軌道結構用膠粘劑的制備與性能研究

葉歡

摘要：為了開發出高性能軌道結構用膠粘劑，研究了硅氫基/硅乙烯基摩爾比、甲基乙烯基硅橡膠質量分數和催化劑/抑制劑比例對硅橡膠膠粘劑拉伸性能、硬度、交聯密度和固化性能的影響。結果表明，隨著 Si-H/ Si-Vi 摩爾比從0.8∶1增加至2.0∶1，拉伸強度和斷后伸長率先增大后減小、邵氏硬度逐漸增大，在Si-H/Si-Vi 摩爾比=1.5：1時取得拉伸強度最大值，在Si-H/Si-Vi摩爾比=2.0∶1時取得z邵氏硬度最大值。甲基乙烯基硅橡膠質量分數從0%增至80%，硅橡膠膠粘劑的拉伸強度先增大后減小；當質量分數為70%時取得抗拉強度最大值。在實際生產和應用過程中，適宜的Si-H/Si-Vi摩爾比為1.5∶1、甲基乙烯基硅橡膠質量分數為70%、催化劑/抑制劑質量比為3∶1。

關鍵詞：軌道結構；硅橡膠膠粘劑；配方；制備；力學性能

中圖分類號：TQ433.4+2???????????? 文獻標志碼：A?????????????? 文章編號：1001-5922（2023）03-0009-04

Study? on preparation? and properties? of adhesives for track structure design

YE Huan

（Xinjiang Railway Survey and Design Institute Co.，Ltd.，Urumqi 830011，China）

Abstract： In order to develop a high-performance adhesive for track structure design， the effects of the molar ratio of hydrosiloxane/vinyl siloxane， the content of methyl vinyl silicone rubber and the ratio of catalyst/inhibitor on the tensile properties， hardness， crosslinking density and curing properties of silicone rubber adhesive were studied. The results show that with the increase of Si-H/Si Vi molar ratio from 0.8∶1 to 2.0∶1， the tensile strength andelon- gation after fracture of silicone rubber adhesive first increase and then decrease， and the Shore hardness gradually increases. The maximum tensile strength is obtained when the Si-H/Si Vi molar ratio is 1.5：1， and the maximum Shore hardness is obtained when the Si-H/Si Vi molar ratio is 2.0∶1. With the content of methyl vinyl silicone rub- ber increasing from 0 to 80%， the tensile strength of silicone rubber adhesive first increases and then decreases， and the maximum tensile strength is obtained when the content of methyl vinyl silicone rubber is 70%. With the in- crease of catalyst/inhibitor mass ratio， the curing time of silicone rubber adhesive at 25℃ and 180℃ decreased gradually. In the actual production and application process， the appropriate Si-H/Si Vi molar ratio is 1.5：1， the con- tent of methyl vinyl silicone rubber is 70%， and the catalyst/inhibitor mass ratio is 3：1.

Keywords： track structure；silicone rubber adhesive；formula；preparation；mechanical property

國民經濟的快速發展和交通運輸事業的快速進步，中國鐵路營業里程在2021年已達15.6萬km，同比增長6.36%，年均復合增長率達4.92%，且呈現逐年遞增趨勢。在給普通民眾的生活出行帶來極大便利的同時，給鐵路軌道相關產業鏈也帶來了巨大發展機遇，與軌道結構建設相關的鋼軌、軌枕、道床、聯結零件等都在不同程度得到飛速發展，相關產業鏈逐漸完善，尤其是隨著近年來鐵路提速等需求的提升，膠粘劑作為軌道結構中經常使用的粘接材料[1]，其固化性能和粘接性能也變得愈發重要[2]。然而，實際生產和應用過程中，軌道結構用硅橡膠膠粘劑硫化過程有一定副反應[3]，如果配方不當會造成最終硅橡膠膠粘劑的強度偏低、固化時間較長等問題[4]，且嚴重時還會產生內聚破壞現象[5]影響使用性能。在調研國內外軌道結構用硅橡膠膠粘劑生產工藝和成分配方的基礎上，考察了硅氫基/硅乙烯基摩爾比、甲基乙烯基硅橡膠質量分數和催化劑/抑制劑比例對硅橡膠膠粘劑拉伸性能、硬度、交聯密度和固化性能的影響，結果有助于優化高性能軌道結構設計用膠粘劑的配方設計，并推動其在軌道結構中的工業應用。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

試驗原料包括工業用直鏈型乙烯基硅油（乙烯基質量分數0.17%）、支鏈型乙烯基硅油（乙烯基質量分數1.9%）、MQ 乙烯基硅樹脂（乙烯基質量分數12%）、含氫硅油（氫質量分數0.485%）、甲基乙烯基硅橡膠、卡式催化劑（鉑質量分數0.28%）和環己基炔醇（質量分數99.2%）。

1.2 試樣制備

用電子天平質量基礎膠、填料、抑制劑等并加入溶劑在燒杯中攪拌，攪拌均勻后轉入干燥箱中去除氣泡等[6]，然后倒入聚四氟乙烯模具中，并置于電熱恒溫鼓風干燥箱中進行加熱固化[7]。不同硅氫基/硅乙烯基摩爾比的硅橡膠膠粘劑配方，具體如表1所示；不同甲基乙烯基硅橡膠質量分數的硅橡膠膠粘劑的配方，具體如表2所示；不同催化劑/抑制劑比例的硅橡膠膠粘劑的配方，具體如表3所示。

1.3 測試方法

根據 GB/T 528—2009測試硅橡膠膠粘劑的拉伸性能，溫度為室溫，拉伸設備為MTS-810型液壓私服萬能材料試驗機，拉伸速率為2 mm/min，結果為5組試樣平均值；硬度測試根據GB/T 531.1—2008進行測試，設備為LA-X型邵氏硬度計，結果為5點平均值；交聯密度測試采用溶脹平衡法[8]進行，測試溫度為室溫，取3根試樣平均值作為結果。

2 試驗結果與分析

2.1 硅氫基/硅乙烯摩爾比

圖1為不同硅氫基/硅乙烯摩爾比的硅橡膠膠粘劑的拉伸性能測試結果，分別列出了Si-H/Si-Vi摩爾比為0.8∶1、1.0∶1、1.2∶1、1.5∶1、1.8∶1和2.0∶1時硅橡膠膠粘劑的拉伸強度和斷后伸長率測試結果。可見，隨著Si-H/Si-Vi摩爾比從0.8∶1增至2.0∶1，硅橡膠膠粘劑的拉伸強度和斷后伸長率先增大后減小，在 Si-H/Si-Vi摩爾比=1.5∶1時取得拉伸強度最大值，在 Si-H/Si-Vi 摩爾比=1.2∶1時取得斷后伸長率最大值。

圖2為不同硅氫基/硅乙烯摩爾比的硅橡膠膠粘劑的硬度測試結果，分別列出了Si-H/Si-Vi摩爾比為0.8∶1、1.0∶1、1.2∶1、1.5∶1、1.8∶1和2.0∶1時硅橡膠膠粘劑的邵氏硬度測試結果。可見，隨著Si-H/Si-Vi摩爾比從0.8∶1增加至2.0∶1，硅橡膠膠粘劑的邵氏硬度逐漸增大，在Si-H/Si-Vi摩爾比為2.0∶1時取得邵氏硬度最大值，且當Si-H/Si-Vi摩爾比達到1.2∶1及以上時邵氏硬度增加幅度較緩。

圖3為不同硅氫基/硅乙烯摩爾比的硅橡膠膠粘劑的交聯密度測試結果，分別列出了Si-H/Si-Vi摩爾比為0.8∶1、1.0∶1、1.2∶1、1.5∶1、1.8∶1和2.0∶1時硅橡膠膠粘劑的交聯密度測試結果。可見，隨著 Si-H/ Si-Vi 摩爾比從0.8∶1增加至2.0∶1，硅橡膠膠粘劑的交聯密度逐漸減小，在 Si-H/Si-Vi 摩爾比為2.0∶1時取得交聯密度最小值，且當 Si-H/Si-Vi 摩爾比達到1.5∶1及以上時交聯密度基本不變或者略有減小。

整體而言，Si-H/Si-Vi摩爾比的變化會改變含氫硅油的加入量，使得硅橡膠膠粘劑制備過程中的硅氫加成反應出現不完全現象[9]，交聯度會因此而降低并造成表面出現粘滯而降低拉伸強度，但是當含氫硅油加入量增加時，硅橡膠膠粘劑中的交聯逐漸變得通暢，拉伸強度和硬度會有所增加；但是，如果含氫硅油過量時，硅橡膠膠粘劑中會出現 Si—H鍵空閑，局部出現交聯密度降低的現象，且Si—H鍵還會在催化劑作用下發生脫氫反應而出現氣泡[10]，交聯密度降低的同時影響力學性能。

2.2 甲基乙烯基硅橡膠質量分數

圖4為不同甲基乙烯基硅橡膠質量分數的硅橡膠膠粘劑的拉伸性能，分別列出了甲基乙烯基硅橡膠質量分數為0%～80%時硅橡膠膠粘劑的拉伸強度和斷后伸長率測試結果。

從圖4可以看出，隨著甲基乙烯基硅橡膠質量分數從0%增至80%，硅橡膠膠粘劑的拉伸強度先增大后減小，在甲基乙烯基硅橡膠質量分數為70%時取得抗拉強度最大值；隨著甲基乙烯基硅橡膠質量分數從0%增至80%，硅橡膠膠粘劑的斷后伸長率逐漸增大，在甲基乙烯基硅橡膠質量分數為80%時取得斷后伸長率最大值。

圖5為不同甲基乙烯基硅橡膠質量分數的硅橡膠膠粘劑的硬度測試結果。

從圖5可以看出，隨著甲基乙烯基硅橡膠質量分數從0%增至80%，硅橡膠膠粘劑的硬度逐漸減小，在甲基乙烯基硅橡膠質量分數為80%時取得硬度最小值。不同甲基乙烯基硅橡膠質量分數的硅橡膠膠粘劑的硬度隨著甲基乙烯基硅橡膠質量分數的變化趨勢與拉伸強度變化趨勢相反，即隨著甲基乙烯基硅橡膠質量分數增加，拉伸強度增大而硬度減小。這主要是因為甲基乙烯基硅橡膠質量分數自身具有較高的分子量[11]，在其質量分數較小時硅橡膠膠粘劑的交聯密度較小，硬度較大；隨著甲基乙烯基硅橡膠質量分數增加，硅橡膠膠粘劑的交聯密度會增大而提高拉伸強度和斷后伸長率，而硬度會有所減小。在實際生產和應用過程中，為了保證軌道結構設計用膠粘劑具有一定的硬度，應該適當控制甲基乙烯基硅橡膠質量分數，避免出現硬度過低的現象，如甲基乙烯基硅橡膠質量分數應控制在50%以下。

2.3 硅橡膠膠粘劑的固化性能

表4為不同催化劑/抑制劑質量比的硅橡膠膠粘劑的固化性能，分別列出了催化劑/抑制劑質量比為1∶1、2∶1、3∶1、4∶1和5∶1時硅橡膠膠粘劑的固化性能測試結果。

由表4可知，當催化劑/抑制劑質量比為1∶1時，硅橡膠膠粘劑在固化溫度25℃時的固化時間為336 h ，在固化溫度180℃時的固化時間為16 min；隨著催化劑/抑制劑質量比的增加，硅橡膠膠粘劑在固化溫度25℃時的固化時間逐漸減小，且在催化劑/抑制劑質量比為5∶1時的固化時間減小至12 h。隨著催化劑/抑制劑質量比的增加，硅橡膠膠粘劑在固化溫度180℃時的固化時間先減小而后不變，且在催化劑/抑制劑質量比在3∶1及以上時的固化時間都為1 min。在實際生產和應用過程中，控制催化劑/抑制劑質量比為3∶1時可以取得快速固化的效果，這主要是因為此時的催化劑/抑制劑可以形成配合物而降低硅橡膠膠粘劑的活性，在高溫下抑制劑會發生一定揮發而促進硅氫加成反應所致[12-13]。

3 結語

（1）隨著Si-H/Si-Vi摩爾比從0.8∶1增至2.0∶1，硅橡膠膠粘劑的拉伸強度和斷后伸長率先增大后減小，在Si-H/Si-Vi摩爾比為1.5∶1時取得拉伸強度最大值，在Si-H/Si-Vi摩爾比為1.2∶1時取得斷后伸長率最大值；

（2）隨著甲基乙烯基硅橡膠質量分數從0%增至80%，硅橡膠膠粘劑的拉伸強度先增大后減小，在甲基乙烯基硅橡膠質量分數為70%時取得抗拉強度最大值。隨著甲基乙烯基硅橡膠質量分數從0%增至80%，硅橡膠膠粘劑的斷后伸長率逐漸增大，在甲基乙烯基硅橡膠質量分數為80%時取得斷后伸長率最大值；

（3）隨著催化劑/抑制劑質量比的增加，硅橡膠膠粘劑在固化溫度25℃時的固化時間逐漸減小，且在催化劑/抑制劑質量比為5∶1時的固化時間減小至12 h。隨著催化劑/抑制劑質量比的增加，硅橡膠膠粘劑在固化溫度180℃時的固化時間先減小而后不變，且在催化劑/抑制劑質量比在3∶1及以上時的固化時間都為1 min。

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