轨道车辆用聚氨酯胶黏剂防火测试方法探讨

李人哲 钟源 窦阿波 郭演义

(1.中车株洲电力机车有限公司 大功率交流传动电力机车系统集成国家重点实验室 湖南株洲 412001) (2.华测检测认证集团股份有限公司 广东深圳 518133)

轨道交通车辆以快速、安全、准点、节能、环保和舒适的优势成为人们日常出行的首选。在运行中,最主要的危险是列车颠覆及失火[1],因此轨道交通的防火安全是一项极为重要的性能指标。根据GB/T 21562—2008《轨道交通可靠性、可用性、可维修性和安全性规范及示例》[2],需要更早地评估其安全风险,在设计时应考虑符合安全完整性等级(Safety Integrity Level,SIL)要求[3]。欧盟法令TSI(Technical Specification for Interoperability)规定各欧盟成员国的轨道交通车辆必须实现互通,提出的FIRST(火焰蔓延性、可燃性/点燃性、热释放速率、产烟浓度、烟气毒性)概念是车辆防火设计目前最为先进、全面和最具有代表性的理念[4]。在欧盟国家,EN 45545系列防火标准已经广泛应用于轨道交通领域,我国在相关领域也发布了一系列阻燃标准。但在实际应用中,特别是在轨道车辆应用部位较多的弹性聚氨酯(PU)胶黏剂,其制样和测试方面都没有统一的规范,导致在质量验收过程存在较多困难。

本研究重点分析聚氨酯胶黏剂在不同应用场合下的防火测试、制样要求和同一种产品的替代关系,为轨道车辆用聚氨酯胶黏剂的防火设计和测试提供依据。

1 欧盟标准和中国标准内容解读

由英国BS 6853、德国DIN 5510、法国NF F16-101和意大利UNICEI 11170等标准[5]逐步统一所形成的欧洲轨道车辆防火阻燃标准EN 45545,防火等级要求从HL1至HL3逐步升高;根据PU胶黏剂产品不同使用位置及使用量,将产品防火管控要求细分成26类要求(R1～R26);结合火灾发生时的现象,重点关注火焰传播、可燃性、热释放速率、烟雾释放和气体毒性这5类项目。国内发布了轨道交通相关的系列标准TB/T 2640—1995《铁道客车防火保护的结构设计》、GB 6771—2000《电力机车防火和消防措施的规程》、TB/T 3237—2010《动车组用内装材料阻燃技术条件》、CJ/T 416—2012《城市轨道交通车辆防火要求》、TB/T 3138—2018《机车车辆用材料阻燃技术要求》和Q/CR 699—2019《铁路客车非金属材料阻燃技术条件》等,以上标准等同参考国内相关国标和行标,并结合UIC617-1:1979、UIC 564-2:1991、DIN 5510系列、NF F 16-101: 1988和EN 45545等系列标准。中国和欧盟铁路机车的阻燃要求对比情况见表1[4,6-8],聚氨酯胶黏剂的阻燃测试也需按照同样的要求进行。

2 典型的聚氨酯胶黏剂应用场合和制样方法

聚氨酯材料用途广泛,而胶黏剂是其较为重要的应用领域之一[9]。胶黏剂可以牢固粘接轻量化材料以及传统材料(如钢或铝),形成的连接可承受高负荷[10]。聚氨酯胶黏剂在密封和粘接方面优异的特性很好地满足轨道车辆对减震、降噪、密封等特殊要求,提高了车辆的舒适性和安全性。比如较高模量的单组分湿气固化聚氨酯密封胶除具有良好的粘接强度和冲击强度外,还具有耐老化、耐低温、耐疲劳、耐水和耐油等特点,它使用方便,粘接强度高,堆积性好[11]。同时单组分湿固化聚氨酯密封剂可应用在空气动力负荷较高的区域,其抗紫外线照射、抗风化和抗化学清洁剂的能力强,十分耐用。聚氨酯胶黏剂具有可用于大面积连接、阻尼降噪、避免不同金属间电化学腐蚀、弥补部件公差等优越性,所以它们在轨道车辆制造中发挥着重要作用。

表1 欧盟和国内防火标准使用范围及规定要求

聚氨酯胶黏剂产品主要用于轨道车辆的司机室头罩、前窗、侧窗和地板[12-14]等部位,具体示例见图1(A和B分别表示不同的基材)。其中,a～d分别为头罩安装(头罩与车体之间密封和粘接)、前窗安装(前窗玻璃和头罩密封和粘接)、侧窗安装(侧窗玻璃与窗框、车体密封和粘接)和铝蜂窝地板安装(铝蜂窝地板与车体地板之间的密封)。

图1 聚氨酯胶黏剂典型应用场合

阻燃(防火)和环保是目前轨道车辆用材料发展的趋势,提高防火性能的同时要兼顾环保性,选择使用更为环保的无机阻燃剂势必会导致粘接性能和弹性载荷等性能的下降。为了应对此问题,在应用中原来粘接和密封一体化的聚氨酯胶逐步发展为粘接用胶和密封用胶。粘接用胶主要考虑保持很好的粘接性能,相比密封用胶防火性能偏低。密封层侧重保证优良的防火性能,相比粘接用胶粘接强度等力学性能偏低。

结合欧盟和中国标准,针对轨道交通车辆材料的防火测试项目主要包括45°角燃烧、火焰传播、热释放、氧指数、烟密度和烟毒性等。聚氨酯胶黏剂产品防火测试用样件制作没有统一的标准和规范,通常都是在符合标准分类的条件下,模拟实际使用条件来制作样件。样件制作时须要考虑如下方面:聚氨酯胶黏剂是否存在暴露面、暴露面面积多少、聚氨酯胶黏剂质量、粘接和密封的位置、与其他产品接触情况[14-15]。不同应用场合下的聚氨酯胶黏剂样件6种制作方式归纳见表2。

根据表2中的6种样件,对轨道交通防火设计和阻燃性测试结果进行总结,得出以下结论:(1)符合高等级测试结果的通常涵盖低等级要求;(2)采用裸胶样件进行测试,符合阻燃标准要求的极少;(3)符合单面涂胶样件的较夹层、半夹、T型结构样件阻燃结果更优;(4)符合T型结构样件的较夹层、半夹结构样件的阻燃结果更优。

结合阻燃测试方法更细致的EN 45545-2标准为例进行分类整理,对应的应用场合分别为内部产品、外部产品、家具产品、电子部件和机械部件。按是否暴露、暴露面积、产品质量、产品位置、与其他产品接触情况等分为26类要求(R1～R26),聚氨酯胶黏剂的样件制作情况归纳见表3。

表2 聚氨酯胶黏剂6种典型应用部位的制样方式

可以看出,用于密封的聚氨酯胶黏剂暴露在火源风险更高的位置,所以在选择样件的时候都选择暴露面积较大的样件方式,而用于粘接的聚氨酯胶黏剂多选择位于夹层和半夹层结构。

轨道车辆使用的各类粘接接头形式是固定的,根据图1和表3可以准确得到样件的测试验证方案,但同款产品却可能会使用在不同的应用场合。如果按不同厚度和应用场合完成验证和检测,会耗时耗力且不经济。本研究根据标准和实际测试情况,整理出如下关系:(1)满足较高等级场合可以替代较低等级场合;(2)满足完全暴露场合可替代相同类别和等级的非完全暴露场合;(3)相同类别和场合时,涂覆厚度为X和Y(X

表3 防火标准典型样件制作的示例

3 结束语

轨道车内空间相对封闭,特别是无固定逃生区域的隧道和高架,在火灾发生时危害程度很大。另外，无人驾驶的自动车辆、双层车辆和卧铺车辆在发生火灾后的危害更严重[16]。

通过解读列车防火等级、测试要求和方法,针对在防火测试中的样件制作和测试方案尚未统一规范解读而导致的风险,明确了轨道车辆用聚氨酯胶黏剂在不同应用场合下的制样要求和防火测试要求,认为聚氨酯胶黏剂测试与暴露面积、质量、使用位置、接触产品、几何尺寸直接相关;并通过测试数据确认同一种产品在不同应用场合下的替代关系,为同一产品在多种应用场合下的设计和测试,以及选取和考察评估较优方案提供支撑。