Booster體系對(duì)于單組分SMP膠粘劑加速 固化的影響及其在高速動(dòng)車側(cè)窗的應(yīng)用

梁寶宏 公慧

摘 要：介紹單組分濕氣固化型硅烷改性聚氨酯（SMP）膠粘劑的結(jié)構(gòu)特征和固化機(jī)理、單組分應(yīng)用體系的局限性，以及 Booster 體系對(duì)其加速固化的影響，并介紹其在軌道交通行業(yè)高速動(dòng)車側(cè)窗粘接和密封施工的應(yīng)用和性能測(cè)試等，對(duì)高速動(dòng)車生產(chǎn)行業(yè)中優(yōu)化粘接固化節(jié)拍、提高生產(chǎn)效率等具有參考意義。

關(guān)鍵詞：軌道交通;高速動(dòng)車;Booster體系;聚氨酯膠粘劑;濕氣固化型

中圖分類號(hào)：U270.6+5

0 引言

單組分濕氣固化型SMP膠粘劑（以下簡(jiǎn)稱“單組分SMP膠粘劑”）是目前高速動(dòng)車組車輛部件制造過程中很常見的粘接和密封工藝用膠，原因在于其使用簡(jiǎn)便、固化后應(yīng)力分布均勻且強(qiáng)度和彈性特質(zhì)明顯、抗紫外線能力優(yōu)于常規(guī)聚氨酯類膠粘劑等;但同時(shí)由于其通常依靠空氣中的水汽反應(yīng)由外向內(nèi)緩慢固化，固化速度很慢，且受膠層厚度、固化尺寸的制約，使得其在高速動(dòng)車組車輛部件制造應(yīng)用過程中易受到施工環(huán)境條件等因素的影響，從而導(dǎo)致生產(chǎn)節(jié)拍錯(cuò)亂，嚴(yán)重影響后續(xù)的生產(chǎn)計(jì)劃和整體的生產(chǎn)效率等，而使用Booster體系能夠有效地解決單組分SMP膠粘劑對(duì)施工環(huán)境條件和固化尺寸的依賴，加速固化。本文主要介紹Booster體系對(duì)于單組分SMP膠粘劑加速固化的影響及其在高速動(dòng)車側(cè)窗粘接和密封中的應(yīng)用。

1 單組分 SMP 膠粘劑的結(jié)構(gòu)特征

濕氣固化型SMP膠粘劑的樹脂含有硬段和軟段結(jié)構(gòu)，使用交聯(lián)劑阻聚，可通過調(diào)整硬段與軟段的長(zhǎng)度和結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)機(jī)械性能的改善。其固化劑一般來源于空氣中的水汽，在水汽的作用下通過縮聚反應(yīng)進(jìn)行固化，固化后形成彈性體。

SMP的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

SMP的固化機(jī)理如圖2所示。

在軌道交通車輛及軌道車輛配件制造過程中，現(xiàn)場(chǎng)選擇膠槍（針對(duì)小包裝）或膠泵（針對(duì)大桶包裝）進(jìn)行打膠施工，而單組分SMP膠粘劑靠與空氣中的濕氣反應(yīng)固化，因此，其固化過程對(duì)環(huán)境條件有一定的相對(duì)濕度要求（相對(duì)濕度建議高于40% RH）。單組分SMP膠粘劑的固化具有各向異性，從外向內(nèi)，即最外層先接觸濕氣的部分先固化，然后慢慢向內(nèi)逐漸遞減固化，因此，對(duì)其批量施工效率有一定的局限性。此膠粘劑的固化速度一般比單組分聚氨酯類膠粘劑的速度更慢。

單組分SMP膠粘劑的固化反應(yīng)在其施工后剛接觸周圍空氣時(shí)就開始發(fā)生，在其工藝施工/使用過程中需要注意一個(gè)很重要的參數(shù)，即“結(jié)皮時(shí)間”（膠粘劑的操作時(shí)間）。結(jié)皮時(shí)間受具體的膠粘劑種類、使用溫度和環(huán)境相對(duì)濕度等因素的影響，在一定范圍內(nèi)（通常溫度為15～30℃、相對(duì)濕度為30%～80% RH），溫度和環(huán)境相對(duì)濕度越高，通常結(jié)皮時(shí)間越短。而與粘接施工相關(guān)的施膠、連接、固定和必要的平滑工藝都必須在“結(jié)皮時(shí)間”內(nèi)完成，即在膠粘劑的工作時(shí)間內(nèi)完成，以保證膠粘劑與基材間有足夠的粘附效果和良好的粘接性能。

2 單組分SMP膠粘劑在高速動(dòng)車側(cè)窗的應(yīng)用工藝

單組分SMP膠粘劑在高速動(dòng)車上的重要應(yīng)用之一是高速動(dòng)車側(cè)窗的粘接和密封，即使用此膠粘劑將側(cè)窗結(jié)構(gòu)與車體進(jìn)行粘接連接，待其粘接膠層固化后再進(jìn)行整體的密封施工。這樣既保證了粘接的強(qiáng)度，又保證了整體的美觀和密封功能。具體工藝如下。

（1）清潔。用潔凈的專用擦拭紙等蘸配套的清潔劑，從待粘接基材表面的一端向另一端單向無遺漏擦拭粘接面，擦拭時(shí)禁止在同一位置轉(zhuǎn)圈擦拭，以避免重復(fù)污染。若擦拭后，擦拭紙或無紡布變色，應(yīng)更換干凈的擦拭紙或無紡布繼續(xù)該工序。注意勤換干凈的擦拭紙或無紡布，以便于擦凈表面。最后要晾干，以確保待粘接面潔凈干燥。

（2）遮蔽。在需粘接或密封的區(qū)域底材兩側(cè)，用遮蔽材料進(jìn)行完全遮蔽，以防膠粘劑溢出而污染非粘接密封部位。

（3）打磨。打磨需要粘接或密封的區(qū)域，而玻璃底材及已處理的基材無須打磨。

（4）清潔。對(duì)經(jīng)過上步打磨的區(qū)域及周邊進(jìn)行清潔和晾干，確保待粘接面潔凈干燥。

（5）底涂施工。使用潔凈的專用海綿在待施膠面沿一個(gè)方向擦底涂（底涂施工要求均勻且薄地覆蓋整個(gè)區(qū)域，不允許露底，不可來回刷涂），晾至干燥。晾置過程中表面不得被污染，嚴(yán)禁用手觸摸確認(rèn)干燥情況。

（6）打膠。在基材上打膠（膠粘劑），打膠時(shí)膠嘴接觸基材無遺漏，保證膠體均勻、連續(xù)飽滿且無空氣裹入;在膠粘劑的工作時(shí)間內(nèi)完成部件的安裝調(diào)試及固定工作等。

（7）固化。在膠干燥期內(nèi)避免觸摸膠層表面。在標(biāo)準(zhǔn)（23℃、50% RH環(huán)境）實(shí)驗(yàn)條件下，第一天固化約3mm，然后逐步遞減。在濕度較低時(shí)，需要延長(zhǎng)干燥時(shí)間。

（8）涂打密封膠。待粘接膠層固化后進(jìn)行整體的密封施工，使用膠粘劑填充整個(gè)密封區(qū)域，保證膠粘劑連續(xù)飽滿填充，在膠粘劑的有效操作時(shí)間內(nèi)使用刮板沿框周邊均勻地將縫隙處表面多余的膠體刮除，形成連續(xù)平整的表面。刮膠時(shí)應(yīng)連續(xù)無停頓，壓實(shí)刮平后進(jìn)行表面平滑處理，在保證粘接強(qiáng)度的同時(shí)保證整體的美觀和密封功能。

（9）處理完畢后需及時(shí)去除遮蔽膠帶，以進(jìn)一步固化。

在整個(gè)膠粘劑應(yīng)用過程中，制約其應(yīng)用的主要因素是采用單組分施工不利于膠整體的快速固化。由于車窗粘接部位打膠較厚，這使其在高速動(dòng)車組車輛部件的制造過程中易影響生產(chǎn)節(jié)拍，且嚴(yán)重影響后續(xù)的生產(chǎn)計(jì)劃和整體生產(chǎn)效率等。鑒于此，為保證生產(chǎn)節(jié)拍及粘接質(zhì)量的穩(wěn)定性，選用Booster體系進(jìn)行施工。

3 Booster 體系

Booster體系一般有2種實(shí)現(xiàn)形式：①使用一種特殊的膠嘴將含水相（Booster體系）的薄層注入膠層中（類似雙組分操作）;②使用靜態(tài)混合器自動(dòng)計(jì)量系統(tǒng)（極少情況下，也使用動(dòng)態(tài)混合器）改善混合的均勻性。Booster體系的主要優(yōu)點(diǎn)是膠條固化實(shí)際上各向同性、與空氣的濕度無關(guān)、不受粘接尺寸和粘接面積的限制、粘接固化速度快（即室溫條件下，大約1 h后可達(dá)到操作強(qiáng)度，施工后1天達(dá)到最終強(qiáng)度）。

高速動(dòng)車側(cè)窗粘接和密封過程中使用的單組分SMP膠粘劑由于Booster體系的引入，不再完全依賴空氣中的水汽進(jìn)行固化，而且可以在數(shù)小時(shí)內(nèi)達(dá)到整體固化，擺脫了此膠粘劑從外向內(nèi)單向固化的弊端。按照比例進(jìn)行充分混合且混合均勻，且在標(biāo)準(zhǔn)條件下，其可在4h內(nèi)初步整體固化（即膠體反應(yīng)成固體，用刀片割開其內(nèi)部無明顯糖心現(xiàn)象）;在粘接完成6 h后，可在廠區(qū)內(nèi)或車間之間平穩(wěn)地移動(dòng)車輛。完成粘接后的車窗，可在車窗下沿限位墊塊拆除后立即進(jìn)行車窗密封膠的施工。

經(jīng)實(shí)驗(yàn)室測(cè)試，引入Booster體系后的單組分SMP膠粘劑在標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)條件下固化的數(shù)據(jù)曲線分別如圖3和圖4所示。

4 引入 Booster 體系的單組分SMP膠粘劑在高速動(dòng)車側(cè)窗的應(yīng)用

使用引入Booster體系的單組分SMP膠粘劑將側(cè)窗結(jié)構(gòu)與車體進(jìn)行粘接連接，待其粘接膠層固化后進(jìn)行整體的密封施工，在保證粘接強(qiáng)度的同時(shí)保證整體的美觀和密封功能。圖5為引入Booster體系的單組分SMP膠粘劑在高速動(dòng)車側(cè)窗的應(yīng)用示例。

在經(jīng)過設(shè)計(jì)計(jì)算確認(rèn)的區(qū)域使用原結(jié)構(gòu)中的SMP膠粘劑配合Booster體系進(jìn)行施工（具體尺寸及位置根據(jù)具體結(jié)構(gòu)和節(jié)拍時(shí)間等共同確認(rèn)），在此引入Booster體系的結(jié)構(gòu)中，雙組分SMP膠粘劑通過自身反應(yīng)快速固化，施工18h后即可撤除工裝進(jìn)行常規(guī)的工序流轉(zhuǎn)，且最終性能與之前完全一致。具體施工工藝如下。

（1）在經(jīng)過設(shè)計(jì)計(jì)算確認(rèn)的區(qū)域使用圖紙中的SMP膠粘劑配合Booster體系，施工時(shí)每組SMP膠粘劑和Booster體系按照比例充分混合均勻，并采用專用的雙組分膠槍。

（2）每處雙組分的尺寸根據(jù)設(shè)計(jì)要求確定，其他尺寸與正常粘接尺寸的要求相同。

（3）在每一道膠粘劑進(jìn)行施工時(shí)，必須將其插入上一道膠的底部，以保證2道膠搭接連續(xù)，確保整個(gè)膠條連續(xù)均勻飽滿。

（4）所有相關(guān)操作需在膠粘劑的工作時(shí)間內(nèi)完成。

（5）工裝拆除時(shí)，按安裝順序和時(shí)間間隔要求依次拆除。

其他通用操作與文中的常規(guī)施工工藝相同，此處不再贅述。

通過局部區(qū)域增加Booster體系以加速固化，不影響SMP膠粘劑固化后的整體性能，在保證粘接質(zhì)量的前提下滿足生產(chǎn)節(jié)拍需求，大大提升了生產(chǎn)效率，即引入Booster體系后，SMP膠粘劑在高速動(dòng)車側(cè)窗的應(yīng)用時(shí)：①節(jié)約了單輛車至少1個(gè)存車臺(tái)位的空間，同時(shí)節(jié)省了存車費(fèi)用;②節(jié)約了改進(jìn)前需專人到存車臺(tái)位拆除工裝并運(yùn)回生產(chǎn)臺(tái)位的人力及轉(zhuǎn)運(yùn)費(fèi)用;③節(jié)約了改進(jìn)前為提升節(jié)拍而申請(qǐng)?jiān)黾有鹿ぱb的工裝制造費(fèi)用;④滿足交車計(jì)劃及后續(xù)施工，解決了現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)的瓶頸問題。

5 引入 Booster 體系的單組分SMP膠粘劑的粘附性能和耐久性

為對(duì)比分析引入Booster體系的SMP膠粘劑與常規(guī)單組分SMP膠粘劑的粘附性能和耐久性等性能，特進(jìn)行針對(duì)性的對(duì)比實(shí)驗(yàn)，相關(guān)實(shí)驗(yàn)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)、測(cè)試條件、測(cè)試項(xiàng)目和測(cè)試結(jié)果如下。

（1）測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)。DIN 54457-2014《結(jié)構(gòu)膠-粘接件的剝離試驗(yàn)》;GB/T 16997-1997《膠粘劑-主要破壞類型的表示法》。

（2）檢測(cè)條件。①在23 ℃、50% RH實(shí)驗(yàn)條件下固化7天，進(jìn)行第1次測(cè)試;②在20 ℃的水中浸泡7天，取出置于23 ℃、50% RH實(shí)驗(yàn)條件下2 h后，進(jìn)行第2次測(cè)試;③在80 ℃試驗(yàn)箱存儲(chǔ)1天，進(jìn)行第3次測(cè)試;④取出置于23℃、50% RH實(shí)驗(yàn)條件下2 h后，進(jìn)行第4次測(cè)試;⑤在70 ℃飽和水蒸氣（封閉耐水測(cè)試）實(shí)驗(yàn)7天，取出置于在23℃、50% RH實(shí)驗(yàn)條件下2 h后，進(jìn)行第5次測(cè)試。

（3）測(cè)試項(xiàng)目。經(jīng)過相應(yīng)條件實(shí)驗(yàn)后進(jìn)行膠條剝離測(cè)試，檢測(cè)膠粘劑與基材間的粘附狀態(tài)和破壞類型等。

（4）測(cè)試結(jié)果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，經(jīng)過5個(gè)階段的老化后，引入Booster體系的SMP膠粘劑和單組分SMP膠粘劑均可產(chǎn)生100%的膠粘劑內(nèi)聚破壞（CF）。

6 結(jié)語

使用Booster體系能夠有效地解決膠粘劑對(duì)于施工環(huán)境條件和固化尺寸的依賴，加速固化。在高速動(dòng)車側(cè)窗上應(yīng)用的單組分SMP膠粘劑加Booster體系可起到快速固定的作用，施工后可大大縮短等待時(shí)間進(jìn)入常規(guī)的工序流轉(zhuǎn)，且最終性能與之前完全一致;通過局部區(qū)域增加Booster體系以加速固化，不影響SMP膠粘劑固化后的整體性能，在保證粘接質(zhì)量的前提下滿足生產(chǎn)節(jié)拍需求，從而大大提高了生產(chǎn)效率。這對(duì)于高速動(dòng)車生產(chǎn)行業(yè)中優(yōu)化粘接固化的節(jié)拍、提高生產(chǎn)效率等具有參考意義。

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收稿日期 2019-04-02

責(zé)任編輯 黨選麗