胶黏剂在城市轨道交通行业中的应用

汤云哲

上海轨道交通设备发展有限公司 上海 200245

1 粘接理论

进入21世纪后,轨道交通凭借独特的优势而迅速发展,成为现代化城市在交通领域的一张名片。随着轨道交通的发展,轨道交通车型种类逐渐增多,新材料不断出现,零部件连接的条件和需求变得越来越复杂。城市轨道交通车辆中,零部件的主要连接方式有螺纹连接、焊接、粘接、铆接等[1]。与传统机械连接相比,粘接具有较大优势,并逐渐得到了广泛应用。粘接的受力较为均匀,不易产生应力集中,粘接处密封性能相比传统连接技术更好,且更耐腐蚀。粘接不受两种材料性质的限制,可以直接连接金属和非金属,并且在受到冲击时能够发挥出柔韧性和弹性,对冲击进行吸能[2]。

粘接指通过界面的粘附和内聚等作用,使两种或两种以上制件、材料连接在一起[3-4]。粘接是接触面之间多种力的综合体现,当粘接物表面存在大量凹坑、槽沟和多孔穴时,胶黏剂在表面流动时会流入这些孔隙,固化后会牢牢地嵌入粘接物的孔隙中,产生粘接时所需的重要机械作用力。当胶黏剂在粘接物表面流动时,基于布朗运动,胶黏剂分子的极性部分会向粘接物的极性部分接近。当距离足够近时,能够基于范德华力或氢键力吸附在一起。当胶黏剂和粘接物性质相近,且可以相容时,在湿润良好、接触紧密的情况下,胶黏剂和粘接物会相互穿透扩散,从而导致界面消失而产生牢固的接头。

在满足量子化学条件时,胶黏剂和粘接物之间会产生化学键。化学键的形成条件要求高,形成困难,但是一旦形成,就能够大大提高粘接强度。粘接强度指在外力作用下使胶黏剂与粘接物界面或邻近处发生破坏所需要的应力,一般分为剪切强度、拉伸强度、剥离强度、冲击强度等[4]。

2 影响粘接强度的因素

影响粘接强度的因素有很多,包括胶黏剂的选用、粘接物的表面特性、粘接时表面是否有污染物、粘接物的几何形状状态、温度等。应保证在粘接面上的应力分布均匀,尽可能使接头承受均匀拉力、压力和剪切力,避免产生剥离力和劈裂力。此外,应使粘接面积尽量大,以此提高接头的承载能力[5]。粘接物的表面处理会对粘接强度产生影响[6-7]。一般而言,表面粗糙度值增大,能够有效提高接头的粘接强度。因为增大表面粗糙度值能够有效增大粘接面面积。当然另一方面,过大的表面粗糙度值会使胶黏剂在粘接表面的浸入不充分,从而导致微观应力过于集中,进而降低接头的粘接强度。在有特别高的要求的情况下,可以预先使用底涂剂等进行表面处理。通过底涂剂的表面处理,可以增大粘接物的表面能。

对粘接表面应进行彻底清洁,不存在粉尘、划痕、污染物等影响粘接,粘接的加工环境也需要满足要求。如图1所示,由于粘接加工车间内同时进行粘接和车体喷漆前的抛光工序,导致车间内有大量粉尘颗粒,加之粘接表面在刷胶黏剂前未进行彻底清洁,导致保温材料在粘接后从车体上撕裂脱落。保温材料表面经过彻底清洁再重新进行粘接后,这一缺陷才得以弥补。

图1 保温材料脱落

3 胶黏剂的选用

可以从施工工艺性、功能要求和黏度等方面对胶黏剂进行选用。

3.1 施工工艺性

不同的胶黏剂,操作方式不同,包括喷涂、刷涂、刮涂、滚涂等,会对操作效率和涂胶质量产成不同的影响。开放时间的长短对胶黏剂有重要影响。开放时间长,操作时间长,则可操作性好。开放时间短,等待时间短,则粘接效率高。一般而言,在大表面积施布胶黏剂时,需要选用开放时间长的胶黏剂。当表面积较小时,则需要选用开放时间短,甚至能够瞬干的胶黏剂。

3.2 功能要求

选用胶黏剂时需要考虑环保要求和防火要求。轨道交通车辆都有总体防火要求,胶黏剂作为非金属材料,在大面积施布时,需要满足轨道交通车辆的防火要求,尤其是对车辆底架表面的防火密封胶而言,有更高的耐火性能要求。对于车体外表面使用的胶黏剂、密封胶等,需要满足抗老化、耐气候等要求。相较于涂料,胶黏剂更容易产生刺激性气味,因此人们对胶黏剂环保性的要求也更为严格。

3.3 黏度

胶黏剂的黏度低,使胶黏剂具有较好的流平性。在水平面上,流平性越好,胶黏剂更容易布施均匀,更易于流入粘接物的粗糙表面形貌中,进而更易于提高施布质量。然而,胶黏剂的黏度较低时,在非水平面反而会流向一边,进而降低施布质量。在这样的场合,使用黏度较高的胶黏剂更合适。另一方面,黏度过低,会减小胶黏剂的内聚力。

4 胶黏剂在轨道交通车辆上的应用

在城市轨道交通车辆中,应用粘接技术的场合主要有地板布粘接、铝蜂窝板粘接、地板橡胶件粘接、保温材料粘接。

4.1 地板布粘接

轨道交通车辆地板布材料一般为聚氯乙烯或橡胶,车体地板一般为铝板或不锈钢板。地板布的拼接方式为无缝拼接或有缝拼接,在使用时有耐磨、防滑、防火、防静电等要求。地板布和地板的粘接位置处于不断振动的车厢内,由于有乘客不断踩踏,因此粘接地板布的胶黏剂要具有一定的韧性。通常使用聚氨酯胶黏剂、氯丁胶黏剂、甲基丙烯酸酯胶黏剂等作为地板布粘接的胶黏剂[2,8]。

在粘接强度方面,假设车辆的运动加速度为1.3 m/s2,乘客的质量为100 kg,乘客鞋底与地面的接触面积为13 cm2,那么加减速时由于惯性而产生的惯性力为130 N,地板布与乘客鞋底的摩擦力为130 N,地板布与地板之间胶黏剂所受的剪切力也为130 N。假设地板布所受到的摩擦力完全不被分散,地板与地板布之间的剪切力也完全不被分散,地板布与地板的剪切面积等于乘客鞋底的面积,那么地板与地板布之间胶黏剂受到的剪切强度最高为1 MPa。常见的胶黏剂,其许用剪切强度都远高于1 MPa,如环氧胶黏剂的许用剪切强度为21 MPa,聚氨酯胶黏剂的许用剪切强度为8 MPa,氯丁胶黏剂的许用剪切强度为4 MPa～5 MPa,甲基丙烯酸酯胶黏剂的许用剪切强度为12 MPa～15 MPa。

地板布粘接时,还需要考虑胶黏剂的环保性能。以上几种胶黏剂中,氯丁胶黏剂和甲基丙烯酸酯胶黏剂虽然能够满足环保要求,但是由于成本较高,不得不被淘汰。丙烯酸胶黏剂由于开放时间短,不适用于大表面积的粘接。当前,各主机厂主要选用聚氨酯胶黏剂和环氧胶黏剂来粘接地板布。从结构上而言,轨道交通A型车和B型车在车体与铝蜂窝地板间有地板橡胶件等,基材容易产生变形,因此倾向于使用有一定弹性和韧度的聚氨酯胶黏剂;C型车地板布直接粘接于车体上,倾向于使用环氧胶黏剂。粘接轨道交通A型车地板布时刷涂R900聚氨酯胶黏剂现场如图2所示。

图2 粘接A型车地板布刷涂胶黏剂现场

4.2 铝蜂窝板粘接

铝蜂窝板粘接与地板布粘接原理类似。铝蜂窝板的基材为铝板,被粘接物为铝蜂窝,两者都是极性材料,因此可选用聚氨酯胶黏剂、环氧胶黏剂、丙烯酸胶黏剂等。由于丙烯酸胶黏剂开放时间较短,无法应用于大面积粘接场合,因此可以排除。铝蜂窝板粘接后需要保持较高的粘接强度,对此,通常选用固化后强度和硬度均较高的环氧胶黏剂。

4.3 地板橡胶件粘接

地板橡胶件进行粘接时涉及的影响因素较多。10 mm以上厚度的橡胶块通常会产生较大的变形,并且橡胶块面积小,需要选用强度高、开放时间短的胶黏剂,具体可选用甲基丙烯酸胶黏剂。橡胶块与其它较薄的橡胶垫粘接时,实际是橡胶与橡胶的粘接,因此需选用韧性好的胶黏剂。氯丁胶黏剂对橡胶材料具有相溶性,粘接时能相互扩散,因此橡胶粘接通常使用氯丁胶黏剂。地板垫梁在调平时需要不断增加或减少橡胶垫,粘接完成后需要尽快粘牢,因此需要选用高强度瞬干胶黏剂,将调平用的橡胶垫快速粘接在垫梁上。由于车体地板不平整,垫梁粘接在车体地板上时需要强度高且能够保持一定厚度的胶黏剂,具体可以选用改性硅烷胶黏剂。轨道交通A型车地板橡胶件粘接现场如图3所示[9]。

图3 A型车地板橡胶件粘接现场

4.4 保温材料粘接

粘接保温材料时,除了使用专用的品牌胶黏剂外,一般均使用氯丁胶黏剂。氯丁胶黏剂的用途广泛,初黏度高,可以在竖直面和下平面粘接后保持固定、不脱落。

5 结束语

胶黏剂的粘接性能与选型、粘接表面状态等都有关系,因此,在城市轨道交通行业中选用胶黏剂,需要设计人员与相关工艺人员一同参与。除采用平台设计或以往项目曾经采用过的胶黏剂及粘接材料外,对于新选用的胶黏剂,理论上都应进行附着力测试,尤其是在需要高强度粘接的场合,必须进行粘接强度测试,以验证实际使用情况下胶黏剂的粘接性能是否能够达到设计要求。需要注意的是,相比其它连接方式,粘接对新材料的适应能力较差[10]。

虽然胶黏剂基本都能满足环保标准,但是普遍会散发刺激性气味。为了使轨道交通车辆能够满足环保验收标准,车体制造完工后需要停放一段时间,才能进行验收。由此可见,环保问题是胶黏剂未来需要解决的重点问题。

要实现粘接技术在轨道交通车辆上的应用,需要将胶黏剂选型、粘接表面处理、接头形状设计等形成完整的规范文件或设计指南。在设计过程中,需要记录粘接的施工工艺及粘接过程中出现的问题,并在后续设计前研究解决,最终使设计人员在设计时能够规范、合理地应用粘接技术[11]。

在国家大力发展先进制造业的背景下,随着粘接技术和胶黏剂的创新与发展,胶粘剂在城市轨道交通行业中的应用将越来越广泛。