氨酯膠黏劑在不同應用場合下的防火測試、制樣要求和同一種產(chǎn)品的替代關系,為軌道車輛用聚氨酯膠黏劑的防火設計和測試提供依據(jù)。

1 歐盟標準和中國標準內(nèi)容解讀

由英國BS 6853、德國DIN 5510、法國NF F16-101和意大利UNICEI 11170等標準[5]逐步統(tǒng)一所形成的歐洲軌道車輛防火阻燃標準EN 45545,防火等級要求從HL1至HL3逐步升高;根據(jù)PU膠黏劑產(chǎn)品不同使用位置及使用量,將產(chǎn)品防火管控要求細分成26類要求(R1～R26);結(jié)合火災發(fā)生時的現(xiàn)象,重點關注火焰?zhèn)鞑ァ⒖扇夹?、熱釋放速率、煙霧釋放和氣體毒性這5類項目。國內(nèi)發(fā)布了軌道交通相關的系列標準TB/T 2640—1995《鐵道客車防火保護的結(jié)構(gòu)設計》、GB 6771—2000《電力機車防火和消防措施的規(guī)程》、TB/T 3237—2010《動車組用內(nèi)裝材料阻燃技術條件》、CJ/T 416—2012《城市軌道交通車輛防火要求》、TB/T 3138—2018《機車車輛用材料阻燃技術要求》和Q/CR 699—2019《鐵路客車非金屬材料阻燃技術條件》等,以上標準等同參考國內(nèi)相關國標和行標,并結(jié)合UIC617-1:1979、UIC 564-2:1991、DIN 5510系列、NF F 16-101: 1988和EN 45545等系列標準。中國和歐盟鐵路機車的阻燃要求對比情況見表1[4,6-8],聚氨酯膠黏劑的阻燃測試也需按照同樣的要求進行。

2 典型的聚氨酯膠黏劑應用場合和制樣方法

聚氨酯材料用途廣泛,而膠黏劑是其較為重要的應用領域之一[9]。膠黏劑可以牢固粘接輕量化材料以及傳統(tǒng)材料(如鋼或鋁),形成的連接可承受高負荷[10]。聚氨酯膠黏劑在密封和粘接方面優(yōu)異的特性很好地滿足軌道車輛對減震、降噪、密封等特殊要求,提高了車輛的舒適性和安全性。比如較高模量的單組分濕氣固化聚氨酯密封膠除具有良好的粘接強度和沖擊強度外,還具有耐老化、耐低溫、耐疲勞、耐水和耐油等特點,它使用方便,粘接強度高,堆積性好[11]。同時單組分濕固化聚氨酯密封劑可應用在空氣動力負荷較高的區(qū)域,其抗紫外線照射、抗風化和抗化學清潔劑的能力強,十分耐用。聚氨酯膠黏劑具有可用于大面積連接、阻尼降噪、避免不同金屬間電化學腐蝕、彌補部件公差等優(yōu)越性,所以它們在軌道車輛制造中發(fā)揮著重要作用。

表1 歐盟和國內(nèi)防火標準使用范圍及規(guī)定要求

聚氨酯膠黏劑產(chǎn)品主要用于軌道車輛的司機室頭罩、前窗、側(cè)窗和地板[12-14]等部位,具體示例見圖1(A和B分別表示不同的基材)。其中,a～d分別為頭罩安裝(頭罩與車體之間密封和粘接)、前窗安裝(前窗玻璃和頭罩密封和粘接)、側(cè)窗安裝(側(cè)窗玻璃與窗框、車體密封和粘接)和鋁蜂窩地板安裝(鋁蜂窩地板與車體地板之間的密封)。

圖1 聚氨酯膠黏劑典型應用場合

阻燃(防火)和環(huán)保是目前軌道車輛用材料發(fā)展的趨勢,提高防火性能的同時要兼顧環(huán)保性,選擇使用更為環(huán)保的無機阻燃劑勢必會導致粘接性能和彈性載荷等性能的下降。為了應對此問題,在應用中原來粘接和密封一體化的聚氨酯膠逐步發(fā)展為粘接用膠和密封用膠。粘接用膠主要考慮保持很好的粘接性能,相比密封用膠防火性能偏低。密封層側(cè)重保證優(yōu)良的防火性能,相比粘接用膠粘接強度等力學性能偏低。

結(jié)合歐盟和中國標準,針對軌道交通車輛材料的防火測試項目主要包括45°角燃燒、火焰?zhèn)鞑?、熱釋放、氧指?shù)、煙密度和煙毒性等。聚氨酯膠黏劑產(chǎn)品防火測試用樣件制作沒有統(tǒng)一的標準和規(guī)范,通常都是在符合標準分類的條件下,模擬實際使用條件來制作樣件。樣件制作時須要考慮如下方面:聚氨酯膠黏劑是否存在暴露面、暴露面面積多少、聚氨酯膠黏劑質(zhì)量、粘接和密封的位置、與其他產(chǎn)品接觸情況[14-15]。不同應用場合下的聚氨酯膠黏劑樣件6種制作方式歸納見表2。

根據(jù)表2中的6種樣件,對軌道交通防火設計和阻燃性測試結(jié)果進行總結(jié),得出以下結(jié)論:(1)符合高等級測試結(jié)果的通常涵蓋低等級要求;(2)采用裸膠樣件進行測試,符合阻燃標準要求的極少;(3)符合單面涂膠樣件的較夾層、半夾、T型結(jié)構(gòu)樣件阻燃結(jié)果更優(yōu);(4)符合T型結(jié)構(gòu)樣件的較夾層、半夾結(jié)構(gòu)樣件的阻燃結(jié)果更優(yōu)。

結(jié)合阻燃測試方法更細致的EN 45545-2標準為例進行分類整理,對應的應用場合分別為內(nèi)部產(chǎn)品、外部產(chǎn)品、家具產(chǎn)品、電子部件和機械部件。按是否暴露、暴露面積、產(chǎn)品質(zhì)量、產(chǎn)品位置、與其他產(chǎn)品接觸情況等分為26類要求(R1～R26),聚氨酯膠黏劑的樣件制作情況歸納見表3。

表2 聚氨酯膠黏劑6種典型應用部位的制樣方式

可以看出,用于密封的聚氨酯膠黏劑暴露在火源風險更高的位置,所以在選擇樣件的時候都選擇暴露面積較大的樣件方式,而用于粘接的聚氨酯膠黏劑多選擇位于夾層和半夾層結(jié)構(gòu)。

軌道車輛使用的各類粘接接頭形式是固定的,根據(jù)圖1和表3可以準確得到樣件的測試驗證方案,但同款產(chǎn)品卻可能會使用在不同的應用場合。如果按不同厚度和應用場合完成驗證和檢測,會耗時耗力且不經(jīng)濟。本研究根據(jù)標準和實際測試情況,整理出如下關系:(1)滿足較高等級場合可以替代較低等級場合;(2)滿足完全暴露場合可替代相同類別和等級的非完全暴露場合;(3)相同類別和場合時,涂覆厚度為X和Y(X

表3 防火標準典型樣件制作的示例

3 結(jié)束語

軌道車內(nèi)空間相對封閉,特別是無固定逃生區(qū)域的隧道和高架,在火災發(fā)生時危害程度很大。另外，無人駕駛的自動車輛、雙層車輛和臥鋪車輛在發(fā)生火災后的危害更嚴重[16]。

通過解讀列車防火等級、測試要求和方法,針對在防火測試中的樣件制作和測試方案尚未統(tǒng)一規(guī)范解讀而導致的風險,明確了軌道車輛用聚氨酯膠黏劑在不同應用場合下的制樣要求和防火測試要求,認為聚氨酯膠黏劑測試與暴露面積、質(zhì)量、使用位置、接觸產(chǎn)品、幾何尺寸直接相關;并通過測試數(shù)據(jù)確認同一種產(chǎn)品在不同應用場合下的替代關系,為同一產(chǎn)品在多種應用場合下的設計和測試,以及選取和考察評估較優(yōu)方案提供支撐。