城轨车辆用胶粘剂性能的影响因素研究

介艳良，郝 磊，闫树军，赵翔彦，张学礼

（西安交通工程学院，陕西 西安 710300）

城轨车辆是牵引或推送铁路车辆运行的机车，在实际使用过程中需要采用胶粘剂进行胶接接头的连接，而由于城轨车辆工作环境的特殊要求，所使用的胶粘剂需要具有低收缩率和低热膨胀系数等特点[1-2]，但是目前市场上常见的固化胶粘剂在使用过程中通常出现由于热膨胀系数较大而产生溢胶、错位等问题，严重影响城轨车辆的使用寿命和工作稳定性[3-5]。在此基础上，本文拟通过加入光引发剂、填料等手段考察胶粘剂的剪切强度和热膨胀系数等特性，以期为城轨车辆用胶粘剂的开发与应用提供参考，并具有重要的现实意义。

1 试验材料与方法

1.1 试验原料

UVR-6110型脂环族环氧树脂，工业级，美国DOW公司；活性稀释剂乙烯基二乙二醇醚，工业级，湖北源梦生物科技有限公司；三氟化硼-单乙胺络合物热固化剂，工业级，东营合益化工有限公司；261光引发剂， 德国良制化学(中国)有限公司；Darocur 1173光引发剂、Irgacure 819光引发剂、TPO光引发剂，德国巴斯夫公司；活性硅微粉填料，桐柏宏伟矿业有限公司；白炭黑增稠剂，工业级，山东赛立科新材料有限公司；Stabilizer稳定剂，自制。

1.2 仪器与设备

IQ3型流变仪，美国TA公司；LX-D型邵氏硬度计，上海奕纵精密仪器有限公司；YRWT-M200型微机控制电子万能试验机，济南力华测试系统有限公司。

1.3 试样制备

将98份脂环族环氧树脂、20份乙烯基二乙二醇醚、光引发剂（未注明时为10份）、4份三氟化硼-单乙胺络合物、活性硅微粉（填料，添加量为0～50%）、白炭黑（8份）和自制Stabilizer稳定剂混合均匀后制成城轨车辆用胶粘剂[6]。

1.4 测试与表征

（1）表干性测试：记录不同光照条件下表层产生固化膜的时间。

（2）粘度：将胶粘剂试样置于25℃培养箱中，采用IQ3型流变仪进行粘度测试，剪切速率为5s-1。

（3）固化时间：记录用指甲轻扣胶层无脱落的时间；

（4）邵氏硬度：根据GB/T 2411-2008《塑料和硬橡胶 使用硬度计测定压痕硬度》测试邵氏硬度。

（5）剪切强度：根据GB/T 7124-2008《胶粘剂拉伸剪切强度的测定》测试剪切强度。

2 试验结果与分析

2.1 稀释剂占比

表1为稀释剂占比对城轨车辆胶接接头用胶粘剂粘度、剪切强度和固化时间的影响。可见，当稀释剂占比为4%时，胶粘剂粘度、剪切强度和固化时间分别为36602mPa·s、14.15MPa和20s；随着稀释剂占比逐渐增加至24%，胶粘剂的粘度呈现逐渐降低的趋势，剪切强度先增加而后减小，在稀释剂占比为20%时取得剪切强度最大值；从固化时间来看，稀释剂占比为20%和24%时，胶粘剂的固化时间为15s。究其原因，这主要是因为随着稀释剂占比的增加，胶粘剂中分子运动阻力变小，所形成的固化物交联密度会增大[7]、剪切强度随之增加，而如果稀释剂占比增加过大，胶粘剂的粘度会过分下降，形成的固化物交联密度也会降低，剪切强度随之减小，如稀释剂占比为24%时，剪切强度急剧下降至14.87MPa。整体而言，当稀释剂占比为20%时，胶粘剂可以取得较高的粘度的同时，具有较短的固化时间和最大的剪切强度，为适宜的稀释剂添加量。

表1 稀释剂占比对胶粘剂粘度、剪切强度和固化时间的影响Table 1 Effect of diluent ratio on viscosity, shear strength and curing time of adhesive

2.2 光引发剂

表2为光引发剂种类对胶粘剂表干性和贮存时间的影响，分别列出了不同光引发剂复配对胶粘剂在汞灯和LED灯下的表干性，以及贮存时间的影响。当光引发剂复配体系为 Irgacure 261/ Irgacure 819时，汞灯和LED灯下的表干性分别为基本固化和未完全固化； 当光引发剂复配体系为 Darocur 1173/ Irgacure 819时，汞灯和LED灯下的表干性分别为未完全固化和未固化； 当光引发剂复配体系为 TPO/ Irgacure 819时，汞灯和LED灯下的表干性分别为完全固化和即将固化。由此可见，在LED下，光引发剂复配体系为Irgacure 261/ Irgacure 819的固化速度较快，而汞灯下光引发剂复配体系为TPO/ Irgacure 819时固化速度较快，但是Irgacure 261/ Irgacure 819和TPO/ Irgacure 819光引发剂复配体系的贮存时间分别为14天和5天，可见，Irgacure 261/ Irgacure 819光引发剂复配体系具有明显更长的贮存时间。因此，选用Irgacure 261/ Irgacure 819为适宜的光引发剂复配体系。

表2 光引发剂种类对胶粘剂表干性和贮存时间的影响Table 2 Eff ects of photoinitiators on surface dryness and storage time of adhesives

图1为不同光引发剂含量时胶粘剂的固化时间曲线。可见，在光引发剂含量为1%时，固化时间为70s；随着光引发剂含量从1%增加至6%，胶粘剂的固化时间呈现逐渐下降的趋势，在光引发剂含量为6%时，胶粘剂的固化时间约为35s。此外，值得注意的是，当光引发剂含量增加至4%及以上时，继续增加光引发剂含量不会对胶粘剂的固化时间造成明显下降，但是过多的光引发剂含量会使得固化物的机械性能降低[8]。因此，综合而言，光引发剂含量4%为适宜的添加量，此时胶粘剂具有较短的固化时间。

图1 不同光引发剂含量时胶粘剂的固化时间曲线Fig.1 Curing time curve of adhesive with different photoinitiator content

2.3 填料

图2 为不同填料含量时胶粘剂的硬度曲线和剪切强度曲线。当填料含量为0%时，胶粘剂的硬度约为62D，而随着填料含量逐渐增加，胶粘剂的硬度呈现逐渐增加的趋势，在填料含量为50%时，硬度达到90D。当填料含量为0%时，胶粘剂的剪切强度约为15.6MPa，而随着填料含量逐渐增加，胶粘剂的剪切强度呈现先增加后减小的趋势，在填料含量为30%时取得剪切强度最大值（约21.4MPa）。究其原因，这主要是因为填料的添加可以填充胶粘剂试样中的结构间隙，胶粘剂分子间作用力增强使得硬度增加，但是过多的填料会使得树脂不能完全被包裹住而造成局部团聚现象，胶粘剂的剪切强度反而会降低[9]。因此，适宜的填料添加量为30%。

图2 不同填料含量胶粘剂的硬度曲线和剪切强度曲线Fig.2 Hardness curve and shear strength curve of adhesive with different filler content

图3 为不同填料含量胶粘剂的热机械性能曲线，表3中同时列出了不同填料含量胶粘剂的伸长量测试结果。当填料为0%时，35℃和50℃时胶粘剂的伸长量分别为4.71μm和13.08μm，这一温度段的热膨胀系数为115.52×10-6/℃；90℃和115℃时胶粘剂的伸长量分别为42.41μm和63.98μm，这一温度段的热膨胀系数为178.39×10-6/℃。在35℃和50℃温度段，随着填料含量的增加，伸长量呈现先增加后减小，而后又继续增加的趋势，在填料含量为20%时取得最佳的伸长量，此时热膨胀系数为113.88×10-6/℃。在90℃和115℃温度段，随着填料含量的增加，伸长量呈现先减小后增大特征，填料含量为20%时的伸长量高于填料含量30%～50%试样。添加填料有助于减小热膨胀系数，这主要是因为填料的加入可以分散至树脂大分子间隙中[10]，提升束缚力并降低热膨胀系数，但是过多的填料会产生局部发生团聚而无法包裹的现象[11]，胶粘剂中会出现相分离并造成热膨胀系数升高。此外，当填料含量为30%时，35℃和50℃温度段，以及90℃和115℃温度段的热膨胀系数都为最低，分别为83.19×10-6/℃和132.14×10-6/℃，小于市场上同类产品（低温段为150×10-6/℃、高温段为180×10-6/℃[12]），表明填料含量为30%时获得的胶粘剂产品的受热尺寸稳定性优于同类产品。

图3 不同填料含量胶粘剂的热机械性能曲线Fig.3 Thermomechanical properties of adhesives with different filler contents

表3 不同填料含量胶粘剂的热机械性能测试结果Table 3 Test results of thermal mechanical properties of adhesives with different filler contents

3 结论

（1）当稀释剂占比为4%时，胶粘剂粘度、剪切强度和固化时间分别为36602mPa·s、14.15MPa和20s；随着稀释剂占比逐渐增加至24%，胶粘剂的粘度呈现逐渐降低的趋势，剪切强度先增加而后减小，在稀释剂占比为20%时取得剪切强度最大值；从固化时间来看，稀释剂占比为20%和24%时，胶粘剂的固化时间为15s。当稀释剂占比为20%时，胶粘剂可以取得较高的粘度的同时，具有较短的固化时间和最大的剪切强度。

（2）当光引发剂含量增加至4%及以上时，继续增加光引发剂含量不会对胶粘剂的固化时间造成明显下降，但是过多的光引发剂含量会使得固化物的机械性能降低。

（3）随着填料含量逐渐增加，胶粘剂的剪切强度呈现先增加后减小的趋势，在填料含量为30%时取得剪切强度最大值（约21.4MPa）。填料含量为30%时获得的胶粘剂产品的受热尺寸稳定性优于同类产品。