API雙組分膠在鐵路客車貼面板粘接中的應(yīng)用及性能評(píng)價(jià)

劉金鳳 王元伍 劉民軍

（中車唐山機(jī)車車輛有限公司，河北唐山 064000）

0.引言

貼面膠合板是利用貼面板膠合在膠合板基材表面制成的板材[1-2]，因貼面膠合板具有外觀多樣性和阻燃性等優(yōu)異性能，被廣泛應(yīng)用在鐵路客車的內(nèi)裝設(shè)計(jì)上[3]。原有鐵路客車的貼面板粘接工藝多采用脲醛膠、氯丁膠、白乳膠等膠粘劑進(jìn)行粘接。脲醛膠具有操作簡(jiǎn)單、良好的粘接性及生產(chǎn)成本低等優(yōu)勢(shì)，但其甲醛釋放量較高，對(duì)操作者及環(huán)境都有危害，因此降低脲醛膠的毒性一直是木材科技工作者的關(guān)注點(diǎn)。接觸膠粘接性能優(yōu)異、價(jià)格低廉且對(duì)木材有良好的粘接力，各主機(jī)廠逐漸使用接觸膠接替脲醛膠進(jìn)行貼面板粘接，但氯丁膠在使用過程中大量的有機(jī)溶劑的揮發(fā)，對(duì)人體的安全健康及環(huán)境污染有很大影響?；诖朔N情況，后續(xù)又開發(fā)了白乳膠或快干白膠等進(jìn)行貼面板粘接，白乳膠因含大量水分，在冬季使用時(shí)常發(fā)生脫膠、開膠等問題，潛在的隱患會(huì)引發(fā)貼面板發(fā)生開裂。因此隨著環(huán)保要求的不斷提高，粘接工程師也一直在開發(fā)對(duì)木材粘接性能優(yōu)異又環(huán)保的膠粘劑在貼面膠合板粘接中進(jìn)行應(yīng)用。

水性高分子異氰酯膠（Aqueous Polymer Isocyanate，API）因不含甲醛成分，又被稱為環(huán)保型水性高分子聚合物粘合劑，具有固化速度快、膠合強(qiáng)度高、耐濕熱、耐老化性能好等優(yōu)點(diǎn)，被大量地應(yīng)用于集成材的粘接[4-7]。基于API膠粘劑在集成材粘接中的廣泛應(yīng)用及取得的良好效果，且本文所述產(chǎn)品為貼面膠合板復(fù)合粘接，與上述集成材粘接有共通之處。

API膠粘劑對(duì)木材良好的粘接性及環(huán)保性正式貼面膠合板粘接需要的特性，本文針對(duì)鐵路客車用貼面膠合板的性能要求和技術(shù)特點(diǎn)，選用API雙組分膠粘劑在貼面膠合板的應(yīng)用中進(jìn)行貼面粘接試驗(yàn)和性能評(píng)價(jià)。主要考察環(huán)保型膠粘劑在貼面膠合板粘接中的應(yīng)用。重點(diǎn)關(guān)注膠粘劑配比、粘壓工藝等對(duì)貼面膠合板粘接性能的影響，并通過膠合強(qiáng)度、浸漬剝離、防潮性能測(cè)試進(jìn)行評(píng)判。該試驗(yàn)為貼面膠合板粘接首次嘗試水性膠粘劑產(chǎn)品，在保證粘接性能的同時(shí)解決貼面膠合板產(chǎn)品生產(chǎn)的環(huán)保問題。

1.試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)原料

多層膠合板，工業(yè)級(jí)，廠內(nèi)采購；貼面板，廠內(nèi)采購，廠家固定；API雙組分膠粘劑，試驗(yàn)室自制及市場(chǎng)選購。

固化劑：多官能度異氰酸酯，市售。按主劑與固化劑質(zhì)量比100：15配制使用。API雙組分膠粘劑的技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 API膠粘劑產(chǎn)品信息

1.2 試驗(yàn)儀器

數(shù)顯恒溫水浴鍋；DHG-9140A恒溫鼓風(fēng)干燥箱；固化速率測(cè)試專用模具；萬能拉力試驗(yàn)機(jī)；恒溫恒濕箱；QUV老化試驗(yàn)箱。

電熱恒溫干燥箱，上海一恒科學(xué)儀器有限公司，型號(hào)：DHG-9145A；數(shù)顯恒溫油浴槽，金壇市正基儀器有限公司，型號(hào)：HH-6；電子天平，北京賽多利斯儀器系統(tǒng)有限公司，型號(hào)TВ403；酸度計(jì)，瑞士萬通（Metrohm）公司，型號(hào)：827PH lab；粘度計(jì)，美國博力飛（ВROOKFIELD）公司，型號(hào)：DV-I + VISCOMETER；平板式熱壓機(jī)，上海人造板機(jī)器廠生產(chǎn)；萬能力學(xué)材料試驗(yàn)機(jī)，濟(jì)南時(shí)代試金儀器有限公司，型號(hào)WDW-W10。

1.3 試驗(yàn)制備

本文選用API作為膠粘劑進(jìn)行貼面膠合板的粘接，主要研究膠粘劑本體及粘壓工藝對(duì)產(chǎn)品粘接性能的影響，并通過系列測(cè)試驗(yàn)證API粘接產(chǎn)品的可行性。API粘接貼面膠合板樣板制備流程如下：

（1）原料準(zhǔn)備：膠合板基材厚度偏差控制在±0.1mm，含水率在7%～12%范圍內(nèi)。貼面板規(guī)格為300mm×300mm×1.5mm，每個(gè)相同試驗(yàn)條件重復(fù)3塊。（2）混膠：主劑和固化劑的配比為重量比。按試驗(yàn)設(shè)計(jì)分為3種，主劑：固化劑分別為100：15、100：12、100：9。按重量比稱好所需要的量，混合攪拌均勻，每一批膠混合后在30min內(nèi)完成涂膠。配膠時(shí)不要加水。（3）涂膠：雙面涂膠，夏季要多涂一點(diǎn)，以免干燥，造成粘合力下降，因此要盡快涂膠。工作環(huán)境溫度最低為5℃。（4）冷壓：涂膠之后，夏季應(yīng)在5min之內(nèi)將涂膠后的板材膠面貼合放在壓機(jī)上并施壓；冬季在20min內(nèi)完成涂膠并將膠面貼合。冬季加壓時(shí)間應(yīng)保證在1.5h以上，夏季加壓時(shí)間應(yīng)保證在1h以上，壓力為8kg/cm2～12kg/cm2。（5）熱壓：熱壓溫度，80℃；熱壓時(shí)間，5min；其他與冷壓一致。（6）卸壓、養(yǎng)生：加壓過程中擠出來的膠，卸壓后用刮刀除掉。除膠時(shí)要避免施加壓力。（7）測(cè)試樣件的制備：上述大板粘壓后，需要進(jìn)行卸壓及養(yǎng)生，3d后可進(jìn)行加工。各測(cè)試樣件根據(jù)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的要求及規(guī)格從制備的大板中進(jìn)行取樣裁切。

1.4 測(cè)定和表征

（1）密度：根據(jù)GВ/T17657-2013[8]中4.2規(guī)定的方法進(jìn)行。（2）吸水厚度膨脹率：根據(jù)GВ/T17657-2013中4.5規(guī)定的方法進(jìn)行。（3）浸漬剝離性能測(cè)定：根據(jù)GВ/T17657-2013中4.19規(guī)定的Ⅱ類浸漬剝離試驗(yàn)方法進(jìn)行。（4）拉伸載荷強(qiáng)度：根據(jù)GВ/T17657-2013中4.17規(guī)定的方法進(jìn)行。（5）表面膠合強(qiáng)度：根據(jù)GВ/T17657-2013中4.16規(guī)定的方法進(jìn)行。（6）防潮性能測(cè)定-沸水煮試驗(yàn)：根據(jù)GВ/T17657-2013中4.13規(guī)定的方法進(jìn)行。（7）防潮性能測(cè)定-循環(huán)試驗(yàn)：根據(jù)GВ/T 17657-2013中4.14規(guī)定的方法進(jìn)行。

2.結(jié)果與討論

壓制完成的基礎(chǔ)板放置3d以上，根據(jù)測(cè)試要求裁切成標(biāo)準(zhǔn)試件。根據(jù)測(cè)試項(xiàng)目的區(qū)別分別編號(hào)為1～6，分別對(duì)試驗(yàn)樣件1～6進(jìn)行系列產(chǎn)品性能測(cè)試，表2為試驗(yàn)設(shè)計(jì)及測(cè)試方案。表3、表4為測(cè)試結(jié)果。

表2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)及測(cè)試方案

表3 樣件1～4性能測(cè)試結(jié)果

表4 樣件5～6性能測(cè)試結(jié)果

2.1 固化劑比例對(duì)粘接性能的影響

樣件1～4，固化劑/主劑比例范圍為9/100～15/100。由表3中數(shù)據(jù)可知，樣件的沸水浸漬剝離率均為0，即貼面膠合層均沒有開裂?？梢钥闯觯揂PI產(chǎn)品在使用時(shí)，固化劑比例為9/100～15/100時(shí)，其耐高溫水煮性能都很好，不會(huì)從API貼面膠層開裂。表面結(jié)合干強(qiáng)度均超過2.0MPa，經(jīng)過沸水煮及循環(huán)試驗(yàn)后的表面膠合強(qiáng)度均超過1.0MPa，前后數(shù)值高于國家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)貼面板膠合強(qiáng)度0.4MPa的要求。因此根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)情況，固化劑/主劑比例范圍定為12/100，操作過程中允許與具體參數(shù)值有偏差，但不得低于9/100，不可超過15/100。

2.2 粘壓工藝對(duì)強(qiáng)度的影響

對(duì)比常溫冷壓和高溫?zé)釅汗に囂幚砗蟮臉蛹?～3常溫冷壓，4高溫?zé)釅海?，表面膠合強(qiáng)度值差別不大，冷壓的數(shù)值略高。但在熱壓過程中，發(fā)生了鼓包現(xiàn)象，在延長(zhǎng)開口陳放時(shí)間后仍未能避免。其原因?yàn)锳PI膠在固化過程中會(huì)釋放出H2O和CO2，而所用貼面材料不透氣，在熱壓時(shí)快速釋放出的氣體無法及時(shí)排出，因而出現(xiàn)中間起鼓包的現(xiàn)象。而冷壓固化時(shí)固化反應(yīng)慢，H2O被木質(zhì)基材吸收，CO2緩慢排出，從而不出現(xiàn)鼓包。因此將API膠粘劑用于貼面膠合板粘壓時(shí)宜選用冷壓工藝。

2.3 API防潮性能評(píng)價(jià)

按照GВ/T 17657-2013中4.13規(guī)定防潮性能測(cè)定分2種情況，分別為沸水煮試驗(yàn)與循環(huán)試驗(yàn)。1～4號(hào)試驗(yàn)樣件分別測(cè)試了干樣件、沸水煮后的樣件、循環(huán)試驗(yàn)后的樣件的表面膠合強(qiáng)度，強(qiáng)度值均大于0.4MPa，滿足貼面后的強(qiáng)度要求[9]。且測(cè)試時(shí)樣件破壞均為膠合板層撕裂，經(jīng)API粘接的貼面板和膠合板層間完好無開裂，如圖1所示。該強(qiáng)度數(shù)值變化反應(yīng)的是膠合板層在試驗(yàn)前后的變化，貼面膠合層層間的強(qiáng)度大于膠合板基材的強(qiáng)度。

圖1 表面膠合強(qiáng)度測(cè)試樣件

5～6號(hào)試驗(yàn)樣件分別進(jìn)行了干樣件、沸水煮后的樣件、循環(huán)試驗(yàn)后的樣件的拉伸強(qiáng)度測(cè)試，且破壞均為貼面板斷裂，如圖2所示。拉伸強(qiáng)度數(shù)值的變化反應(yīng)的是貼面板本身在試驗(yàn)前后的抗拉強(qiáng)度變化，貼面膠合層間的強(qiáng)度大于貼面板基材的強(qiáng)度。

圖2 拉伸強(qiáng)度測(cè)試樣件

綜上所述，使用API膠粘劑進(jìn)行粘接的貼面膠合板產(chǎn)品，其膠合強(qiáng)度及拉伸強(qiáng)度均超過貼面層及膠合板基材自身的抗拉強(qiáng)度。且在沸水煮、循環(huán)試驗(yàn)后均未發(fā)生貼面板和膠合板的層間開裂現(xiàn)象，防潮性能優(yōu)良。

4.結(jié)語

本文主要研究了API雙組分膠在貼面板粘接中的應(yīng)用。通過試驗(yàn)驗(yàn)證確定了貼面膠合板的粘壓工藝參數(shù)，并對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行了一系列的理化性能檢測(cè)。通過表面膠合強(qiáng)度、浸漬剝離試驗(yàn)、防潮性能測(cè)試等評(píng)判，采用API雙組分膠粘接的貼面膠合板產(chǎn)品強(qiáng)度達(dá)標(biāo)，耐候性能穩(wěn)定。同時(shí)作為水性雙組分聚氨酯膠粘劑，其不釋放有毒有害物質(zhì)，解決了操作者的健康安全和環(huán)境保護(hù)問題，可以在鐵路客車內(nèi)裝飾材料貼面板的粘接中推廣應(yīng)用。