城轨车辆单组分聚氨酯失效性和相容性研究

徐凤林，李清泉，蔡洋涛，方 骅，陈 鋆，李青青，张玲玉，吴梦杰，田玉龙，张敬芬 ，张彧贤

(1.杭州中车车辆有限公司，浙江 杭州 311223； 2.逸发新材料研究院, 江苏 常州 213025)

随着经济的发展，2020年中国胶粘剂和胶粘带工业协会表示，“十四五”期间我国胶粘剂的发展目标是产量年均增长率为4.2%，销售额年均增长率为4.3%。力争到2025年末，改变国产产品高端不足、低端过剩的局面，使行业高附加值产品产值的比例达到40%以上。预计2025年胶粘剂产量达到855万t。单组分聚氨酯的需求量亦与日俱增。单组分聚氨酯特指端基为—NCO的聚氨酯树脂，即使用时不需要添加固化剂，直接将树脂涂覆在需要的位置，利用空气湿气反应而固化。

当前大量的运行车辆面临着4级修、5级修时的工艺确认难题，但缺乏经验和数据，这为现场工艺提供参考。为不断完善粘接密封的操作规范和提升产品质量，以及提高作业人员知识水平和技能水平，同时为储备粘接密封知识做好准备工作，也更好地为后续车辆运营、新造过程中出现异常提供更有力的参考依据，本文对单组分聚氨酯失效性和相容性进行了研究。

1 试验材料制备与测试

为获得单组分聚氨酯具体失效性因素和与不同胶粘剂相容性情况，设置相应的对照组，并严格按照标准要求进行样板制作，随后进行胶条剥离试验，并对试验结果进行分析。

1.1 主要原料及仪器

Sika265(单组分聚氨酯,PU1)，西卡(中国)有限公司；回天8955(单组分聚氨酯,PU2)，湖北南北车新材料有限公司；Corapur卡瑞得135R(单组分聚氨酯,PU3)，上海蒂姆新材料科技有限公司；回天8902(聚氨酯胶活化剂，简称活化)，湖北南北车新材料有限公司；回天8906(聚氨酯胶底涂剂，简称底涂)，湖北南北车新材料有限公司；sika Activate(溶剂型粘接促进剂，简称活化)，西卡(中国)有限公司；sika 206 G+P(黑色溶剂型粘接促进剂，简称底涂)，西卡(中国)有限公司；Corapur卡瑞得P-85(高活性溶剂底胶，简称底涂)，上海蒂姆新材料科技有限公司；Corapur卡瑞得C-95(混合溶剂型清洁剂)，上海蒂姆新材料科技有限公司；异丙醇(二甲基甲醇，清洁剂)，无锡市展望化工试剂有限公司。

气动胶枪(型号：MA-310V)；温湿度计(型号：G101)；电热鼓风干燥箱(型号：DHG-9246A)；游标卡尺(型号：SF2000)；高低温(湿热)试验箱(型号：STH-040L)。

1.2 材料的制备

胶条剥离试验样件制样方法[]

检查粘接场地环境温、湿度(温度：15～35 ℃；相对湿度：30%～70%)，满足要求方可继续进行样板制作。分别选取210 mm×297 mm的铝合金、玻璃钢样件，在其表面进行清洁、打磨、清洁、活化、底涂等的处理，每个步骤均需干燥15 min以上，方可进行下一步操作；使用胶枪(胶嘴为三角形开口，底孔径约15 mm)在样板上并列打5个胶条，胶条成三角形，底部宽10 mm，高约10 mm，长约200 mm，具体如图1所示。 按序对每个样板进行编号，并使用记号笔写在样板背部。(注：打胶时胶枪嘴紧贴基材移动，打胶完成后使用刮板在胶条上部刮压1次，使胶条最终成扁平状，高约5 mm。)

图1 样板胶条示意图

不同胶类相容性试验

根据上述1.2.1制样方法，将单组分湿气固化sika265涂布在铝合金表面，以胶粘剂作为基材，在基材表面上使用回天8902活化后涂布回天8955胶为1#样件，2#样件是在1#的涂布回天8902活化的基础上再涂回天8906底涂后进行施胶；同理，将回天8902活化、回天8906底涂、回天8955换成卡瑞得配套的活化剂、底涂剂、胶粘剂，从而得出3#、4#的样件，具体如表1所示。

表1 不同胶类样件相容性试验方案[7]

基材前处理对比试验

选取玻璃钢、铝合金两种基材，在两种基材表面做不同的表面处理后，使用sika265胶粘剂涂打在基材表面上。

表2 基材前处理对比试验方案

1.3 材料测试

样件按照DIN 54457:2014(DVS 1618:2003)/ISO 21194:2019检测标准要求进行胶条剥离耐温变的老化试验，具体步骤如下：

(1)在温度23 ℃，相对湿度50%，静置7 d后，剥离样件第1道胶；

(2)在温度20 ℃水中浸泡7 d后，取出，又在温度23 ℃、相对湿度50%条件下调节2 h，然后剥离样件第2道胶；

(3)在温度80 ℃，静置1 d，然后立即剥离样件第3道胶；

(4)在温度23 ℃、相对湿度50%条件下，静置2 h，然后剥离样件第4道胶；

(5)在温度70 ℃、相对温度100%条件下，静置7 d，然后在温度23 ℃、相对湿度50%条件下调节2 h；必要时，增加-30 ℃，静置1 d，然后剥离样件第5道胶。(注：以上5个步骤为同一块样件试验顺序)

2 结果与分析

2.1 相容性试验胶条剥离结果

通过对相容性试验方案下4组粘接试样的制作和剥离试验结果如图2所示；试验数据如表3所示。本实验中，不同品牌单组分聚氨酯胶粘剂之间的相容性与粘附破坏(AF)占比有直接关系，因此将其作为考察指标。即AF占比越低，不同胶粘剂相容性越好。

1# Sika265+回天8902 活化+回天8906底涂+回天8955(黑)

表3 相容性试验结果

注：AF为粘附破坏；CF为内聚破坏；SF为基材破坏。下同。

以胶粘剂(sika265+活化+底涂206)作为基材表面：①1#与2#对比，刷底涂的试样从第3阶段开始，基材表面(胶层)粘附破坏占比持续增大，相容性不佳；未刷底涂的试样结果基本为基材破坏，相容性较好。说明同为单组分湿气固化聚氨酯，不同品牌在不涂底涂情况下，相容性更好。②3#与4#对比，同为单组分湿气固化聚氨酯，sika265为用于A1强度等级粘接胶，卡瑞得为135R用于A2/3强度等级密封胶(相比于A1要求，A2/3剪切、拉伸强度分别在1.5、2 MPa以上；而A1剪切、拉伸强度则分别在4、6 MPa以上)，试样剥离结果均为粘附破坏，说明强度等级不同的单组分聚氨酯相容性较差。

2.2 基材前处理对比试验结果

与相容性指标一致，验证2种不同基材表面进行不同的前处理后单组分聚氨酯sika265的粘接性能。当AF占比越低，粘接性能越好。

..基材——玻璃钢的试验结果

通过前处理对比试验，得出基材为玻璃钢时的测试结果，具体如表4、图3所示。

表4 玻璃钢基材上的试验结果

1# RX-504 玻璃钢胶条剥离试验(清洁+打磨+清洁+活化+底涂)

基材——铝合金的试验结果

基材为铝合金时的测试结果如表5所示。

表5 铝合金基材上的试验结果

2.3 试验结果分析

基材——玻璃钢

采用控制变量法对玻璃钢表面进行不同的前处理，根据表4、图3可看出，玻璃钢不饱和树脂HR-9588与不饱和树脂RX-504对比，基材表面比较光滑且无粉尘、污渍、脱模剂、胶衣等，粘接效果更好；另一方面，对比同样玻璃钢前处理,步骤越少粘接性能越差，同时也可以发现底涂对粘接影响的重要性。

基材——铝合金

采用控制变量法对铝合金表面进行不同的前处理，根据表5可知，对比不同表面处理方式可看出不涂底涂、不打磨、不清洁进行老化试验都出现粘附破坏，粘接强度大大降低现象。说明铝合金基材表面氧化层、污染、油膜若不去除干净对粘接性能影响很大；若金属表面阳极氧化未及时防护，出现表面污染、氧化等也会大大降低粘接强度。

3 结语

本研究对生产过程常用的胶粘剂之间是否具有相容性进行了研究，同时也对粘接密封过程中前处理每个步骤的影响程度进行了研究。

从胶粘剂相容性试验结果可得出，同为单组分湿气固化聚氨酯，不同品牌在不涂底涂情况下，相容性更好；强度等级不同的单组分聚氨酯相容性较差。

由基材前处理对比试验的数据可得出，基材表面前处理每个步骤做到清洁、打磨、清洁、活化、底涂，以及基材无污染，此时粘接性能最佳。