膠黏劑在城市軌道交通行業(yè)中的應(yīng)用

湯云哲

上海軌道交通設(shè)備發(fā)展有限公司 上海 200245

1 粘接理論

進(jìn)入21世紀(jì)后,軌道交通憑借獨(dú)特的優(yōu)勢而迅速發(fā)展,成為現(xiàn)代化城市在交通領(lǐng)域的一張名片。隨著軌道交通的發(fā)展,軌道交通車型種類逐漸增多,新材料不斷出現(xiàn),零部件連接的條件和需求變得越來越復(fù)雜。城市軌道交通車輛中,零部件的主要連接方式有螺紋連接、焊接、粘接、鉚接等[1]。與傳統(tǒng)機(jī)械連接相比,粘接具有較大優(yōu)勢,并逐漸得到了廣泛應(yīng)用。粘接的受力較為均勻,不易產(chǎn)生應(yīng)力集中,粘接處密封性能相比傳統(tǒng)連接技術(shù)更好,且更耐腐蝕。粘接不受兩種材料性質(zhì)的限制,可以直接連接金屬和非金屬,并且在受到?jīng)_擊時能夠發(fā)揮出柔韌性和彈性,對沖擊進(jìn)行吸能[2]。

粘接指通過界面的粘附和內(nèi)聚等作用,使兩種或兩種以上制件、材料連接在一起[3-4]。粘接是接觸面之間多種力的綜合體現(xiàn),當(dāng)粘接物表面存在大量凹坑、槽溝和多孔穴時,膠黏劑在表面流動時會流入這些孔隙,固化后會牢牢地嵌入粘接物的孔隙中,產(chǎn)生粘接時所需的重要機(jī)械作用力。當(dāng)膠黏劑在粘接物表面流動時,基于布朗運(yùn)動,膠黏劑分子的極性部分會向粘接物的極性部分接近。當(dāng)距離足夠近時,能夠基于范德華力或氫鍵力吸附在一起。當(dāng)膠黏劑和粘接物性質(zhì)相近,且可以相容時,在濕潤良好、接觸緊密的情況下,膠黏劑和粘接物會相互穿透擴(kuò)散,從而導(dǎo)致界面消失而產(chǎn)生牢固的接頭。

在滿足量子化學(xué)條件時,膠黏劑和粘接物之間會產(chǎn)生化學(xué)鍵?；瘜W(xué)鍵的形成條件要求高,形成困難,但是一旦形成,就能夠大大提高粘接強(qiáng)度。粘接強(qiáng)度指在外力作用下使膠黏劑與粘接物界面或鄰近處發(fā)生破壞所需要的應(yīng)力,一般分為剪切強(qiáng)度、拉伸強(qiáng)度、剝離強(qiáng)度、沖擊強(qiáng)度等[4]。

2 影響粘接強(qiáng)度的因素

影響粘接強(qiáng)度的因素有很多,包括膠黏劑的選用、粘接物的表面特性、粘接時表面是否有污染物、粘接物的幾何形狀狀態(tài)、溫度等。應(yīng)保證在粘接面上的應(yīng)力分布均勻,盡可能使接頭承受均勻拉力、壓力和剪切力,避免產(chǎn)生剝離力和劈裂力。此外,應(yīng)使粘接面積盡量大,以此提高接頭的承載能力[5]。粘接物的表面處理會對粘接強(qiáng)度產(chǎn)生影響[6-7]。一般而言,表面粗糙度值增大,能夠有效提高接頭的粘接強(qiáng)度。因?yàn)樵龃蟊砻娲植诙戎的軌蛴行г龃笳辰用婷娣e。當(dāng)然另一方面,過大的表面粗糙度值會使膠黏劑在粘接表面的浸入不充分,從而導(dǎo)致微觀應(yīng)力過于集中,進(jìn)而降低接頭的粘接強(qiáng)度。在有特別高的要求的情況下,可以預(yù)先使用底涂劑等進(jìn)行表面處理。通過底涂劑的表面處理,可以增大粘接物的表面能。

對粘接表面應(yīng)進(jìn)行徹底清潔,不存在粉塵、劃痕、污染物等影響粘接,粘接的加工環(huán)境也需要滿足要求。如圖1所示,由于粘接加工車間內(nèi)同時進(jìn)行粘接和車體噴漆前的拋光工序,導(dǎo)致車間內(nèi)有大量粉塵顆粒,加之粘接表面在刷膠黏劑前未進(jìn)行徹底清潔,導(dǎo)致保溫材料在粘接后從車體上撕裂脫落。保溫材料表面經(jīng)過徹底清潔再重新進(jìn)行粘接后,這一缺陷才得以彌補(bǔ)。

圖1 保溫材料脫落

3 膠黏劑的選用

可以從施工工藝性、功能要求和黏度等方面對膠黏劑進(jìn)行選用。

3.1 施工工藝性

不同的膠黏劑,操作方式不同,包括噴涂、刷涂、刮涂、滾涂等,會對操作效率和涂膠質(zhì)量產(chǎn)成不同的影響。開放時間的長短對膠黏劑有重要影響。開放時間長,操作時間長,則可操作性好。開放時間短,等待時間短,則粘接效率高。一般而言,在大表面積施布膠黏劑時,需要選用開放時間長的膠黏劑。當(dāng)表面積較小時,則需要選用開放時間短,甚至能夠瞬干的膠黏劑。

3.2 功能要求

選用膠黏劑時需要考慮環(huán)保要求和防火要求。軌道交通車輛都有總體防火要求,膠黏劑作為非金屬材料,在大面積施布時,需要滿足軌道交通車輛的防火要求,尤其是對車輛底架表面的防火密封膠而言,有更高的耐火性能要求。對于車體外表面使用的膠黏劑、密封膠等,需要滿足抗老化、耐氣候等要求。相較于涂料,膠黏劑更容易產(chǎn)生刺激性氣味,因此人們對膠黏劑環(huán)保性的要求也更為嚴(yán)格。

3.3 黏度

膠黏劑的黏度低,使膠黏劑具有較好的流平性。在水平面上,流平性越好,膠黏劑更容易布施均勻,更易于流入粘接物的粗糙表面形貌中,進(jìn)而更易于提高施布質(zhì)量。然而,膠黏劑的黏度較低時,在非水平面反而會流向一邊,進(jìn)而降低施布質(zhì)量。在這樣的場合,使用黏度較高的膠黏劑更合適。另一方面,黏度過低,會減小膠黏劑的內(nèi)聚力。

4 膠黏劑在軌道交通車輛上的應(yīng)用

在城市軌道交通車輛中,應(yīng)用粘接技術(shù)的場合主要有地板布粘接、鋁蜂窩板粘接、地板橡膠件粘接、保溫材料粘接。

4.1 地板布粘接

軌道交通車輛地板布材料一般為聚氯乙烯或橡膠,車體地板一般為鋁板或不銹鋼板。地板布的拼接方式為無縫拼接或有縫拼接,在使用時有耐磨、防滑、防火、防靜電等要求。地板布和地板的粘接位置處于不斷振動的車廂內(nèi),由于有乘客不斷踩踏,因此粘接地板布的膠黏劑要具有一定的韌性。通常使用聚氨酯膠黏劑、氯丁膠黏劑、甲基丙烯酸酯膠黏劑等作為地板布粘接的膠黏劑[2,8]。

在粘接強(qiáng)度方面,假設(shè)車輛的運(yùn)動加速度為1.3 m/s2,乘客的質(zhì)量為100 kg,乘客鞋底與地面的接觸面積為13 cm2,那么加減速時由于慣性而產(chǎn)生的慣性力為130 N,地板布與乘客鞋底的摩擦力為130 N,地板布與地板之間膠黏劑所受的剪切力也為130 N。假設(shè)地板布所受到的摩擦力完全不被分散,地板與地板布之間的剪切力也完全不被分散,地板布與地板的剪切面積等于乘客鞋底的面積,那么地板與地板布之間膠黏劑受到的剪切強(qiáng)度最高為1 MPa。常見的膠黏劑,其許用剪切強(qiáng)度都遠(yuǎn)高于1 MPa,如環(huán)氧膠黏劑的許用剪切強(qiáng)度為21 MPa,聚氨酯膠黏劑的許用剪切強(qiáng)度為8 MPa,氯丁膠黏劑的許用剪切強(qiáng)度為4 MPa～5 MPa,甲基丙烯酸酯膠黏劑的許用剪切強(qiáng)度為12 MPa～15 MPa。

地板布粘接時,還需要考慮膠黏劑的環(huán)保性能。以上幾種膠黏劑中,氯丁膠黏劑和甲基丙烯酸酯膠黏劑雖然能夠滿足環(huán)保要求,但是由于成本較高,不得不被淘汰。丙烯酸膠黏劑由于開放時間短,不適用于大表面積的粘接。當(dāng)前,各主機(jī)廠主要選用聚氨酯膠黏劑和環(huán)氧膠黏劑來粘接地板布。從結(jié)構(gòu)上而言,軌道交通A型車和B型車在車體與鋁蜂窩地板間有地板橡膠件等,基材容易產(chǎn)生變形,因此傾向于使用有一定彈性和韌度的聚氨酯膠黏劑;C型車地板布直接粘接于車體上,傾向于使用環(huán)氧膠黏劑。粘接軌道交通A型車地板布時刷涂R900聚氨酯膠黏劑現(xiàn)場如圖2所示。

圖2 粘接A型車地板布刷涂膠黏劑現(xiàn)場

4.2 鋁蜂窩板粘接

鋁蜂窩板粘接與地板布粘接原理類似。鋁蜂窩板的基材為鋁板,被粘接物為鋁蜂窩,兩者都是極性材料,因此可選用聚氨酯膠黏劑、環(huán)氧膠黏劑、丙烯酸膠黏劑等。由于丙烯酸膠黏劑開放時間較短,無法應(yīng)用于大面積粘接場合,因此可以排除。鋁蜂窩板粘接后需要保持較高的粘接強(qiáng)度,對此,通常選用固化后強(qiáng)度和硬度均較高的環(huán)氧膠黏劑。

4.3 地板橡膠件粘接

地板橡膠件進(jìn)行粘接時涉及的影響因素較多。10 mm以上厚度的橡膠塊通常會產(chǎn)生較大的變形,并且橡膠塊面積小,需要選用強(qiáng)度高、開放時間短的膠黏劑,具體可選用甲基丙烯酸膠黏劑。橡膠塊與其它較薄的橡膠墊粘接時,實(shí)際是橡膠與橡膠的粘接,因此需選用韌性好的膠黏劑。氯丁膠黏劑對橡膠材料具有相溶性,粘接時能相互擴(kuò)散,因此橡膠粘接通常使用氯丁膠黏劑。地板墊梁在調(diào)平時需要不斷增加或減少橡膠墊,粘接完成后需要盡快粘牢,因此需要選用高強(qiáng)度瞬干膠黏劑,將調(diào)平用的橡膠墊快速粘接在墊梁上。由于車體地板不平整,墊梁粘接在車體地板上時需要強(qiáng)度高且能夠保持一定厚度的膠黏劑,具體可以選用改性硅烷膠黏劑。軌道交通A型車地板橡膠件粘接現(xiàn)場如圖3所示[9]。

圖3 A型車地板橡膠件粘接現(xiàn)場

4.4 保溫材料粘接

粘接保溫材料時,除了使用專用的品牌膠黏劑外,一般均使用氯丁膠黏劑。氯丁膠黏劑的用途廣泛,初黏度高,可以在豎直面和下平面粘接后保持固定、不脫落。

5 結(jié)束語

膠黏劑的粘接性能與選型、粘接表面狀態(tài)等都有關(guān)系,因此,在城市軌道交通行業(yè)中選用膠黏劑,需要設(shè)計人員與相關(guān)工藝人員一同參與。除采用平臺設(shè)計或以往項(xiàng)目曾經(jīng)采用過的膠黏劑及粘接材料外,對于新選用的膠黏劑,理論上都應(yīng)進(jìn)行附著力測試,尤其是在需要高強(qiáng)度粘接的場合,必須進(jìn)行粘接強(qiáng)度測試,以驗(yàn)證實(shí)際使用情況下膠黏劑的粘接性能是否能夠達(dá)到設(shè)計要求。需要注意的是,相比其它連接方式,粘接對新材料的適應(yīng)能力較差[10]。

雖然膠黏劑基本都能滿足環(huán)保標(biāo)準(zhǔn),但是普遍會散發(fā)刺激性氣味。為了使軌道交通車輛能夠滿足環(huán)保驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn),車體制造完工后需要停放一段時間,才能進(jìn)行驗(yàn)收。由此可見,環(huán)保問題是膠黏劑未來需要解決的重點(diǎn)問題。

要實(shí)現(xiàn)粘接技術(shù)在軌道交通車輛上的應(yīng)用,需要將膠黏劑選型、粘接表面處理、接頭形狀設(shè)計等形成完整的規(guī)范文件或設(shè)計指南。在設(shè)計過程中,需要記錄粘接的施工工藝及粘接過程中出現(xiàn)的問題,并在后續(xù)設(shè)計前研究解決,最終使設(shè)計人員在設(shè)計時能夠規(guī)范、合理地應(yīng)用粘接技術(shù)[11]。

在國家大力發(fā)展先進(jìn)制造業(yè)的背景下,隨著粘接技術(shù)和膠黏劑的創(chuàng)新與發(fā)展,膠粘劑在城市軌道交通行業(yè)中的應(yīng)用將越來越廣泛。