城軌車輛單組分聚氨酯失效性和相容性研究

徐鳳林　李清泉　蔡洋濤　方驊　陳鋆　李青青　張玲玉　吳夢杰　田玉龍　張敬芬　張彧賢

摘要：采用試驗控制變量法對單組份聚氨酯失效性和相容性進(jìn)行研究，針對基材表面進(jìn)行不同的前處理，根據(jù)試驗結(jié)果表明，單組分聚氨酯失效性因素為不涂底涂、不打磨、不清潔，在老化試驗后都出現(xiàn)粘附破壞，導(dǎo)致粘接強(qiáng)度降低;基材表面氧化層、污染、油膜、脫模劑、膠衣等若不去除干凈對粘接性能影響很大;若金屬表面陽極氧化未及時防護(hù)，出現(xiàn)表面污染、氧化等也將降低粘接強(qiáng)度。單組分聚氨酯相容性特性研究結(jié)果表明：單組分濕氣固化聚氨酯在不涂底涂前提下相容性良好，但粘接強(qiáng)度等級不同的單組分聚氨酯相容性較差。

關(guān)鍵詞：單組分聚氨酯;膠條剝離;相容性;失效性

中圖分類號：TQ430.771 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B 文章編號：1001-5922（2022）07-0048-05

Study on bonding failure and compatibility of one component

polyurethane for urban rail vehicles

XU Fenglin LI Qingquan CAI Yangtao FANG Hua CHEN Jun LI Qingqing

ZHANG Lingyu WU Mengjie TIAN Yulong ZHANG Jingfen ZHANG Yuxian

（1.CRRC Hangzhou Co.， Ltd.， Hangzhou 311223， China; 2. Yifa New Materials Institute， Changzhou， 213025， Jiangsu China）

Abstract：The invalidity and compatibility of one component polyurethane were studied by using the method of test control variables. Different pretreatment was carried out for the surface of the substrate. According to the test results， the invalidity factors of one component polyurethane were no primer， no grinding， and no cleaning. After the aging test， adhesion failure occurred， resulting in the reduction of bonding strength; if the oxide layer， pollution， oil film， release agent， gel coat， etc. on the surface of the substrate are not removed， the bonding performance will be greatly affected; if the anodic oxidation of the metal surface is not protected in time， surface pollution， oxidation， etc. will also reduce the bonding strength. The results of the study on the compatibility characteristics of one component polyurethane show that the one component moisture cured polyurethane has good compatibility without primer， but the one component polyurethane with different bonding strength grades has poor compatibility.

Key words： one component polyurethane;? strip stripping; compatibility;? invalidity

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，2020年中國膠粘劑和膠粘帶工業(yè)協(xié)會表示，“十四五”期間我國膠粘劑的發(fā)展目標(biāo)是產(chǎn)量年均增長率為4.2%，銷售額年均增長率為4.3%。力爭到2025年末，改變國產(chǎn)產(chǎn)品高端不足、低端過剩的局面，使行業(yè)高附加值產(chǎn)品產(chǎn)值的比例達(dá)到40%以上。預(yù)計2025年膠粘劑產(chǎn)量達(dá)到855萬t。單組分聚氨酯的需求量亦與日俱增[1]。單組分聚氨酯特指端基為—NCO的聚氨酯樹脂，即使用時不需要添加固化劑，直接將樹脂涂覆在需要的位置，利用空氣濕氣反應(yīng)而固化[2]。

當(dāng)前大量的運行車輛面臨著4級修、5級修時的工藝確認(rèn)難題，但缺乏經(jīng)驗和數(shù)據(jù)，這為現(xiàn)場工藝提供參考。為不斷完善粘接密封的操作規(guī)范和提升產(chǎn)品質(zhì)量，以及提高作業(yè)人員知識水平和技能水平，同時為儲備粘接密封知識做好準(zhǔn)備工作，也更好地為后續(xù)車輛運營、新造過程中出現(xiàn)異常提供更有力的參考依據(jù)，本文對單組分聚氨酯失效性和相容性進(jìn)行了研究[3]。

1試驗材料制備與測試

為獲得單組分聚氨酯具體失效性因素和與不同膠粘劑相容性情況，設(shè)置相應(yīng)的對照組，并嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行樣板制作，隨后進(jìn)行膠條剝離試驗，并對試驗結(jié)果進(jìn)行分析[4]。

1.1主要原料及儀器

Sika265（單組分聚氨酯，PU1），西卡（中國）有限公司;回天8955（單組分聚氨酯，PU2），湖北南北車新材料有限公司;Corapur卡瑞得135R（單組分聚氨酯，PU3），上海蒂姆新材料科技有限公司;回天8902（聚氨酯膠活化劑，簡稱活化），湖北南北車新材料有限公司;回天8906（聚氨酯膠底涂劑，簡稱底涂），湖北南北車新材料有限公司;sika Activate（溶劑型粘接促進(jìn)劑，簡稱活化），西卡（中國）有限公司;sika 206 G+P（黑色溶劑型粘接促進(jìn)劑，簡稱底涂），西卡（中國）有限公司;Corapur卡瑞得P-85（高活性溶劑底膠，簡稱底涂），上海蒂姆新材料科技有限公司;Corapur卡瑞得C-95（混合溶劑型清潔劑），上海蒂姆新材料科技有限公司;異丙醇（二甲基甲醇，清潔劑），無錫市展望化工試劑有限公司。

氣動膠槍（型號：MA-310V）;溫濕度計（型號：G101）;電熱鼓風(fēng)干燥箱（型號：DHG-9246A）;游標(biāo)卡尺（型號：SF2000）;高低溫（濕熱）試驗箱（型號：STH-040L）。

1.2材料的制備

1.2.1膠條剝離試驗樣件制樣方法[5]

檢查粘接場地環(huán)境溫、濕度（溫度：15～35 ℃;相對濕度：30%～70%），滿足要求方可繼續(xù)進(jìn)行樣板制作。分別選取210 mm×297 mm的鋁合金、玻璃鋼樣件，在其表面進(jìn)行清潔、打磨、清潔、活化、底涂等的處理，每個步驟均需干燥15 min以上，方可進(jìn)行下一步操作;使用膠槍（膠嘴為三角形開口，底孔徑約15 mm）在樣板上并列打5個膠條，膠條成三角形，底部寬10 mm，高約10 mm，長約200 mm，具體如圖1所示。 按序?qū)γ總€樣板進(jìn)行編號，并使用記號筆寫在樣板背部。（注：打膠時膠槍嘴緊貼基材移動，打膠完成后使用刮板在膠條上部刮壓1次，使膠條最終成扁平狀，高約5 mm。）

1.2.2不同膠類相容性試驗

根據(jù)上述1.2.1制樣方法，將單組分濕氣固化sika265涂布在鋁合金表面，以膠粘劑作為基材，在基材表面上使用回天8902活化后涂布回天8955膠為1#樣件，2#樣件是在1#的涂布回天8902活化的基礎(chǔ)上再涂回天8906底涂后進(jìn)行施膠;同理，將回天8902活化、回天8906底涂、回天8955換成卡瑞得配套的活化劑、底涂劑、膠粘劑，從而得出3#、4#的樣件，具體如表1所示[6]。

1.2.3基材前處理對比試驗

選取玻璃鋼、鋁合金兩種基材，在兩種基材表面做不同的表面處理后，使用sika265膠粘劑涂打在基材表面上。

1.3材料測試

樣件按照DIN 54457：2014（DVS 1618：2003）/ISO 21194：2019檢測標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行膠條剝離耐溫變的老化試驗，具體步驟如下：

（1）在溫度23 ℃，相對濕度50%，靜置7 d后，剝離樣件第1道膠;

（2）在溫度20 ℃水中浸泡7 d后，取出，又在溫度23 ℃、相對濕度50%條件下調(diào)節(jié)2 h，然后剝離樣件第2道膠;

（3）在溫度80 ℃，靜置1 d，然后立即剝離樣件第3道膠;

（4）在溫度23 ℃、相對濕度50%條件下，靜置2 h，然后剝離樣件第4道膠;

（5）在溫度70 ℃、相對溫度100%條件下，靜置7 d，然后在溫度23 ℃、相對濕度50%條件下調(diào)節(jié)2 h;必要時，增加-30 ℃，靜置1 d，然后剝離樣件第5道膠。（注：以上5個步驟為同一塊樣件試驗順序）

2結(jié)果與分析

2.1相容性試驗?zāi)z條剝離結(jié)果

通過對相容性試驗方案下4組粘接試樣的制作和剝離試驗結(jié)果如圖2所示;試驗數(shù)據(jù)如表3所示。本實驗中，不同品牌單組分聚氨酯膠粘劑之間的相容性與粘附破壞（AF）占比有直接關(guān)系，因此將其作為考察指標(biāo)。即AF占比越低，不同膠粘劑相容性越好。

以膠粘劑（sika265+活化+底涂206）作為基材表面：①1#與2#對比，刷底涂的試樣從第3階段開始，基材表面（膠層）粘附破壞占比持續(xù)增大，相容性不佳;未刷底涂的試樣結(jié)果基本為基材破壞，相容性較好。說明同為單組分濕氣固化聚氨酯，不同品牌在不涂底涂情況下，相容性更好。②3#與4#對比，同為單組分濕氣固化聚氨酯，sika265為用于A1強(qiáng)度等級粘接膠，卡瑞得為135R用于A2/3強(qiáng)度等級密封膠（相比于A1要求，A2/3剪切、拉伸強(qiáng)度分別在1.5、2 MPa以上;而A1剪切、拉伸強(qiáng)度則分別在4、6 MPa以上[16]），試樣剝離結(jié)果均為粘附破壞，說明強(qiáng)度等級不同的單組分聚氨酯相容性較差。

2.2基材前處理對比試驗結(jié)果

與相容性指標(biāo)一致，驗證2種不同基材表面進(jìn)行不同的前處理后單組分聚氨酯sika265的粘接性能。當(dāng)AF占比越低，粘接性能越好。

2.2.1基材——玻璃鋼的試驗結(jié)果

通過前處理對比試驗，得出基材為玻璃鋼時的測試結(jié)果，具體如表4、圖3所示。

2.2.2基材——鋁合金的試驗結(jié)果

基材為鋁合金時的測試結(jié)果如表5所示。

2.3試驗結(jié)果分析

2.3.1基材——玻璃鋼

采用控制變量法對玻璃鋼表面進(jìn)行不同的前處理，根據(jù)表4、圖3可看出，玻璃鋼不飽和樹脂HR-9588與不飽和樹脂RX-504對比，基材表面比較光滑且無粉塵、污漬、脫模劑、膠衣等，粘接效果更好;另一方面，對比同樣玻璃鋼前處理，步驟越少粘接性能越差，同時也可以發(fā)現(xiàn)底涂對粘接影響的重要性。

2.3.2基材——鋁合金

采用控制變量法對鋁合金表面進(jìn)行不同的前處理，根據(jù)表5可知，對比不同表面處理方式可看出不涂底涂、不打磨、不清潔進(jìn)行老化試驗都出現(xiàn)粘附破壞，粘接強(qiáng)度大大降低現(xiàn)象。說明鋁合金基材表面氧化層、污染、油膜若不去除干凈對粘接性能影響很大;若金屬表面陽極氧化未及時防護(hù)，出現(xiàn)表面污染、氧化等也會大大降低粘接強(qiáng)度。

3結(jié)語

本研究對生產(chǎn)過程常用的膠粘劑[17]之間是否具有相容性進(jìn)行了研究，同時也對粘接密封過程中前處理每個步驟的影響程度進(jìn)行了研究。

從膠粘劑相容性試驗結(jié)果可得出，同為單組分濕氣固化聚氨酯[18]，不同品牌在不涂底涂情況下，相容性更好;強(qiáng)度等級不同的單組分聚氨酯相容性較差。

由基材前處理對比試驗的數(shù)據(jù)可得出，基材表面前處理每個步驟做到清潔、打磨、清潔、活化、底涂，以及基材無污染，此時粘接性能最佳。

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