API雙組分膠在鐵路客車貼面板粘接中的應用及性能評價

劉金鳳 王元伍 劉民軍

（中車唐山機車車輛有限公司，河北唐山 064000）

0.引言

貼面膠合板是利用貼面板膠合在膠合板基材表面制成的板材[1-2]，因貼面膠合板具有外觀多樣性和阻燃性等優異性能，被廣泛應用在鐵路客車的內裝設計上[3]。原有鐵路客車的貼面板粘接工藝多采用脲醛膠、氯丁膠、白乳膠等膠粘劑進行粘接。脲醛膠具有操作簡單、良好的粘接性及生產成本低等優勢，但其甲醛釋放量較高，對操作者及環境都有危害，因此降低脲醛膠的毒性一直是木材科技工作者的關注點。接觸膠粘接性能優異、價格低廉且對木材有良好的粘接力，各主機廠逐漸使用接觸膠接替脲醛膠進行貼面板粘接，但氯丁膠在使用過程中大量的有機溶劑的揮發，對人體的安全健康及環境污染有很大影響。基于此種情況，后續又開發了白乳膠或快干白膠等進行貼面板粘接，白乳膠因含大量水分，在冬季使用時常發生脫膠、開膠等問題，潛在的隱患會引發貼面板發生開裂。因此隨著環保要求的不斷提高，粘接工程師也一直在開發對木材粘接性能優異又環保的膠粘劑在貼面膠合板粘接中進行應用。

水性高分子異氰酯膠（Aqueous Polymer Isocyanate，API）因不含甲醛成分，又被稱為環保型水性高分子聚合物粘合劑，具有固化速度快、膠合強度高、耐濕熱、耐老化性能好等優點，被大量地應用于集成材的粘接[4-7]。基于API膠粘劑在集成材粘接中的廣泛應用及取得的良好效果，且本文所述產品為貼面膠合板復合粘接，與上述集成材粘接有共通之處。

API膠粘劑對木材良好的粘接性及環保性正式貼面膠合板粘接需要的特性，本文針對鐵路客車用貼面膠合板的性能要求和技術特點，選用API雙組分膠粘劑在貼面膠合板的應用中進行貼面粘接試驗和性能評價。主要考察環保型膠粘劑在貼面膠合板粘接中的應用。重點關注膠粘劑配比、粘壓工藝等對貼面膠合板粘接性能的影響，并通過膠合強度、浸漬剝離、防潮性能測試進行評判。該試驗為貼面膠合板粘接首次嘗試水性膠粘劑產品，在保證粘接性能的同時解決貼面膠合板產品生產的環保問題。

1.試驗部分

1.1 試驗原料

多層膠合板，工業級，廠內采購；貼面板，廠內采購，廠家固定；API雙組分膠粘劑，試驗室自制及市場選購。

固化劑：多官能度異氰酸酯，市售。按主劑與固化劑質量比100：15配制使用。API雙組分膠粘劑的技術參數如表1所示。

表1 API膠粘劑產品信息

1.2 試驗儀器

數顯恒溫水浴鍋；DHG-9140A恒溫鼓風干燥箱；固化速率測試專用模具；萬能拉力試驗機；恒溫恒濕箱；QUV老化試驗箱。

電熱恒溫干燥箱，上海一恒科學儀器有限公司，型號：DHG-9145A；數顯恒溫油浴槽，金壇市正基儀器有限公司，型號：HH-6；電子天平，北京賽多利斯儀器系統有限公司，型號TВ403；酸度計，瑞士萬通（Metrohm）公司，型號：827PH lab；粘度計，美國博力飛（ВROOKFIELD）公司，型號：DV-I + VISCOMETER；平板式熱壓機，上海人造板機器廠生產；萬能力學材料試驗機，濟南時代試金儀器有限公司，型號WDW-W10。

1.3 試驗制備

本文選用API作為膠粘劑進行貼面膠合板的粘接，主要研究膠粘劑本體及粘壓工藝對產品粘接性能的影響，并通過系列測試驗證API粘接產品的可行性。API粘接貼面膠合板樣板制備流程如下：

（1）原料準備：膠合板基材厚度偏差控制在±0.1mm，含水率在7%～12%范圍內。貼面板規格為300mm×300mm×1.5mm，每個相同試驗條件重復3塊。（2）混膠：主劑和固化劑的配比為重量比。按試驗設計分為3種，主劑：固化劑分別為100：15、100：12、100：9。按重量比稱好所需要的量，混合攪拌均勻，每一批膠混合后在30min內完成涂膠。配膠時不要加水。（3）涂膠：雙面涂膠，夏季要多涂一點，以免干燥，造成粘合力下降，因此要盡快涂膠。工作環境溫度最低為5℃。（4）冷壓：涂膠之后，夏季應在5min之內將涂膠后的板材膠面貼合放在壓機上并施壓；冬季在20min內完成涂膠并將膠面貼合。冬季加壓時間應保證在1.5h以上，夏季加壓時間應保證在1h以上，壓力為8kg/cm2～12kg/cm2。（5）熱壓：熱壓溫度，80℃；熱壓時間，5min；其他與冷壓一致。（6）卸壓、養生：加壓過程中擠出來的膠，卸壓后用刮刀除掉。除膠時要避免施加壓力。（7）測試樣件的制備：上述大板粘壓后，需要進行卸壓及養生，3d后可進行加工。各測試樣件根據測試標準中規定的要求及規格從制備的大板中進行取樣裁切。

1.4 測定和表征

（1）密度：根據GВ/T17657-2013[8]中4.2規定的方法進行。（2）吸水厚度膨脹率：根據GВ/T17657-2013中4.5規定的方法進行。（3）浸漬剝離性能測定：根據GВ/T17657-2013中4.19規定的Ⅱ類浸漬剝離試驗方法進行。（4）拉伸載荷強度：根據GВ/T17657-2013中4.17規定的方法進行。（5）表面膠合強度：根據GВ/T17657-2013中4.16規定的方法進行。（6）防潮性能測定-沸水煮試驗：根據GВ/T17657-2013中4.13規定的方法進行。（7）防潮性能測定-循環試驗：根據GВ/T 17657-2013中4.14規定的方法進行。

2.結果與討論

壓制完成的基礎板放置3d以上，根據測試要求裁切成標準試件。根據測試項目的區別分別編號為1～6，分別對試驗樣件1～6進行系列產品性能測試，表2為試驗設計及測試方案。表3、表4為測試結果。

表2 試驗設計及測試方案

表3 樣件1～4性能測試結果

表4 樣件5～6性能測試結果

2.1 固化劑比例對粘接性能的影響

樣件1～4，固化劑/主劑比例范圍為9/100～15/100。由表3中數據可知，樣件的沸水浸漬剝離率均為0，即貼面膠合層均沒有開裂。可以看出，該API產品在使用時，固化劑比例為9/100～15/100時，其耐高溫水煮性能都很好，不會從API貼面膠層開裂。表面結合干強度均超過2.0MPa，經過沸水煮及循環試驗后的表面膠合強度均超過1.0MPa，前后數值高于國家標準對貼面板膠合強度0.4MPa的要求。因此根據實際生產情況，固化劑/主劑比例范圍定為12/100，操作過程中允許與具體參數值有偏差，但不得低于9/100，不可超過15/100。

2.2 粘壓工藝對強度的影響

對比常溫冷壓和高溫熱壓工藝處理后的樣件（1～3常溫冷壓，4高溫熱壓），表面膠合強度值差別不大，冷壓的數值略高。但在熱壓過程中，發生了鼓包現象，在延長開口陳放時間后仍未能避免。其原因為API膠在固化過程中會釋放出H2O和CO2，而所用貼面材料不透氣，在熱壓時快速釋放出的氣體無法及時排出，因而出現中間起鼓包的現象。而冷壓固化時固化反應慢，H2O被木質基材吸收，CO2緩慢排出，從而不出現鼓包。因此將API膠粘劑用于貼面膠合板粘壓時宜選用冷壓工藝。

2.3 API防潮性能評價

按照GВ/T 17657-2013中4.13規定防潮性能測定分2種情況，分別為沸水煮試驗與循環試驗。1～4號試驗樣件分別測試了干樣件、沸水煮后的樣件、循環試驗后的樣件的表面膠合強度，強度值均大于0.4MPa，滿足貼面后的強度要求[9]。且測試時樣件破壞均為膠合板層撕裂，經API粘接的貼面板和膠合板層間完好無開裂，如圖1所示。該強度數值變化反應的是膠合板層在試驗前后的變化，貼面膠合層層間的強度大于膠合板基材的強度。

圖1 表面膠合強度測試樣件

5～6號試驗樣件分別進行了干樣件、沸水煮后的樣件、循環試驗后的樣件的拉伸強度測試，且破壞均為貼面板斷裂，如圖2所示。拉伸強度數值的變化反應的是貼面板本身在試驗前后的抗拉強度變化，貼面膠合層間的強度大于貼面板基材的強度。

圖2 拉伸強度測試樣件

綜上所述，使用API膠粘劑進行粘接的貼面膠合板產品，其膠合強度及拉伸強度均超過貼面層及膠合板基材自身的抗拉強度。且在沸水煮、循環試驗后均未發生貼面板和膠合板的層間開裂現象，防潮性能優良。

4.結語

本文主要研究了API雙組分膠在貼面板粘接中的應用。通過試驗驗證確定了貼面膠合板的粘壓工藝參數，并對產品進行了一系列的理化性能檢測。通過表面膠合強度、浸漬剝離試驗、防潮性能測試等評判，采用API雙組分膠粘接的貼面膠合板產品強度達標，耐候性能穩定。同時作為水性雙組分聚氨酯膠粘劑，其不釋放有毒有害物質，解決了操作者的健康安全和環境保護問題，可以在鐵路客車內裝飾材料貼面板的粘接中推廣應用。