高速动车组地板支撑粘接用胶研究与开发

潘乐 石守东

摘要：从国外的实际经验和木材与聚氨酯胶粘剂粘接机理出发，介绍了高速动车组地板支撑粘接用胶的选型思路和技术要求。

关键词：高速动车组；地板粘接；胶粘剂

为满足高速动车组运营时的舒适度，高速动车组地板普遍采用浮筑式地板结构，它由3大部件组成：地板支撑、地板和地板布。其中地板支撑起支撑地板的重要功能，是整个地板安装的基础，它粘接在铝合金车体底架上。影响地板支撑粘接强度的主要因素是胶粘剂的类型，因此有必要对胶粘剂的选型进行深入研究。

1 CRH3型高速动车组地板结构简介

CRH3型高速动车组地板支撑使用进口优质桃花芯木加工而成，质地坚硬，长度从80 mm到1 800 mm不等。采用木质地板支撑有以下优点：木材密度小，质量轻，可以减轻地板的整体质量；木材调整方便，易进行刨平，切割，钻孔等加工；干燥的木材不导电，与金属连接没有电位差，不腐蚀金属；木材与其他材料连接工艺简单，可以使用胶粘接、螺栓、钉子等连接。本例中就使用粘接方式安装地板支撑。

2 地板支撑用胶选型分析

木材粘接常用的胶粘剂有脲醛树脂，酚醛树脂和乙酸-醋酸乙烯酯乳液等胶粘剂，但这些胶粘剂性能均不能满足地板支撑的粘接要求。脲醛树脂、酚醛树脂含有甲醛，在使用过程中持续挥发，对环境影响较大；而乙酸-醋酸乙烯酯乳液硬度小，强度过低。在欧洲等发达国家，广泛使用无溶剂反应型聚氨酯胶粘剂，但进口胶粘剂存在着成本较高，运输周期长，货源紧张等缺点，亟需开发国产化的低成本无溶剂反应型聚氨酯胶粘剂。

本文先对地板支撑—聚氨酯胶粘剂之间的粘接机理进行了分析，又对地板支撑粘接用胶性能要求进行了解析，然后联合湖北回天新材料公司开发了阻燃、环保、综合性能优异的地板支撑粘接用双组分聚氨酯胶粘剂，经过小样实验，第3方检验后，该胶粘剂获得批准进行装车实验。

3 木材-胶粘接界面粘接机理分析

木材与聚氨酯胶粘剂之间的粘接力主要来源于机械作用力和化学键力。

3.1 机械作用力

机械作用力，又称机械互锁作用，本质是摩擦力，类似于钉键作用、勾键作用、根腱作用、榫键作用[1]。赵殊[2]等人针对机械互锁作用对聚氨酯胶粘剂-木材粘接强度的影响进行深入了研究，他们利用的实验基材为PE板，这种板与聚氨酯胶粘剂不发生化学反应、不能形成氢键、表面酸常数Ka和表面碱常数Kb均为0，PE板与聚氨酯胶粘剂也没有界面酸碱作用。用不同粗糙度的砂纸打磨PE板以形成深度，宽度不同的沟槽，结果表明在其他条件相同的条件下，随着PE板表面粗糙度的增加，剪切强度增加。木材是一种多孔性材料，微观下木材的表面具有细长的沟槽[3]。这一点为机械作用力的形成提供了基础。

3.2 化学键力

化学键包括离子键，共价键及金属键，这里说的化学键主要是共价键。共价键力即2个原子之间通过共用电子对连接的作用力，共价键的键能可达63～712 kJ/mol。共价键的形成需要胶粘剂和基材上都有适合反应的基团，而木材的主要成分是纤维素，半纤维素及木质素[3]。纤维素的化学结构是由D-吡喃葡萄糖环彼此以β-1，4-糖苷键以C1椅式构象联接而成的线形高分子，纤维素分子的每个葡萄糖基环上均有3个羟基[4，5]。这些羟基可以与聚氨酯胶粘剂中的—NCO键基团反应，形成—NCOOH键。这样通过形成共价键，聚氨酯胶粘剂与木材表面的粘接强度在机械作用力的基础上大大提高。

4 地板支撑粘接胶性能要求分析

4.1 符合高速动车组总体技术规范要求

根据CRH3型高速动车组总体技术规范的规定，首先所有非金属材料必须具有良好的阻燃性能并通过《DIN 5510-2-2009 铁路车辆中的预防性防火第2 部分：材料和构件的燃烧特性和燃烧并发现象——分类、要求和检验方法》标准的防火性能测试；其次环保性能需满足《TB/T 3139 机车车辆内装材料及室内空气有害物质限量》要求。

4.2 强度要求

高速动车组运营时，地板支撑承受的载荷主要有以下几种：

（1）地板上方的旅客，行李等的重力；

（2）车辆加速，减速时作用在地板支撑上的剪切力。

上述载荷要求对粘接接头的剪切强度、胶粘剂固化后的粘接强度、本体的拉伸强度、硬度提出了要求。粘接接头由木质的地板支撑、胶粘剂和铝合金地板组成，当接头破坏类型为木质地板支撑破坏时可以得到最大的粘接强度，此时的剪切强度必须达到3.5 MPa以上，胶粘剂本体强度的最低要求为7 MPa。动车组地板设计要求满员时，地板整体的下沉量不得超过2 mm，结合以往的经验，胶粘剂本体的邵A硬度不能小于80。

4.3 工艺性能要求

工艺性能要求主要体现在适用期、黏度以及触变性方面。

生产现场施工时，首先将搅拌好的胶粘剂使用一次性裱花袋进行分装，然后手持裱花袋将胶粘剂挤到铝合金车体上。通过对实际生产调研发现，适合生产要求的胶粘剂适用期为25～55 min，既能满足生产节奏的要求，不至于造成浪费，同时保持生产效率，不因胶粘剂固化速度影响到下一道工序的施工；黏度方面，主要表现为产品的挤出性，由于是手工施胶，要求产品从裱花袋中挤出顺畅；产品是粘接条形木块，要求产品有合适的触变性能，胶粘剂在自然状态下堆积5 mm高不流淌，能稳定保持形状。

5 国产地板支撑粘接胶开发

根据上述技术要求，唐山轨道客车有限公司联合湖北回天新材料公司开发了一种阻燃、环保、综合性能优异的木材粘接用双组分聚氨酯胶粘剂。在实验室进行的小样实验中，该胶粘剂完全满足工艺及技术要求。为了充分验证该胶粘剂的综合性能，选择了一节高速动车组的地板支撑进行实验。在整车级的实验中，检验标准为将粘接完好的地板支撑进行破坏性拆除，破坏发生在地板支撑则合格，最终该胶粘剂顺利通过了检验。

6 结语

上述实验车出厂后将定期对该胶粘剂的应用性能进行跟踪监测。胶粘剂随车上线运营后的性能表现将最终决定该其是否符合高速动车组地板支撑粘接需要。

参考文献

[1]李玉学，蔡永源，周振丰，等.胶粘剂制备及应用[M].天津：天津科学技术出版社，1984.

[2]赵殊.聚氨酯胶粘剂对木材胶接机理研究I——机械互锁作用对粘接强度的影响[J].粘接，2007，29（4）：13-15.

[3]唐星华.木材用胶粘剂[M].北京：化学工业出版社，2002.

[4]高洁，汤列贵.纤维素科学[M].北京：科学出版社，1996.

[5]Han J S，Rowell J S.Chemical Composition of Fibers，in Paper and Composites from Agro-Based Resources.London：CRC Press，1996：83-134.