軌道交通供電設備用膠粘劑強度和熱機械性能影響研究

中圖分類號： TQ437⁺ .6 文獻標志碼：A文章編號：1001-5922（2025）07-0037-04

Abstract：The efect of diluent type on apparent properties，bond strength，hardness，adhesion，hygroscopicity，and thermomechanical properties was studied.The results showed thatthe type of diluent had a significant impact on the apparent properties of the adhesive，with 669，692 and OXA as diluents having beter apparent properties and ECC having the shortest geling time whenECC wasusedas diluent.The finaladhesive strength of theadhesive specimens was EP3，OXA，669 and 692in descending order，but the bonding and seting time of the adhesive specimens was long（≥3O min）when OXA was used as a diluent.When EP3，669，692 and DOX were used as diluents，the pencil hardness of the adhesive samples was 2 H，and the orderof Shore hardness was EP3，DOX，669，OXA，692， and the adhesion of the adhesive samples was grade 2 when EP3，669 and DOX were used as diluents.When 669 and 692 are used as diluents，the impact strength of the adhesive specimen was higher than 100J/cm² . Adhesives with EP3 and 692 as diluents had lower glass transition temperatures and crosslinking densities than adhesives with 669 as diluents.

Key words ：diluent ； adhesive ;apparent performance ; mechanical properties ; moisture absorption performance

膠粘劑作為一種能夠通過粘附力和內聚力將不同類型的物體粘合在一起的物質[1]，在現代城市軌道交通供電設備中應用較為廣泛，這主要是因為城市軌道交通供電設備中零部件較多，不同種類和不同材質的零部件在安裝和維護過程中不可避免地需要進行連接2；而焊接等方式的連接會造成零部件基本物性的改變且不易在尺寸較小的零部件中使用，因此，較為適宜的方法是選擇合適的膠粘劑進行連接[3-5]。目前，市場上常見的城市軌道交通供電設備中使用的膠粘劑多為光固化膠粘劑，生產和運輸過程中光固化膠粘劑的存儲較為復雜，這主要是因為光固化劑在紫外光照射條件下回發生固化而產生凝膠[6]，影響光固化劑的正常使用。此外，光固化劑在對不同物體進行粘接時，在固化劑受到紫外光照射而凝固的操作時間窗口還會對膠粘劑試樣的最終使用性能產生重要影響[7-9]。稀釋劑在膠粘劑固化過程中起著至關重要的作用，且稀釋劑的種類繁多，不同種類的稀釋劑對膠粘劑各項性能的影響各不相同，而目前關于稀釋劑類型對膠粘劑試樣各項性能的影響規律尚不清楚[10-12]。在此基礎上，研究了稀釋劑類型對表觀性能、粘接強度、硬度、附著力、吸濕性能和熱機械性能的影響，結果可為城市軌道交通供電設備中膠粘劑的開發與應用提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗原材料

原材料包括市售雙酚A環氧樹脂（E51）、3，4-環氧環己基甲基3，4-環氧環己基甲酸酯（ECC）、三羥甲基丙烷縮水甘油醚（EP3）、3-乙基-3-羥甲基氧雜環丁烷（OXA）、1，6己二醇二縮水甘油醚（669）、苯基縮水甘油醚（692）、雙（1-乙基（3-氧雜環丁基）甲基）醚 C₁₂H₂₂O₃（DOX） 。

1.2 試樣制備

按照雙酚A環氧樹脂（E51）質量占比 75% 的比例與稀釋劑（ECC、EP3、669、692、OXA、DOX）進行混合，高速攪拌 30min 混合均勻后，制備不同稀釋劑的液態膠粘劑。將上述膠粘劑置于真空烘箱中進行避光脫泡處理，時間為 60min ，儲存備用。在制備搭接接頭試樣時，以304不銹鋼作為基材，表面經過清洗和吹干后涂抹膠粘劑（厚度控制在 50μm ），紫外光（紫外光源采用XPASXLITE800X型光固化機）照射不同時間進行搭接，搭接過程中對搭接試樣進行0.1MPa的施壓，固化后測試力學性能。

1.3 測試表征

根據GB/T6739—2022《色漆和清漆鉛筆法測定漆膜硬度》進行硬度測試，GB/T2409—2020《色漆和清漆劃格實驗》進行附著力測試[13]，GB/T1732—2020《漆膜耐沖擊測定法》進行沖擊強度測試；不同稀釋劑的膠粘劑試樣的固化收縮率通過比重瓶法進行測定；不同稀釋劑的膠粘劑試樣的凝膠含量采用丙酮浸泡法進行測試；吸水率測試通過將膠粘劑試樣浸泡一定時間，采用電子天平稱量浸泡前后的質量并計算吸水率14]；根據GB/T7124—2008《膠粘劑拉伸剪切強度的測定（剛性材料對剛性材料）》，采用INSTRON5500型萬能材料試驗機進行拉伸剪切強度測試；采用DMA動態熱機械分析儀對膠粘劑試樣進行熱機械性能測試。

2 結果與討論

2.1 稀釋劑對膠粘劑試樣表觀性能的影響

表1為紫外光輻照條件下稀釋劑對膠粘劑試樣表觀性能的影響的統計結果。

由表1可知，當輻照時間為 1min 時，含有ECC、EP3、669、692、OXA、DOX稀釋劑的膠粘劑的表觀分別呈現嚴重拉絲或凝膠化、保持液體狀態、保持液體狀態、保持液體狀態、保持液體狀態和保持液體狀態，即在 1min 輻照條件下含ECC的膠粘劑就已經發生凝膠化；隨著輻照時間延長，含ECC的膠粘劑的表面都發生了表面固化。對于含有EP3的膠粘劑，在輻照時間為 3min 時，膠粘劑仍然保持液體狀態，在輻照時間為 15min 及以上時呈現嚴重拉絲或凝膠化；對于含有669的膠粘劑，在輻照時間為1～20min 時，膠粘劑仍然保持液體狀態，在輻照時間為 30min 時呈現嚴重拉絲或凝膠化；對于含有692的膠粘劑，在輻照時間為 1～5min 時膠粘劑仍然保持液體狀態，在輻照時間為 10，15min 時膠粘劑呈現輕微拉絲狀態，在輻照時間為 30min 時呈現嚴重拉絲或凝膠化；對于含有OXA的膠粘劑，在輻照時間為 1～30min 時膠粘劑都保持液體狀態；對于含有DOX的膠粘劑，在輻照時間為 1min 時膠粘劑保持液體狀態，在輻照時間為 3min 時膠粘劑呈現輕微拉絲狀態，在輻照時間為 5，10min 時呈現嚴重拉絲或凝膠化，在輻照時間為 15min 及以上時發生表面固化。由此可見，稀釋劑類型對膠粘劑的表觀性能會造成重大影響，當膠粘劑中以669、692和OXA作為稀釋劑時具有較好的表觀性能，ECC作為稀釋劑時凝膠時間最短，這主要與稀釋劑的官能團結構有關[15]，存在有利于開環反應的稀釋劑將有助于改善膠粘劑反應活性并延長凝膠時間。

2.2稀釋劑對膠粘劑試樣粘接定型時間和粘接強度的影響

表2為質量分數 25% 不同稀釋劑對膠粘劑試樣粘接定型時間和粘接強度的影響統計結果。

由表2可知，當稀釋劑為EP3時，粘接定型時間小于等于 10min 、初始粘接強度為 2.95MPa 最終粘接強度為 3.53MPa ；當稀釋劑為669時，粘接定型時間介于 10～20min 、初始粘接強度為2.11MPa、最終粘接強度為 3.14MPa ;當稀釋劑為692時，粘接定型時間小于 10min 、初始粘接強度為1.14MPa 、最終粘接強度為2.81MPa;當稀釋劑為OXA時，粘接定型時間大于等于 30min 最終粘接強度為 3.19MPa 。可見，膠粘劑試樣最終粘接強度從大至小順序依次為：EP3、OXA669692，但是OXA作為稀釋劑時膠粘劑試樣的粘接定型時間長（ ?30min ）。

2.3不同稀釋劑類型的膠粘劑試樣的物理性能

表3為質量分數 25% 不同稀釋劑類型的固化物的物理性能統計結果。

由表3可知，當稀釋劑為EP3時，膠粘劑試樣的鉛筆強度為 ^2H 、邵氏硬度為 94HA 、附著力為2級、沖擊強度為 71J/cm² ；當稀釋劑為669時，膠粘劑試樣的鉛筆強度為 ^2H 、邵氏硬度為 ^88HA 、附著力為2級、沖擊強度大于 100J/cm² ；當稀釋劑為692時，膠粘劑試樣的鉛筆強度為 ²H 、邵氏硬度為84HA 、附著力為1級、沖擊強度大于 100J/cm² ；當稀釋劑為OXA時，膠粘劑試樣的鉛筆強度為1H、邵氏硬度為 ⁸⁷HA. 附著力為1級、沖擊強度為88J/cm² ；當稀釋劑為DOX時，膠粘劑試樣的鉛筆強度為2H、邵氏硬度為 91HA 、附著力為2級、沖擊強度為 71J/cm² 。EP3、669、692和DOX作為稀釋劑時膠粘劑試樣的鉛筆硬度都為2H，邵氏硬度從大至小順序依次為：EP3、DOX、669、OXA、692；EP3、669和DOX作為稀釋劑時膠粘劑試樣的附著力都為2級，669和692作為稀釋劑時膠粘劑試樣的沖擊強度高于 100J/cm² 。

2.4不同稀釋劑類型的膠粘劑試樣的吸濕性能

由圖1可知，EP3、669、692、OXA、DOX作為稀釋劑的膠粘劑的吸水率會隨著時間延長而逐漸增大；但在相同時間內，不同稀釋劑的膠粘劑的吸水率不同，吸水率從高至低順序依次為0XA、669、EP3、692、DOX，這主要是因為吸水率最高的OXA是單官能度活性稀釋劑，在加入膠粘劑中會造成體系的膠粘密度降低，且自身結構中羥基基團的存在也會一定程度提升吸水率[16-17]。從凝膠含量和固化收縮率測試結果可知，當以EP3作為稀釋劑的膠粘劑試樣的凝膠含量和固化收縮率分別為82. 53% 和7.20% ；當以669作為稀釋劑的膠粘劑試樣的凝膠含量和固化收縮率分別為 87.58% 和 5.84% ；當以692作為稀釋劑的膠粘劑試樣的凝膠含量和固化收縮率分別為 94.12% 和 4.32% ；當以OXA作為稀釋劑的膠粘劑試樣的凝膠含量和固化收縮率分別為97.17% 和 3.45% ；當以DOX作為稀釋劑的膠粘劑試樣的凝膠含量和固化收縮率分別為 88.25% 和7.01% 。可見，凝膠含量從大至小順序依次為：OXA、692、DOX、669、EP3，固化收縮率從大至小順序依次為：EP3、DOX、669、692、OXA，這主要與膠粘劑中稀釋劑不同而造成固化時內應力差異有關[18-19] 。

2.5不同稀釋劑對膠粘劑試樣熱機械性能的影響

表4中列出了相應的玻璃化轉變溫度、儲能模量和交聯密度測試結果。

由表4可知，EP3、669、692、OXA、DOX作為稀釋劑的膠粘劑的玻璃化轉變溫度分別為74.54、90.15、74.41、95.12和 92.64⁹²C ，玻璃化轉變溫度從大至小順序依次為：OXA、DOX、669、EP3、692。0℃時EP3、669、692、OXA、DOX作為稀釋劑的膠粘劑的儲能模量分別為 2 279.62，1 941.66.2 007.34 、1475.25和 1957.71MPa;30⁹ C時EP3、669、692、OXA、DOX作為稀釋劑的膠粘劑的儲能模量分別為16.64，20.97，10.40，6.74 和 11.29MPa ，高溫下膠粘劑的儲能模量有不同程度減小。從交聯密度測試結果看，EP3、669、692、OXA、DOX作為稀釋劑的膠粘劑的交聯密度分別為 1.87×10^-3，2.24×10^-3 、1.20×10^-3，0.78×10^-3 和 1.24×10^-3mol/cm ，交聯密度從大至小順序依次為：669、EP3、DOX、692、OXA。以EP3和692作為稀釋劑的膠粘劑的玻璃化轉變溫度和交聯密度要低于以669作為稀釋劑的膠粘劑，這主要是因為后者結構中含有更多的醚鍵，在形成固化物時會結合得更加緊密，在增加交聯密度的同時會具有更高的玻璃化轉變溫度[20]

3結語

（1）城市軌道交通供電設備中稀釋劑類型對膠粘劑的表觀性能會造成重大影響，當膠粘劑中以669、692和OXA作為稀釋劑時具有較好的表觀性能，ECC作為稀釋劑時凝膠時間最短；

（2）城市軌道交通供電設備用膠粘劑試樣最終粘接強度從大至小順序依次為：EP3、OXA、669、692，但是OXA作為稀釋劑時膠粘劑試樣的粘接定型時間太長（ ?30min ）。EP3、669、692和DOX作為稀釋劑時膠粘劑試樣的鉛筆硬度都為2H，邵氏硬度從大至小順序依次為：EP3、DOX、669、OXA、692。EP3、669和DOX作為稀釋劑時膠粘劑試樣的附著力都為2級。669和692作為稀釋劑時膠粘劑試樣的沖擊強度高于 100J/cm² ：

（3）城市軌道交通供電設備中不同稀釋劑的膠粘劑的吸水率不同，吸水率從高至低順序依次為：OXA、669、EP3、692、DOX;凝膠含量從大至小順序依次為：OXA、692、DOX、669、EP3；固化收縮率從大至小順序依次為：EP3、DOX、669、692、OXA。以EP3和692作為稀釋劑的膠粘劑的玻璃化轉變溫度和交聯密度要低于以669作為稀釋劑的膠粘劑。

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