軌道車輛車窗粘接接頭氣候老化性能試驗研究

王勇 韓曉輝 沈鶴飛 趙民 張敬芬 張彧賢

摘 要：文章對軌道車輛車窗玻璃粘接用膠粘劑的老化行為進(jìn)行了研究，針對車窗粘接面臨的主要老化因素，以車窗玻璃密封膠條為研究對象，依據(jù)不同的測試標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了包括UV紫外老化前后的SEM掃描電鏡試驗、對膠層不同深度進(jìn)行紅外分析以及老化前后的膠條強(qiáng)度分析。綜合比較得出模擬氣候老化試驗的驗證方案。

關(guān)鍵詞：軌道車輛;車窗玻璃密封;模擬氣候老化;驗證方案

中圖分類號：U279 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ? 文章編號：1001-5922（2021）10-0003-04

Experimental Study on Weather Aging Performance of Bonded Joint of Railway Vehicle Window

Wang Yong1， Han Xiaohui1， Shen Hefei1， Zhao Min1， Zhang Jingfen2， Zhang Yuxian2

（1.CRRC Qingdao Sifang Co.， Ltd.， Qingdao 266111， China;

2.Yifa New Materials Institute， Changzhou 213000， China）

Abstract：The aging behavior of adhesives used in rail vehicle window glass bonding was studied. Aiming at the main aging factors facing the bonding of car windows， the window glass sealing strip is the research object， according to different test standards， the SEM scanning electron microscopy test before and after UV ultraviolet aging， the infrared analysis of the different depths of the adhesive layer， and the strength analysis of the adhesive strip before and after the aging are carried out. The verification scheme to simulate climate aging is obtained by comprehensive comparison.

Key words：Rail vehicle;window glass sealant;simulated weather aging;verification scheme

0 引言

在交通運(yùn)輸行業(yè)，尤其是軌道交通領(lǐng)域，中國軌道交通行業(yè)（高鐵，地鐵等）的市場空間約為55億元，膠粘劑總用量高達(dá)1000萬t左右[1]。新材料在軌道車輛制造中的大量使用，使粘接面臨的老化挑戰(zhàn)越來越高。本文以實際運(yùn)行5年后軌道車輛側(cè)窗粘接接頭作為研究對象，對車窗常用密封膠粘劑的耐老化性能進(jìn)行了研究。采用試驗分析方法對檢修車輛車窗粘接接頭的狀況進(jìn)行檢測，對常用的聚氨酯類和改性硅烷類膠粘劑的耐老化性能進(jìn)行了試驗驗證和原因分析，為今后車輛車窗玻璃粘接提供堅實的理論依據(jù)。

1 軌道車輛車窗粘接用膠粘劑的熱老化機(jī)理及影 響因素

我們常說的老化，是指隨著時間推移發(fā)生在材料中所有不可逆的化學(xué)和物理過程總和。在使用過程中，膠層和基材的分子結(jié)構(gòu)或晶體結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，導(dǎo)致接頭的粘接性能隨時間產(chǎn)生變化，在強(qiáng)度和變形行為、蠕變行為等方面產(chǎn)生較大的衰減，以及在光學(xué)性能方面發(fā)生諸如顏色改變、折光系數(shù)改變、粉化、開裂、裂紋等一系列的后果。

導(dǎo)致粘接接頭老化的因素有：機(jī)械載荷/應(yīng)力，包括內(nèi)應(yīng)力和外應(yīng)力，外應(yīng)力又包括接頭承受的靜態(tài)和動態(tài)載荷;化學(xué)介質(zhì)，如水汽、有機(jī)溶劑、鹽等;微生物和真菌以及膠層添加劑組分的遷移等。

最為常見的則是溫度變化、輻射等物理因素導(dǎo)致的老化，本文將就此展開深入的研究。

2 側(cè)窗粘接接頭的老化實驗分析與研究

按照“DIN6701-3軌道交通車輛及車輛部件的粘接-第3部分：軌道交通車輛粘接接頭的設(shè)計及驗證指導(dǎo)手冊”的標(biāo)準(zhǔn)要求、《DIN 54457—2007結(jié)構(gòu)膠粘劑.膠粘件的試驗-膠條剝離測試》、《HB 5398—1988金屬膠接結(jié)構(gòu)膠粘劑規(guī)范》和《DIN 50015—1975氣候及其技術(shù)應(yīng)用.恒定試驗氣候》，對粘接接頭進(jìn)行室溫及階段性老化后的測試[2]。

2.1 針對實際運(yùn)行車輛側(cè)窗粘接接頭的試驗分析[3]

包括：①車窗膠條的外露面及新制膠塊的表面形貌;②車窗膠條中的物質(zhì)成分分析，并與原始值進(jìn)行對比;③車窗膠條拉伸強(qiáng)度并與原始值對比。

2.2 車窗膠條的外露面及新制膠塊的表面形貌對比

用掃描電子顯微鏡（SEM）對檢修車窗上的膠條外表面和新制膠粘劑膠塊的外表面進(jìn)行放大拍照對比，可見，在經(jīng)過隨車運(yùn)行后，車窗密封膠條的表面發(fā)生非常明顯的龜裂現(xiàn)象，如圖1所示。

紫外光可以引起膠粘劑的降解，稱之為光降解。為了研究紫外光對膠粘劑的影響，采用與車窗粘接用的同種牌號某改性硅烷膠粘劑MS1進(jìn)行膠塊制備，在膠塊完全固化后進(jìn)行為期2000h的紫外光老化（如圖2所示），結(jié)束后使用SEM進(jìn)行拍照分析，圖2為紫外老化后SEM的500倍膠塊表面形貌。對比圖1和圖2，可以看出和隨車真實運(yùn)行的膠塊在自然老化后的膠條表面形貌有較大差別。由此可以證明，僅以紫外老化做驗證，不足以模擬真實運(yùn)行工況。

2.3 車窗膠條成分紅外分析

為研究觀察外界老化環(huán)境對不同深度膠層的影響程度，將運(yùn)行車輛的車窗密封膠條切割下來，對不同深度的膠層通過傅里葉變換-紅外光譜（ATR法）進(jìn)行成分分析[4]如圖3所示，膠條在3mm（綠線）和5mm（紅線）處的主要官能團(tuán)基本無變化，二者保持一致。表面分析可發(fā)現(xiàn)在1604cm-1 可能為氮?dú)滏I的紅外吸收峰，說明在經(jīng)過老化后膠條表面的含氮?dú)滏I官能團(tuán)的化合物有較明顯的增多[5]。綜合以上結(jié)果說明：外界環(huán)境帶來的成分改變，影響最大的部位依然為膠條的外露面，內(nèi)部3mm處無明顯變化即未發(fā)生老化。因此只取表面至3mm深的膠條作為研究對象。

2.4 車窗膠條本體拉伸強(qiáng)度測試[6]

將隨車運(yùn)行后切割下的深度小于3mm處車窗膠條盡量裁成形狀規(guī)整、厚度均勻的膠條（如圖4所示），再使用電子萬能試驗拉力機(jī)測試其本體的拉伸強(qiáng)度[7]。測得檢修車窗膠條的本體拉伸強(qiáng)度結(jié)果，如表1、圖5所示。

為了做模擬氣候老化的膠條做對比，將與車窗粘接用的同種牌號某改性硅烷膠粘劑MS1制備本體拉伸樣件，每組5個樣件進(jìn)行不同類型的老化[8]（熱空氣+UV、濕熱+UV、高低溫交變+UV），測試結(jié)果見表2。

如表2所示：①熱空氣老化的影響：拉伸強(qiáng)度會出現(xiàn)持續(xù)的下降，最終保持在一個某一強(qiáng)度;②濕熱老化的影響：拉伸強(qiáng)度會出現(xiàn)持續(xù)的下降，最終保持在一個某一強(qiáng)度;③高低溫潮濕交變老化的影響：強(qiáng)度變化沒有明顯的規(guī)律。

在經(jīng)過老化后本體拉伸強(qiáng)度均有比較明顯的下降。再抽取每種條件的最低值進(jìn)行組合，即504h熱空氣+750h濕熱老化+360h高低溫潮濕交變老化+UV，在此組合模擬氣候老化條件下[9]，對5組樣件做本體拉伸強(qiáng)度測試。表2測試結(jié)果表明：模擬氣候老化后的本體拉伸強(qiáng)度值比實車運(yùn)行的密封膠條略低但接近。

再用SEM對表面形貌進(jìn)行對比。圖6和圖7顯示，504h熱空氣+750h濕熱老化+360h高低溫潮濕交變老化+UV的組合模擬氣候老化條件下，膠條的開裂程度略大于實際運(yùn)行車輛的膠條，因此可以以此方案進(jìn)行模擬氣候老化。

3 總結(jié)

通過對實際運(yùn)行車輛車窗密封膠條不同深度的膠條進(jìn)行紅外成分分析，得出表面至3mm深度為主要的氣候老化影響區(qū)域。在此區(qū)域?qū)嶋H膠條和制備樣件進(jìn)行了模擬氣候老化分析，對此類模擬運(yùn)行5年后粘接接頭，應(yīng)采取504h熱空氣+750h濕熱老化+360h高低溫潮濕交變老化+UV的驗證方案。

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