人工加速老化對(duì)動(dòng)車組車窗密封膠性能的影響*

徐 超，劉振華，吳紹利，杜衛(wèi)超，陳 夢(mèng)

（中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司金屬及化學(xué)研究所，北京100081）

動(dòng)車組司機(jī)室前擋風(fēng)玻璃、客室側(cè)窗玻璃與車體的密封多采用單組份聚氨酯密封膠。密封膠施工方式靈活、工藝簡(jiǎn)單，固化后形成彈性體，能夠降低車輛運(yùn)行時(shí)對(duì)車窗玻璃的沖擊和振動(dòng)、降低車內(nèi)噪聲[1]，同時(shí)保證列車的氣密性[2-3]。近年來(lái)，我國(guó)高速鐵路快速發(fā)展，動(dòng)車組運(yùn)營(yíng)的數(shù)量和地域都大幅增加。隨著動(dòng)車組服役時(shí)間增加，非金屬材料性能的變化亟待研究。車窗密封膠常年受到日光照射，耐紫外性能和耐濕熱老化性能十分關(guān)鍵。本文對(duì)密封膠進(jìn)行紫外老化、熱空氣老化以及高低溫交變?nèi)N人工加速老化，研究了老化前后密封膠性能的變化。

1 試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)材料

動(dòng)車組車窗用密封膠：Sikaflex-265，瑞士西卡公司生產(chǎn)。

1.2 主要儀器與設(shè)備

熱失重分析儀，型號(hào)209F1，德國(guó)NETZSCH公司；老化試驗(yàn)箱，401A，啟東市雙棱測(cè)試設(shè)備廠；紫外老化試驗(yàn)箱，型號(hào)QUV/SPRAY，美國(guó)Q-LAB公司；煙密度試驗(yàn)箱，型號(hào)FTT0064，英國(guó)FTT公司；高溫氧指數(shù)儀，型號(hào)FTT0081，英國(guó)FTT公司。

1.3 老化試驗(yàn)

紫外老化：將室溫固化的密封膠樣品置于紫外老化箱中，熒光紫外燈類型UVA-340，波長(zhǎng)340nm。循環(huán)試驗(yàn)條件為：8h干燥暴露段，輻照度0.89（W/m2·nm），黑板溫度計(jì)溫度60℃；4h冷凝暴露段，輻照度0.00，黑板溫度計(jì)溫度50℃。老化3333、6666、10000 h后取出裁樣。

熱空氣老化：將室溫固化的密封膠樣品置于熱空氣老化箱中，老化溫度為70℃，老化2000、4000、6000、8000、10000 h后取出裁樣。

高低溫交變：參考Q/CR 616-2017《鐵路客車及動(dòng)車組用地板》中高低溫交變?cè)囼?yàn)方法進(jìn)行循環(huán)老化。a) 23℃、50% RH條件下停留240min；b) 將溫度下降至-40℃（降溫時(shí)間為90min），在-40℃、無(wú)濕度條件下停留480min；c) 將溫度在30min內(nèi)上升到23℃，并保持150min（在前90min濕度上升到98% RH并保持；d) 溫度在30min內(nèi)由23℃上升至60℃，保持60℃和濕度98% RH，保持時(shí)間360min；e) 保持濕度98% RH不變，溫度在270min內(nèi)下降到23℃，保持溫度150min（濕度在前90min由98% RH下降到20%RH）。老化2000、4000、6000、8000、10000 h后取出裁樣。

1.4 測(cè)試表征

拉伸強(qiáng)度試驗(yàn)：按GB/T 528-2009《硫化橡膠或熱塑性橡膠拉伸應(yīng)力應(yīng)變性能的測(cè)定》進(jìn)行，采用1型試樣，試驗(yàn)速度500mm/min。

撕裂強(qiáng)度試驗(yàn)：按GB/T 529-2008《硫化橡膠或熱塑性橡膠撕裂強(qiáng)度的測(cè)定（褲形、直角形和新月形試樣）》進(jìn)行，采用直角形試樣，試驗(yàn)速度500mm/min。

熱失重試驗(yàn)：試樣質(zhì)量5～10 mg，氮?dú)鈿夥?，溫?0～850 ℃，升溫速率10℃/min。

差示掃描量熱分析：試樣質(zhì)量5～10mg，氮?dú)鈿夥?，溫?100～20 ℃，升溫速率10℃/min。

氧指數(shù)試驗(yàn)：按GB/T 2406.2-2009《塑料 用氧指數(shù)法測(cè)定燃燒行為 第2部分：室溫試驗(yàn)》進(jìn)行。

煙密度試驗(yàn)：按GB/T 8323.2-2008《塑料 煙生成 第2部分：?jiǎn)问曳y(cè)定煙密度試驗(yàn)方法》進(jìn)行，有引燃火焰條件下暴露于25 kW/m2的輻射照度。

毒性指數(shù)試驗(yàn)：按Q/CR 699-2019《鐵路客車非金屬材料阻燃技術(shù)條件》進(jìn)行。

2 結(jié)果與討論

2.1 力學(xué)性能

從圖1、圖2可以看出，密封膠經(jīng)熱空氣老化、高低溫交變老化、紫外老化后，拉伸強(qiáng)度和撕裂強(qiáng)度有所提高。在熱空氣老化4000h、高低溫交變老化2000h、紫外老化3333h時(shí)，拉伸強(qiáng)度達(dá)到了最大值；在熱空氣老化2000h、高低溫交變老化2000h、紫外老化3333h時(shí)，撕裂強(qiáng)度達(dá)到了最大值。室溫固化的密封膠在室溫下需要較長(zhǎng)時(shí)間才能夠達(dá)到完全固化的狀態(tài)，因此在老化試驗(yàn)開始時(shí)，密封膠處于未完全固化的狀態(tài)。密封膠的主要固化方式是濕氣固化[4]，當(dāng)對(duì)密封膠進(jìn)行老化時(shí)，受到熱和濕度的作用，密封膠會(huì)逐漸固化完全，力學(xué)性能有所提高。

圖1 密封膠老化前后拉伸強(qiáng)度Fig. 1 Tensile strength of unaged and aged sealant

圖2 密封膠老化前后撕裂強(qiáng)度Fig.2 Tear strength of unaged and aged sealant

從圖1和圖2中還可以看出，拉伸強(qiáng)度和撕裂強(qiáng)度在熱空氣老化6000h、高低溫交變老化4000h、紫外老化6666h出現(xiàn)了下降趨勢(shì)。這說(shuō)明隨著老化時(shí)間的延長(zhǎng)，密封膠的固化反應(yīng)完成，開始出現(xiàn)老化情況。

2.2 阻燃性能

由圖3可以看出，經(jīng)過(guò)熱空氣老化、高低溫交變老化和紫外老化，密封膠的氧指數(shù)有下降趨勢(shì)，但下降幅度不大，約為10%。前4min累積煙密度VOF4是與火災(zāi)逃生相關(guān)的重要參數(shù)，由圖4可以看出，密封膠的累積煙密度隨老化時(shí)間的延長(zhǎng)呈下降趨勢(shì)，但下降幅度不大，老化時(shí)間為10000h時(shí)下降比率約為23%～28%。由圖5可以看出，密封膠的毒性指數(shù)CIT值隨老化時(shí)間的延長(zhǎng)變化不大，且整體CIT值較低。說(shuō)明在老化時(shí)間10000 h內(nèi)，熱空氣老化、高低溫交變老化和紫外老化對(duì)密封膠的阻燃性能影響不大。

圖3 密封膠老化前后的氧指數(shù) Fig. 3 Oxygen index of unaged and aged sealant

圖4 密封膠老化前后的VOF4 Fig. 4 VOF4 of unaged and aged sealant

圖5 密封膠老化前后的毒性指數(shù)Fig. 5 CIT of unaged and aged sealant

2.3 熱力學(xué)性能

高分子材料在熱失重分析中失重5%時(shí)的溫度被視為材料的熱分解溫度，反應(yīng)了材料的熱穩(wěn)定性。由圖6可以看出，在經(jīng)過(guò)熱空氣老化、高低溫交變老化和紫外老化后，密封膠的熱分解溫度有所提高。這是由于密封膠在老化過(guò)程中不斷發(fā)生后固化反應(yīng)，分子鏈變長(zhǎng)、分子網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)張，使得熱穩(wěn)定性提高。隨著老化時(shí)間的延長(zhǎng)，熱分解溫度出現(xiàn)了下降趨勢(shì)，這是由于長(zhǎng)期的老化作用，使密封膠中的分子鏈發(fā)生斷裂和降解，熱穩(wěn)定性下降。該密封膠的固化原理為濕氣固化，高低溫交變老化和紫外老化中均有不同程度的濕度，因此進(jìn)行高低溫交變老化和紫外老化試驗(yàn)的密封膠比熱空氣老化的密封膠更早達(dá)到了熱分解溫度的最高點(diǎn)。

圖6 密封膠老化前后的熱分解溫度Fig. 6 Thermal decomposition temperature of unaged and aged sealant

圖7為密封膠老化前后的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度。由圖7可以看出，經(jīng)過(guò)熱空氣老化、高低溫交變老化和紫外老化后，密封膠的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度有所提高。這是由于未老化的密封膠沒(méi)有完全固化，材料中存在著大量小鏈段、基團(tuán)和低分子化合物。隨著老化時(shí)間的延長(zhǎng)，密封膠的后固化反應(yīng)不斷進(jìn)行，分子量變大，端鏈鏈段比例減少，分子網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)張，玻璃化溫度提高。由圖7還可以看出，玻璃化溫度在老化進(jìn)行到一定時(shí)間后，不再明顯提高，這說(shuō)明后固化反應(yīng)完成，分子量及端鏈鏈段比例不再明顯變化。

圖7 密封膠老化前后的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度Fig. 7 Glass transition temperature of unaged and aged sealant

3 結(jié)論

本文對(duì)動(dòng)車組車窗用密封膠進(jìn)行了熱空氣老化、高低溫交變老化和紫外老化三種人工加速老化試驗(yàn)，并對(duì)老化前后的性能進(jìn)行了測(cè)試，得到以下結(jié)論：

（1）密封膠在經(jīng)過(guò)熱空氣老化、高低溫交變老化和紫外老化三種人工加速老化后，力學(xué)性能、熱分解溫度以及玻璃化轉(zhuǎn)變溫度均有所提高，說(shuō)明三種人工加速老化對(duì)密封膠有后固化的作用，使密封膠發(fā)生了進(jìn)一步交聯(lián)反應(yīng)。

（2）隨著老化時(shí)間的延長(zhǎng)，密封膠的分子鏈斷裂、降解，逐漸出現(xiàn)了老化現(xiàn)象，主要表現(xiàn)為力學(xué)性能在熱空氣老化6000h、高低溫交變老化4000h、紫外老化6666h出現(xiàn)了下降趨勢(shì)，且熱分解溫度在老化反應(yīng)后期出現(xiàn)降低趨勢(shì)。

（3）在10000h的老化時(shí)間內(nèi)，熱空氣老化、高低溫交變老化和紫外老化對(duì)密封膠的氧指數(shù)、前4min累積煙密度及毒性指數(shù)等阻燃性能影響不大。

（4）由于密封膠濕氣固化方式，高低溫交變老化和紫外老化的密封膠比熱空氣老化的密封膠更早達(dá)到力學(xué)性能和熱分解溫度的最大值。