浅析轨道车辆常用胶粘剂粘接力的形成和老化因素

朱梅奇

摘要 ：本文介绍了了胶粘剂粘接力形成和老化失效的基本原理，以及在轨道车辆选胶时对老化因素考虑的重要性。

关键词 ：轨道车辆 胶粘剂 粘接力 老化 湿热

1、前言

随着轨道车辆技术的发展，胶粘剂和胶接技术在轻轨车、地铁车和动车组等轨道车辆中获得了广泛的应用。越来越多的部位开始使用胶粘剂来代替传统连接方式，胶粘剂用于轨道客车工业具有粘接、密封、隔热、防漏、隔声、紧固、减重、减振、阻尼、导电、灌注等功能。胶粘剂的应用领域如此广泛，其老化性能是人们普遍关心的。如今，粘接结构在车辆结构设计比例逐步增加，胶粘剂老化对车辆结构寿命的影响也越来越大。因此，在车辆粘接结构设计时，设计师能了解胶粘剂的老化因素，尽量避免这些因素对粘接结构的影响，在车辆使用安全和寿命方面具有重要意义。

2、 胶粘剂粘接力的产生：

想要了解胶粘剂的老化，首先要了解胶粘剂粘接力产生的原因。胶粘剂与被粘物表面之间通过界面相互吸引和连接作用的力称粘接力。粘接力的来源是多种力的加和作用。

2.1 化学键力

化学键力又称主价键力，存在于原子（或离子）之间。化学键包括离子键、共价键及金属键三种不同形式。离子键力是带正电荷的正离子和带负电荷的负离子之间的相互作用力。共价键力即两个原子之间通过公用电子对连接的作用力。绝大多数有机化合物的分子都通过共价键组成。金属键力是金属正离子之间由于电子的自由运动而产生的连接力。

2.2 分子间的作用力

分子间的作用力又称次价键力。分子间作用力包括取向力、诱导力、色散力（以上诸力合称范德华力）和氢键力。取向力即极性分子永久偶极距之间产生的引力。诱导力是指分子固有偶极距和诱导偶极距之间的静电力。色散力是分子色散作用产生的引力，所谓色散作用，是指分子内电子对原子核瞬间不对称状态。这些力的共同特点是随分子距离增大而急剧下降。氢键作用产生的力称为氢键力。

分子作用力是粘接力的主要来源，它广泛存在于所有粘接体系中。因此对轨道车辆进行粘接施工操作时，清洁粘接基材表面油脂、灰尘等杂物是非常重要的，需要加以适当管控。尤其是在车辆段施工时，车辆经过长时间的运营，表面油渍灰尘较难清理，需要对清洁工作的质量要求更为严格。

2.3 界面静电力

当金属与非金属材料（例如高分子胶粘剂）密切接触时，由于金属电子的亲和力低，容易失去电子；而非金属对电子的亲和力高，容易得到电子，故电子可以从金属转移向非金属，使界面两侧产生接触电势，并形成双电层产生静电吸引。金属材料的表面能相对较高，胶粘剂在金属上粘接更容易产生良好的润湿，因此在轨道车辆设计时对金属的粘接相对效果更好。

2.4 机械作用力

从物理学的观点来看，机械作用并不是产生粘接力的因素，而是增加粘接效果的一种方法。粘接剂是充满被粘物表面的凸凹之处的，固化后在界面区产生了咬合力，这些类似于木箱边角的嵌接，钉子与木材的结合或者树根植入泥土的作用。机械连接力的本质是摩擦力。

因此在轨道车辆粘接结构设计时，对于那些较为光滑的基材表面（如高光面漆表面等）可以做适当的打磨处理，从而增加粘接力。.

3、 高分子胶粘剂的老化

轨道车辆在户外运营时，车辆上使用的各种胶粘剂也会暴露在各种老化介质中，由于受内外因素的综合作用，使性能逐渐变坏，以致最后粘接强度减小，失去了粘接作用，这就是所谓的老化现象。

有机胶粘剂材料老化的原因，主要有内因和外因两种。内因主要指：构成高分子材料的基本成分——有机胶粘剂本身的结构状态（包括化学结构和物理结构）和高分子材料体系内部各组分的性质、比例等。外因是指外界的环境因素：有物理因素、化学因素和生物因素等，其中太阳光、氧、热、湿度等是引起各种高分子胶粘剂材料老化的重要因素。

3.1 太阳光

轨道车辆尤其是高速动车组在运营时经常暴露在强烈的日光下，太阳光中的紫外线是胶粘剂老化的主要因素，虽然到达地面的紫外线量很少，但它的光能却很大，这个能量能够使许多胶粘剂高聚物发生光氧化反应。该反应一般是在有机胶粘剂层的表面进行，首先引发表面高聚物的老化，并随着老化时间的推移而逐步向内层发展。因此，在大气环境下，有机胶粘剂受光面积的大小和单位面积上所接受的光强度的大小，对有机胶粘剂的老化速度有很大影响。

一般来说，辐射到地面上的紫外线强度和太阳的高速以及海拔高度有关，太阳高速低或海拔高速高，紫外线强度增加。在我国高原环境下，由于太阳辐射能较强，有机胶粘剂的迅速老化破坏从而构成了高原环境对材料破坏的主要特点。

因此，在对轨道车辆选用胶粘剂时要重点考虑其耐紫外线性能，对于长时间暴露在太阳光下的部位（如列车的车窗和车顶等）要使用耐紫外线的结构粘接剂和密封粘接剂。

3.2 氧和臭氧

氧是一种活泼的气体，在接近地面的大气层中氧占空气容积的21%。胶粘剂的老化，实际上也是在热的参与下或者在光的引发下进行的氧化反应；或是两者皆有之的氧化反应过程，从而引起胶层的老化。

大气中的臭氧，主要是离地面20-30km的大气上层形成的，在那里由于氧吸收了太阳辐射的短波紫外线而分解成的原子态氧。臭氧浓度随地区、大气层高度、季节及气象条件（如雷雨的影响）不同而有一定的变化。由于臭氧的氧化性更强，因此对胶粘剂的老化更为严重。

在轨道车辆的受电弓附近时常有高压形成的空气击穿放电现象，类似于雷雨中形成臭氧的条件，因此对其附近使用的胶粘剂要考虑耐臭氧老化性，以免该部位出现过快的老化影响设备性能。

3.3 热和气温

太阳光的红外线为物质所吸收，都转变为热能，热是促进高分子材料老化的又一重要因素。热具有很高的活性，随着温度的升高会使分子的热运动加速，从而引起某些高聚物发生降解与交联。降解的結果，表现为材料的分子量降低以及强度、伸长率等下降；而交联的结果，则表现为材料的分子量增大以及材料刚性的提高等。

有机胶粘剂在大气暴晒老化过程中，因温度的交替变化，热胀冷缩往复不断地进行，引起有机胶粘剂内应力的变化，导致变形，破坏了它与基材的粘接力，从而造成粘接性能下降。

热老化反应通常随温度的升高而加速，一般来讲，温度升高10℃，反应速度就加快一倍。

3.4 水和相对湿度

在大气环境中，水对于高分子材料的作用表现为降水、潮湿、凝露等多种形式的作用。雨水，特别是凝露形成的水膜，能够渗入材料内部，使胶粘剂内部物质被水溶解或吸收，从而逐步改变材料的物料组成和比例，加速材料的老化。胶粘剂的失效往往是由于腐蚀介质（离子、水分子、氧气等）渗透到胶粘剂与基材之间的界面层，并累计一定浓度后引起界面破坏或基材自身的腐蚀，从而导致整个粘接结构老化失效。

因此，在轨道车辆粘接接头设计时，需要注意对活化剂和底涂剂的使用，优化胶粘剂与基材接触面的粘接性能。

4、结论

通过对粘接力的形成和粘接的老化失效我们可以发现，虽然粘接相对于铆接和焊接来讲比较方便操作，但对于选胶和施胶工艺来讲也有较为严格的要求，否则会出现短时间因老化使胶粘剂失效的危险。因此在轨道车辆生产中，要全面综合地考虑粘接接头的设计，做好设计前胶粘剂与被粘基材的人工加速老化样板的试验，以及粘接结构动静态受力模拟试验，从设计源头把关，保证粘接部位的质量，使轨道车辆具有更高的品质。

参考文献：

[1]王猛钟，黄应昌.胶粘剂应用手册[M].北京：化工工业出版社，2003.

[2]张向宇.胶黏剂分析与测试技术[M].北京：化学工业出版社，2004.

[3]顾继友.胶接理论与胶接基础[M].北京：科学出版社，2003.