人工加速老化對動車組車窗密封膠性能的影響*

徐 超，劉振華，吳紹利，杜衛(wèi)超，陳 夢

（中國鐵道科學研究院集團有限公司金屬及化學研究所，北京100081）

動車組司機室前擋風玻璃、客室側(cè)窗玻璃與車體的密封多采用單組份聚氨酯密封膠。密封膠施工方式靈活、工藝簡單，固化后形成彈性體，能夠降低車輛運行時對車窗玻璃的沖擊和振動、降低車內(nèi)噪聲[1]，同時保證列車的氣密性[2-3]。近年來，我國高速鐵路快速發(fā)展，動車組運營的數(shù)量和地域都大幅增加。隨著動車組服役時間增加，非金屬材料性能的變化亟待研究。車窗密封膠常年受到日光照射，耐紫外性能和耐濕熱老化性能十分關(guān)鍵。本文對密封膠進行紫外老化、熱空氣老化以及高低溫交變?nèi)N人工加速老化，研究了老化前后密封膠性能的變化。

1 試驗部分

1.1 試驗材料

動車組車窗用密封膠：Sikaflex-265，瑞士西卡公司生產(chǎn)。

1.2 主要儀器與設(shè)備

熱失重分析儀，型號209F1，德國NETZSCH公司；老化試驗箱，401A，啟東市雙棱測試設(shè)備廠；紫外老化試驗箱，型號QUV/SPRAY，美國Q-LAB公司；煙密度試驗箱，型號FTT0064，英國FTT公司；高溫氧指數(shù)儀，型號FTT0081，英國FTT公司。

1.3 老化試驗

紫外老化：將室溫固化的密封膠樣品置于紫外老化箱中，熒光紫外燈類型UVA-340，波長340nm。循環(huán)試驗條件為：8h干燥暴露段，輻照度0.89（W/m2·nm），黑板溫度計溫度60℃；4h冷凝暴露段，輻照度0.00，黑板溫度計溫度50℃。老化3333、6666、10000 h后取出裁樣。

熱空氣老化：將室溫固化的密封膠樣品置于熱空氣老化箱中，老化溫度為70℃，老化2000、4000、6000、8000、10000 h后取出裁樣。

高低溫交變：參考Q/CR 616-2017《鐵路客車及動車組用地板》中高低溫交變試驗方法進行循環(huán)老化。a) 23℃、50% RH條件下停留240min；b) 將溫度下降至-40℃（降溫時間為90min），在-40℃、無濕度條件下停留480min；c) 將溫度在30min內(nèi)上升到23℃，并保持150min（在前90min濕度上升到98% RH并保持；d) 溫度在30min內(nèi)由23℃上升至60℃，保持60℃和濕度98% RH，保持時間360min；e) 保持濕度98% RH不變，溫度在270min內(nèi)下降到23℃，保持溫度150min（濕度在前90min由98% RH下降到20%RH）。老化2000、4000、6000、8000、10000 h后取出裁樣。

1.4 測試表征

拉伸強度試驗：按GB/T 528-2009《硫化橡膠或熱塑性橡膠拉伸應力應變性能的測定》進行，采用1型試樣，試驗速度500mm/min。

撕裂強度試驗：按GB/T 529-2008《硫化橡膠或熱塑性橡膠撕裂強度的測定（褲形、直角形和新月形試樣）》進行，采用直角形試樣，試驗速度500mm/min。

熱失重試驗：試樣質(zhì)量5～10 mg，氮氣氣氛，溫度30～850 ℃，升溫速率10℃/min。

差示掃描量熱分析：試樣質(zhì)量5～10mg，氮氣氣氛，溫度-100～20 ℃，升溫速率10℃/min。

氧指數(shù)試驗：按GB/T 2406.2-2009《塑料 用氧指數(shù)法測定燃燒行為 第2部分：室溫試驗》進行。

煙密度試驗：按GB/T 8323.2-2008《塑料 煙生成 第2部分：單室法測定煙密度試驗方法》進行，有引燃火焰條件下暴露于25 kW/m2的輻射照度。

毒性指數(shù)試驗：按Q/CR 699-2019《鐵路客車非金屬材料阻燃技術(shù)條件》進行。

2 結(jié)果與討論

2.1 力學性能

從圖1、圖2可以看出，密封膠經(jīng)熱空氣老化、高低溫交變老化、紫外老化后，拉伸強度和撕裂強度有所提高。在熱空氣老化4000h、高低溫交變老化2000h、紫外老化3333h時，拉伸強度達到了最大值；在熱空氣老化2000h、高低溫交變老化2000h、紫外老化3333h時，撕裂強度達到了最大值。室溫固化的密封膠在室溫下需要較長時間才能夠達到完全固化的狀態(tài)，因此在老化試驗開始時，密封膠處于未完全固化的狀態(tài)。密封膠的主要固化方式是濕氣固化[4]，當對密封膠進行老化時，受到熱和濕度的作用，密封膠會逐漸固化完全，力學性能有所提高。

圖1 密封膠老化前后拉伸強度Fig. 1 Tensile strength of unaged and aged sealant

圖2 密封膠老化前后撕裂強度Fig.2 Tear strength of unaged and aged sealant

從圖1和圖2中還可以看出，拉伸強度和撕裂強度在熱空氣老化6000h、高低溫交變老化4000h、紫外老化6666h出現(xiàn)了下降趨勢。這說明隨著老化時間的延長，密封膠的固化反應完成，開始出現(xiàn)老化情況。

2.2 阻燃性能

由圖3可以看出，經(jīng)過熱空氣老化、高低溫交變老化和紫外老化，密封膠的氧指數(shù)有下降趨勢，但下降幅度不大，約為10%。前4min累積煙密度VOF4是與火災逃生相關(guān)的重要參數(shù)，由圖4可以看出，密封膠的累積煙密度隨老化時間的延長呈下降趨勢，但下降幅度不大，老化時間為10000h時下降比率約為23%～28%。由圖5可以看出，密封膠的毒性指數(shù)CIT值隨老化時間的延長變化不大，且整體CIT值較低。說明在老化時間10000 h內(nèi)，熱空氣老化、高低溫交變老化和紫外老化對密封膠的阻燃性能影響不大。

圖3 密封膠老化前后的氧指數(shù) Fig. 3 Oxygen index of unaged and aged sealant

圖4 密封膠老化前后的VOF4 Fig. 4 VOF4 of unaged and aged sealant

圖5 密封膠老化前后的毒性指數(shù)Fig. 5 CIT of unaged and aged sealant

2.3 熱力學性能

高分子材料在熱失重分析中失重5%時的溫度被視為材料的熱分解溫度，反應了材料的熱穩(wěn)定性。由圖6可以看出，在經(jīng)過熱空氣老化、高低溫交變老化和紫外老化后，密封膠的熱分解溫度有所提高。這是由于密封膠在老化過程中不斷發(fā)生后固化反應，分子鏈變長、分子網(wǎng)絡擴張，使得熱穩(wěn)定性提高。隨著老化時間的延長，熱分解溫度出現(xiàn)了下降趨勢，這是由于長期的老化作用，使密封膠中的分子鏈發(fā)生斷裂和降解，熱穩(wěn)定性下降。該密封膠的固化原理為濕氣固化，高低溫交變老化和紫外老化中均有不同程度的濕度，因此進行高低溫交變老化和紫外老化試驗的密封膠比熱空氣老化的密封膠更早達到了熱分解溫度的最高點。

圖6 密封膠老化前后的熱分解溫度Fig. 6 Thermal decomposition temperature of unaged and aged sealant

圖7為密封膠老化前后的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度。由圖7可以看出，經(jīng)過熱空氣老化、高低溫交變老化和紫外老化后，密封膠的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度有所提高。這是由于未老化的密封膠沒有完全固化，材料中存在著大量小鏈段、基團和低分子化合物。隨著老化時間的延長，密封膠的后固化反應不斷進行，分子量變大，端鏈鏈段比例減少，分子網(wǎng)絡擴張，玻璃化溫度提高。由圖7還可以看出，玻璃化溫度在老化進行到一定時間后，不再明顯提高，這說明后固化反應完成，分子量及端鏈鏈段比例不再明顯變化。

圖7 密封膠老化前后的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度Fig. 7 Glass transition temperature of unaged and aged sealant

3 結(jié)論

本文對動車組車窗用密封膠進行了熱空氣老化、高低溫交變老化和紫外老化三種人工加速老化試驗，并對老化前后的性能進行了測試，得到以下結(jié)論：

（1）密封膠在經(jīng)過熱空氣老化、高低溫交變老化和紫外老化三種人工加速老化后，力學性能、熱分解溫度以及玻璃化轉(zhuǎn)變溫度均有所提高，說明三種人工加速老化對密封膠有后固化的作用，使密封膠發(fā)生了進一步交聯(lián)反應。

（2）隨著老化時間的延長，密封膠的分子鏈斷裂、降解，逐漸出現(xiàn)了老化現(xiàn)象，主要表現(xiàn)為力學性能在熱空氣老化6000h、高低溫交變老化4000h、紫外老化6666h出現(xiàn)了下降趨勢，且熱分解溫度在老化反應后期出現(xiàn)降低趨勢。

（3）在10000h的老化時間內(nèi)，熱空氣老化、高低溫交變老化和紫外老化對密封膠的氧指數(shù)、前4min累積煙密度及毒性指數(shù)等阻燃性能影響不大。

（4）由于密封膠濕氣固化方式，高低溫交變老化和紫外老化的密封膠比熱空氣老化的密封膠更早達到力學性能和熱分解溫度的最大值。