用于钢轨焊接接头补强的环氧类胶粘剂研制与应用

2021-04-22赵升龙刘清方

现代城市轨道交通 2021年4期

赵升龙，刘清方，梁滨

（中国航发北京航空材料研究院，北京 100095）

1 前言

环氧树脂胶粘剂因具有优异的粘接性、化学稳定性、机械强度等特性，在结构胶粘剂领域占有重要的位置，在各行业发挥着重要作用。聚氨酯是指分子中含有一定数量的氨基甲酸酯基团的化合物，是一类性能优异的高分子材料，用聚氨酯改性环氧树脂可在一定程度上提高胶粘剂的抗冲击强度，改善剥离强度低、易开裂等缺陷，从而获得既有一定韧性又有较高强度的结构胶粘剂[3-8]。

为满足轨道交通部门的需求，以聚氨酯改性环氧树脂为双组分胶粘剂的甲组分，通过试验选择带苯环的改性脂肪胺和促进剂为乙组分,最终研制成一种可室温固化的高强度结构胶粘剂SY-TG3[9-11]。

图1 胶接补强的焊接接头示意图

2 实验原材料、试样及测试内容

2.1 原材料

实验原材料为环氧树脂E-51，蓝星；聚氨酯类改性剂P1，自制；胺类固化体系，自配；填料，市售。

2.2 胶接试样的制备

（1）剪切试样。被粘物为5 mm厚工具钢，或1.6 mm厚进口2024T3铝合金，或2 mm 厚国产2A12铝合金；钢试样表面经喷砂处理，铝合金表面经磷酸阳极化处理。

（2）浮辊剥离试样。被粘物薄试片为0.5 mm的进口2024T3（或国产2A12）铝合金，厚试片为1.6 mm厚进口2024T3（或2 mm 厚国产2A12）铝合金；铝合金表面经磷酸阳极化处理。

（3）固化条件。为25 ℃固化7天或60 ℃固化2 h。

2.3 测试内容

（1）剪切性能。按GB 7124-1986 《胶粘剂拉伸剪切强度测定方法（金属对金属）》测试。

稳定性提高：由一个环路化成三个环路，三个环路独立运行互不干扰，末端的变化不会影响到主机（传统的一个环路末端变化一定会影响到主机，三个小环的末端变化影响到主机的概率变小。）。

（2）剥离性能。按GB/T 7122-1996《高强度胶粘剂剥离强度的测定浮辊法》测试。

（3）适用期。按GB 7123-1986《胶粘剂适用期的测定方法》测试。

3 实验分析

3.1 聚氨酯用量对胶粘剂性能的影响

3.1.1 聚氨酯用量对胶粘剂粘度的影响

环氧树脂胶粘剂改性效果与改性剂的用量有很大的关系，配方研究中主要研究了聚氨酯改性剂用量对胶粘剂的粘度和胶接性能的影响，图2列出了20 ℃、23 ℃和25 ℃ 3种不同温度下胶粘剂的粘度随聚氨酯改性剂用量变化的曲线。

从图2中可见，随着聚氨酯改性剂用量的增加，胶粘剂的粘度逐渐增加，以20 ℃时的粘度为例，胶粘剂的粘度在改性剂含量为0时较小，而在聚氨酯含量为30%时则增加到1 600 Pa · s，此时搅拌和涂胶已很困难；此外，同一配方的胶粘剂随着温度升高粘度下降，这符合高分子材料的流变特性。

图2 聚氨酯改性剂含量与环氧胶粘剂的粘度关系

3.1.2 聚氨酯用量对胶粘剂力学性能的影响

不增韧的环氧树脂胶粘剂一般较脆，不能收获好的力学性能，但也不是改性剂的加入量越多胶粘剂的力学性能就越高，需要通过力学性能试验找到合适的加入量。表1列出了胶粘剂的力学性能随聚氨酯改性剂含量的变化值。

从表1可以看出，未加聚氨酯改性剂时，胶粘剂的剪切强度和剥离强度都很低，不能满足使用要求。随着聚氨酯改性剂用量增加，胶粘剂的胶接性能逐渐提高，而胶粘剂的浮辊剥离强度在聚氨酯用量为30%时较用量为25%时有所下降，聚氨酯用量为25%时胶粘剂的剪切强度和剥离强度最佳。结合图2胶粘剂粘度变化分析，聚氨酯用量为25%时胶粘剂的粘度适中，配制的胶粘剂具有一定的流动性，涂抹胶粘剂时既能流动浸润被粘物表面，也不会造成严重的流淌现象，以致于造成胶层缺胶。因此，最终配方确定聚氨酯改性剂用量为25%，命名为SY-TG3胶粘剂[12-15]。

表1 不同聚氨酯用量的环氧树脂胶粘剂胶接性能

3.2 操作温度对SY-TG3胶粘剂适用期的影响

双组分胶粘剂配制混合后经一段时间开始凝胶，此时无法进行胶接操作，胶粘剂从混合到凝胶的这段时间称为适用期。本实验配制了100 g SYTG3胶粘剂，在20 ℃下测试其凝胶时间为30 min，说明20 ℃下有30 min的操作适用期。

使用流变仪在不同温度下测试粘度随时间变化的曲线如图3所示。可以看出，温度越高胶粘剂粘度随时间增加就越快，胶粘剂的凝胶时间就越短，胶粘剂的适用期也越短。

3.3 不同固化条件对 SY-TG3 胶粘剂力学性能的影响

用于轨道交通钢轨伤损修复的胶粘剂要求既可在常温不加热环境固化，也可加温快速固化，以满足不同现场条件的使用要求。表2列出了SY-TG3胶粘剂在固化温度20 ℃条件下固化1天、3天、7天和60 ℃条件下固化1 h、2 h后的力学性能。

从表2可见，经固化温度20 ℃固化1天SY-TG3胶粘剂胶接性能较低，经20 ℃固化3天与固化7天的性能基本一致；提高固化温度至60 ℃时，经2 h固化后，与20 ℃固化相比，胶粘剂的剪切强度和剥离强度都较高，这是由于加温固化使胶粘剂的交联密度更高，固化更完全；20 ℃固化和60 ℃固化2种工艺固化后的SY-TG3胶粘剂都具有较高的剪切强度和剥离强度，说明SY-TG3胶粘剂既适合常温不加热环境固化，也可加温快速固化。

3.4 不同测试温度对 SY-TG3胶粘剂力学性能的影响

钢轨通常暴露在野外，其焊缝应能适用于严冬季节的北方和盛夏季节的南方，即应能在-55～70 ℃ 的温度范围使用。表3列出不同温度下SY-TG3胶粘剂的胶接性能。

图3 不同温度下SY-TG3胶粘剂粘度-时间曲线

从表3中可以看出，-55 ℃和70 ℃测试的剥离强度比23 ℃测试的剥离性能低；-55 ℃测试的剪切强度比23 ℃测试的剪切强度更高；70 ℃测试的剪切强度同23 ℃测试的剪切强度相比有比较明显的下降，但仍然可达18.7 MPa，满足结构胶接的强度要求。分析表明，SY-TG3胶粘剂可在-55～70 ℃ 的温度范围使用。

3.5 不同老化条件对 SY-TG3 胶粘剂力学性能的影响

将用SY-TG3胶粘剂胶接的剪切试样和剥离试样放入人工海水和润滑油2种介质中，室温浸泡1个月，以及在55 ℃、相对湿度100%条件下湿热老化1个月，然后测试其性能，结果列于表4中。

从表4可见，用SY-TG3胶粘剂制备的胶接试样在不同条件老化后性能都有所下降，湿热老化后的性能下降最大，润滑油浸泡后的性能下降程度较小；但湿热老化后的剪切强度仍达到29.2 MPa，剥离强度达到5.07 kN/m，满足结构胶接的要求，表明SY-TG3胶粘剂具有较好的的耐介质性能和耐湿热老化性能。

表2 SY-TG3胶粘剂在不同条件固化后的力学性能

表3 SY-TG3胶粘剂在不同温度下胶接性能

表4 SY-TG3胶接试样在不同条件中老化1个月后胶接性能

3.6 贮存时间对 SY-TG3 胶粘剂力学性能的影响

将SY-TG3胶粘剂在经过一段时间常温贮存后，进行常温剪切强度的测试，结果列于表5。从表5可见，该胶粘剂在常温下贮存1年前后的剪切强度变化不大，说明该胶粘剂在常温至少具有1年的贮存期。

表5 SY-TG3胶粘剂室温贮存1年前后的剪切强度 MPa

4 用 SY-TG3 胶粘剂补强的焊接接头整体剪切和弯曲疲劳检验

采用SY-TG3胶粘剂在工厂条件下制成预防钢轨焊缝断裂的补强焊接接头，图4为其中1个正在固化过程中的补强钢轨焊接接头。将其分别送到中国铁道科学研究院集团有限公司金化所和国家铁路产品监督检验中心铁道建筑检验站进行弯曲疲劳检验和整体剪切检验。弯曲疲劳检验参照TB/T 3066-2002《异型钢轨技术条件》技术要求进行，结果见表 6。整体剪切检验参照TB/T 2975-2018《胶接绝缘钢轨技术条件》进行，结果见表7[16-17]。

从表6可见，采用SY-TG3胶粘剂补强的钢轨焊接接头经252万次疲劳后钢轨及粘接鱼尾夹板均未出现断裂或开裂，结构完好；弯曲疲劳性能满足TB/T 3066-2002《异型钢轨技术条件》技术要求的规定。从表7可见，采用SYTG3胶粘剂补强的钢轨焊接接头整体剪切力达到了3 200 kN以上，达到了TB/T 2975-2018《胶接绝缘钢轨技术条件》规定的带螺栓固定的钢轨胶接绝缘接头的技术要求。检验结果表明，采用SY-TG3胶粘剂可以制造出满足技术标准要求的预防钢轨焊缝断裂的补强焊接接头。