膠黏劑在城市軌道交通行業中的應用

湯云哲

上海軌道交通設備發展有限公司 上海 200245

1 粘接理論

進入21世紀后,軌道交通憑借獨特的優勢而迅速發展,成為現代化城市在交通領域的一張名片。隨著軌道交通的發展,軌道交通車型種類逐漸增多,新材料不斷出現,零部件連接的條件和需求變得越來越復雜。城市軌道交通車輛中,零部件的主要連接方式有螺紋連接、焊接、粘接、鉚接等[1]。與傳統機械連接相比,粘接具有較大優勢,并逐漸得到了廣泛應用。粘接的受力較為均勻,不易產生應力集中,粘接處密封性能相比傳統連接技術更好,且更耐腐蝕。粘接不受兩種材料性質的限制,可以直接連接金屬和非金屬,并且在受到沖擊時能夠發揮出柔韌性和彈性,對沖擊進行吸能[2]。

粘接指通過界面的粘附和內聚等作用,使兩種或兩種以上制件、材料連接在一起[3-4]。粘接是接觸面之間多種力的綜合體現,當粘接物表面存在大量凹坑、槽溝和多孔穴時,膠黏劑在表面流動時會流入這些孔隙,固化后會牢牢地嵌入粘接物的孔隙中,產生粘接時所需的重要機械作用力。當膠黏劑在粘接物表面流動時,基于布朗運動,膠黏劑分子的極性部分會向粘接物的極性部分接近。當距離足夠近時,能夠基于范德華力或氫鍵力吸附在一起。當膠黏劑和粘接物性質相近,且可以相容時,在濕潤良好、接觸緊密的情況下,膠黏劑和粘接物會相互穿透擴散,從而導致界面消失而產生牢固的接頭。

在滿足量子化學條件時,膠黏劑和粘接物之間會產生化學鍵。化學鍵的形成條件要求高,形成困難,但是一旦形成,就能夠大大提高粘接強度。粘接強度指在外力作用下使膠黏劑與粘接物界面或鄰近處發生破壞所需要的應力,一般分為剪切強度、拉伸強度、剝離強度、沖擊強度等[4]。

2 影響粘接強度的因素

影響粘接強度的因素有很多,包括膠黏劑的選用、粘接物的表面特性、粘接時表面是否有污染物、粘接物的幾何形狀狀態、溫度等。應保證在粘接面上的應力分布均勻,盡可能使接頭承受均勻拉力、壓力和剪切力,避免產生剝離力和劈裂力。此外,應使粘接面積盡量大,以此提高接頭的承載能力[5]。粘接物的表面處理會對粘接強度產生影響[6-7]。一般而言,表面粗糙度值增大,能夠有效提高接頭的粘接強度。因為增大表面粗糙度值能夠有效增大粘接面面積。當然另一方面,過大的表面粗糙度值會使膠黏劑在粘接表面的浸入不充分,從而導致微觀應力過于集中,進而降低接頭的粘接強度。在有特別高的要求的情況下,可以預先使用底涂劑等進行表面處理。通過底涂劑的表面處理,可以增大粘接物的表面能。

對粘接表面應進行徹底清潔,不存在粉塵、劃痕、污染物等影響粘接,粘接的加工環境也需要滿足要求。如圖1所示,由于粘接加工車間內同時進行粘接和車體噴漆前的拋光工序,導致車間內有大量粉塵顆粒,加之粘接表面在刷膠黏劑前未進行徹底清潔,導致保溫材料在粘接后從車體上撕裂脫落。保溫材料表面經過徹底清潔再重新進行粘接后,這一缺陷才得以彌補。

圖1 保溫材料脫落

3 膠黏劑的選用

可以從施工工藝性、功能要求和黏度等方面對膠黏劑進行選用。

3.1 施工工藝性

不同的膠黏劑,操作方式不同,包括噴涂、刷涂、刮涂、滾涂等,會對操作效率和涂膠質量產成不同的影響。開放時間的長短對膠黏劑有重要影響。開放時間長,操作時間長,則可操作性好。開放時間短,等待時間短,則粘接效率高。一般而言,在大表面積施布膠黏劑時,需要選用開放時間長的膠黏劑。當表面積較小時,則需要選用開放時間短,甚至能夠瞬干的膠黏劑。

3.2 功能要求

選用膠黏劑時需要考慮環保要求和防火要求。軌道交通車輛都有總體防火要求,膠黏劑作為非金屬材料,在大面積施布時,需要滿足軌道交通車輛的防火要求,尤其是對車輛底架表面的防火密封膠而言,有更高的耐火性能要求。對于車體外表面使用的膠黏劑、密封膠等,需要滿足抗老化、耐氣候等要求。相較于涂料,膠黏劑更容易產生刺激性氣味,因此人們對膠黏劑環保性的要求也更為嚴格。

3.3 黏度

膠黏劑的黏度低,使膠黏劑具有較好的流平性。在水平面上,流平性越好,膠黏劑更容易布施均勻,更易于流入粘接物的粗糙表面形貌中,進而更易于提高施布質量。然而,膠黏劑的黏度較低時,在非水平面反而會流向一邊,進而降低施布質量。在這樣的場合,使用黏度較高的膠黏劑更合適。另一方面,黏度過低,會減小膠黏劑的內聚力。

4 膠黏劑在軌道交通車輛上的應用

在城市軌道交通車輛中,應用粘接技術的場合主要有地板布粘接、鋁蜂窩板粘接、地板橡膠件粘接、保溫材料粘接。

4.1 地板布粘接

軌道交通車輛地板布材料一般為聚氯乙烯或橡膠,車體地板一般為鋁板或不銹鋼板。地板布的拼接方式為無縫拼接或有縫拼接,在使用時有耐磨、防滑、防火、防靜電等要求。地板布和地板的粘接位置處于不斷振動的車廂內,由于有乘客不斷踩踏,因此粘接地板布的膠黏劑要具有一定的韌性。通常使用聚氨酯膠黏劑、氯丁膠黏劑、甲基丙烯酸酯膠黏劑等作為地板布粘接的膠黏劑[2,8]。

在粘接強度方面,假設車輛的運動加速度為1.3 m/s2,乘客的質量為100 kg,乘客鞋底與地面的接觸面積為13 cm2,那么加減速時由于慣性而產生的慣性力為130 N,地板布與乘客鞋底的摩擦力為130 N,地板布與地板之間膠黏劑所受的剪切力也為130 N。假設地板布所受到的摩擦力完全不被分散,地板與地板布之間的剪切力也完全不被分散,地板布與地板的剪切面積等于乘客鞋底的面積,那么地板與地板布之間膠黏劑受到的剪切強度最高為1 MPa。常見的膠黏劑,其許用剪切強度都遠高于1 MPa,如環氧膠黏劑的許用剪切強度為21 MPa,聚氨酯膠黏劑的許用剪切強度為8 MPa,氯丁膠黏劑的許用剪切強度為4 MPa～5 MPa,甲基丙烯酸酯膠黏劑的許用剪切強度為12 MPa～15 MPa。

地板布粘接時,還需要考慮膠黏劑的環保性能。以上幾種膠黏劑中,氯丁膠黏劑和甲基丙烯酸酯膠黏劑雖然能夠滿足環保要求,但是由于成本較高,不得不被淘汰。丙烯酸膠黏劑由于開放時間短,不適用于大表面積的粘接。當前,各主機廠主要選用聚氨酯膠黏劑和環氧膠黏劑來粘接地板布。從結構上而言,軌道交通A型車和B型車在車體與鋁蜂窩地板間有地板橡膠件等,基材容易產生變形,因此傾向于使用有一定彈性和韌度的聚氨酯膠黏劑;C型車地板布直接粘接于車體上,傾向于使用環氧膠黏劑。粘接軌道交通A型車地板布時刷涂R900聚氨酯膠黏劑現場如圖2所示。

圖2 粘接A型車地板布刷涂膠黏劑現場

4.2 鋁蜂窩板粘接

鋁蜂窩板粘接與地板布粘接原理類似。鋁蜂窩板的基材為鋁板,被粘接物為鋁蜂窩,兩者都是極性材料,因此可選用聚氨酯膠黏劑、環氧膠黏劑、丙烯酸膠黏劑等。由于丙烯酸膠黏劑開放時間較短,無法應用于大面積粘接場合,因此可以排除。鋁蜂窩板粘接后需要保持較高的粘接強度,對此,通常選用固化后強度和硬度均較高的環氧膠黏劑。

4.3 地板橡膠件粘接

地板橡膠件進行粘接時涉及的影響因素較多。10 mm以上厚度的橡膠塊通常會產生較大的變形,并且橡膠塊面積小,需要選用強度高、開放時間短的膠黏劑,具體可選用甲基丙烯酸膠黏劑。橡膠塊與其它較薄的橡膠墊粘接時,實際是橡膠與橡膠的粘接,因此需選用韌性好的膠黏劑。氯丁膠黏劑對橡膠材料具有相溶性,粘接時能相互擴散,因此橡膠粘接通常使用氯丁膠黏劑。地板墊梁在調平時需要不斷增加或減少橡膠墊,粘接完成后需要盡快粘牢,因此需要選用高強度瞬干膠黏劑,將調平用的橡膠墊快速粘接在墊梁上。由于車體地板不平整,墊梁粘接在車體地板上時需要強度高且能夠保持一定厚度的膠黏劑,具體可以選用改性硅烷膠黏劑。軌道交通A型車地板橡膠件粘接現場如圖3所示[9]。

圖3 A型車地板橡膠件粘接現場

4.4 保溫材料粘接

粘接保溫材料時,除了使用專用的品牌膠黏劑外,一般均使用氯丁膠黏劑。氯丁膠黏劑的用途廣泛,初黏度高,可以在豎直面和下平面粘接后保持固定、不脫落。

5 結束語

膠黏劑的粘接性能與選型、粘接表面狀態等都有關系,因此,在城市軌道交通行業中選用膠黏劑,需要設計人員與相關工藝人員一同參與。除采用平臺設計或以往項目曾經采用過的膠黏劑及粘接材料外,對于新選用的膠黏劑,理論上都應進行附著力測試,尤其是在需要高強度粘接的場合,必須進行粘接強度測試,以驗證實際使用情況下膠黏劑的粘接性能是否能夠達到設計要求。需要注意的是,相比其它連接方式,粘接對新材料的適應能力較差[10]。

雖然膠黏劑基本都能滿足環保標準,但是普遍會散發刺激性氣味。為了使軌道交通車輛能夠滿足環保驗收標準,車體制造完工后需要停放一段時間,才能進行驗收。由此可見,環保問題是膠黏劑未來需要解決的重點問題。

要實現粘接技術在軌道交通車輛上的應用,需要將膠黏劑選型、粘接表面處理、接頭形狀設計等形成完整的規范文件或設計指南。在設計過程中,需要記錄粘接的施工工藝及粘接過程中出現的問題,并在后續設計前研究解決,最終使設計人員在設計時能夠規范、合理地應用粘接技術[11]。

在國家大力發展先進制造業的背景下,隨著粘接技術和膠黏劑的創新與發展,膠粘劑在城市軌道交通行業中的應用將越來越廣泛。