朱梅奇

摘要 ：本文介紹了了膠粘劑粘接力形成和老化失效的基本原理，以及在軌道車輛選膠時(shí)對(duì)老化因素考慮的重要性。

關(guān)鍵詞 ：軌道車輛 膠粘劑 粘接力 老化 濕熱

1、前言

隨著軌道車輛技術(shù)的發(fā)展，膠粘劑和膠接技術(shù)在輕軌車、地鐵車和動(dòng)車組等軌道車輛中獲得了廣泛的應(yīng)用。越來(lái)越多的部位開(kāi)始使用膠粘劑來(lái)代替?zhèn)鹘y(tǒng)連接方式，膠粘劑用于軌道客車工業(yè)具有粘接、密封、隔熱、防漏、隔聲、緊固、減重、減振、阻尼、導(dǎo)電、灌注等功能。膠粘劑的應(yīng)用領(lǐng)域如此廣泛，其老化性能是人們普遍關(guān)心的。如今，粘接結(jié)構(gòu)在車輛結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)比例逐步增加，膠粘劑老化對(duì)車輛結(jié)構(gòu)壽命的影響也越來(lái)越大。因此，在車輛粘接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)師能了解膠粘劑的老化因素，盡量避免這些因素對(duì)粘接結(jié)構(gòu)的影響，在車輛使用安全和壽命方面具有重要意義。

2、 膠粘劑粘接力的產(chǎn)生：

想要了解膠粘劑的老化，首先要了解膠粘劑粘接力產(chǎn)生的原因。膠粘劑與被粘物表面之間通過(guò)界面相互吸引和連接作用的力稱粘接力。粘接力的來(lái)源是多種力的加和作用。

2.1 化學(xué)鍵力

化學(xué)鍵力又稱主價(jià)鍵力，存在于原子（或離子）之間?；瘜W(xué)鍵包括離子鍵、共價(jià)鍵及金屬鍵三種不同形式。離子鍵力是帶正電荷的正離子和帶負(fù)電荷的負(fù)離子之間的相互作用力。共價(jià)鍵力即兩個(gè)原子之間通過(guò)公用電子對(duì)連接的作用力。絕大多數(shù)有機(jī)化合物的分子都通過(guò)共價(jià)鍵組成。金屬鍵力是金屬正離子之間由于電子的自由運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的連接力。

2.2 分子間的作用力

分子間的作用力又稱次價(jià)鍵力。分子間作用力包括取向力、誘導(dǎo)力、色散力（以上諸力合稱范德華力）和氫鍵力。取向力即極性分子永久偶極距之間產(chǎn)生的引力。誘導(dǎo)力是指分子固有偶極距和誘導(dǎo)偶極距之間的靜電力。色散力是分子色散作用產(chǎn)生的引力，所謂色散作用，是指分子內(nèi)電子對(duì)原子核瞬間不對(duì)稱狀態(tài)。這些力的共同特點(diǎn)是隨分子距離增大而急劇下降。氫鍵作用產(chǎn)生的力稱為氫鍵力。

分子作用力是粘接力的主要來(lái)源，它廣泛存在于所有粘接體系中。因此對(duì)軌道車輛進(jìn)行粘接施工操作時(shí)，清潔粘接基材表面油脂、灰塵等雜物是非常重要的，需要加以適當(dāng)管控。尤其是在車輛段施工時(shí)，車輛經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)營(yíng)，表面油漬灰塵較難清理，需要對(duì)清潔工作的質(zhì)量要求更為嚴(yán)格。

2.3 界面靜電力

當(dāng)金屬與非金屬材料（例如高分子膠粘劑）密切接觸時(shí)，由于金屬電子的親和力低，容易失去電子；而非金屬對(duì)電子的親和力高，容易得到電子，故電子可以從金屬轉(zhuǎn)移向非金屬，使界面兩側(cè)產(chǎn)生接觸電勢(shì)，并形成雙電層產(chǎn)生靜電吸引。金屬材料的表面能相對(duì)較高，膠粘劑在金屬上粘接更容易產(chǎn)生良好的潤(rùn)濕，因此在軌道車輛設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)金屬的粘接相對(duì)效果更好。

2.4 機(jī)械作用力

從物理學(xué)的觀點(diǎn)來(lái)看，機(jī)械作用并不是產(chǎn)生粘接力的因素，而是增加粘接效果的一種方法。粘接劑是充滿被粘物表面的凸凹之處的，固化后在界面區(qū)產(chǎn)生了咬合力，這些類似于木箱邊角的嵌接，釘子與木材的結(jié)合或者樹(shù)根植入泥土的作用。機(jī)械連接力的本質(zhì)是摩擦力。

因此在軌道車輛粘接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)于那些較為光滑的基材表面（如高光面漆表面等）可以做適當(dāng)?shù)拇蚰ヌ幚恚瑥亩黾诱辰恿Α?

3、 高分子膠粘劑的老化

軌道車輛在戶外運(yùn)營(yíng)時(shí)，車輛上使用的各種膠粘劑也會(huì)暴露在各種老化介質(zhì)中，由于受內(nèi)外因素的綜合作用，使性能逐漸變壞，以致最后粘接強(qiáng)度減小，失去了粘接作用，這就是所謂的老化現(xiàn)象。

有機(jī)膠粘劑材料老化的原因，主要有內(nèi)因和外因兩種。內(nèi)因主要指：構(gòu)成高分子材料的基本成分——有機(jī)膠粘劑本身的結(jié)構(gòu)狀態(tài)（包括化學(xué)結(jié)構(gòu)和物理結(jié)構(gòu)）和高分子材料體系內(nèi)部各組分的性質(zhì)、比例等。外因是指外界的環(huán)境因素：有物理因素、化學(xué)因素和生物因素等，其中太陽(yáng)光、氧、熱、濕度等是引起各種高分子膠粘劑材料老化的重要因素。

3.1 太陽(yáng)光

軌道車輛尤其是高速動(dòng)車組在運(yùn)營(yíng)時(shí)經(jīng)常暴露在強(qiáng)烈的日光下，太陽(yáng)光中的紫外線是膠粘劑老化的主要因素，雖然到達(dá)地面的紫外線量很少，但它的光能卻很大，這個(gè)能量能夠使許多膠粘劑高聚物發(fā)生光氧化反應(yīng)。該反應(yīng)一般是在有機(jī)膠粘劑層的表面進(jìn)行，首先引發(fā)表面高聚物的老化，并隨著老化時(shí)間的推移而逐步向內(nèi)層發(fā)展。因此，在大氣環(huán)境下，有機(jī)膠粘劑受光面積的大小和單位面積上所接受的光強(qiáng)度的大小，對(duì)有機(jī)膠粘劑的老化速度有很大影響。

一般來(lái)說(shuō)，輻射到地面上的紫外線強(qiáng)度和太陽(yáng)的高速以及海拔高度有關(guān)，太陽(yáng)高速低或海拔高速高，紫外線強(qiáng)度增加。在我國(guó)高原環(huán)境下，由于太陽(yáng)輻射能較強(qiáng)，有機(jī)膠粘劑的迅速老化破壞從而構(gòu)成了高原環(huán)境對(duì)材料破壞的主要特點(diǎn)。

因此，在對(duì)軌道車輛選用膠粘劑時(shí)要重點(diǎn)考慮其耐紫外線性能，對(duì)于長(zhǎng)時(shí)間暴露在太陽(yáng)光下的部位（如列車的車窗和車頂?shù)龋┮褂媚妥贤饩€的結(jié)構(gòu)粘接劑和密封粘接劑。

3.2 氧和臭氧

氧是一種活潑的氣體，在接近地面的大氣層中氧占空氣容積的21%。膠粘劑的老化，實(shí)際上也是在熱的參與下或者在光的引發(fā)下進(jìn)行的氧化反應(yīng)；或是兩者皆有之的氧化反應(yīng)過(guò)程，從而引起膠層的老化。

大氣中的臭氧，主要是離地面20-30km的大氣上層形成的，在那里由于氧吸收了太陽(yáng)輻射的短波紫外線而分解成的原子態(tài)氧。臭氧濃度隨地區(qū)、大氣層高度、季節(jié)及氣象條件（如雷雨的影響）不同而有一定的變化。由于臭氧的氧化性更強(qiáng)，因此對(duì)膠粘劑的老化更為嚴(yán)重。

在軌道車輛的受電弓附近時(shí)常有高壓形成的空氣擊穿放電現(xiàn)象，類似于雷雨中形成臭氧的條件，因此對(duì)其附近使用的膠粘劑要考慮耐臭氧老化性，以免該部位出現(xiàn)過(guò)快的老化影響設(shè)備性能。

3.3 熱和氣溫

太陽(yáng)光的紅外線為物質(zhì)所吸收，都轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，熱是促進(jìn)高分子材料老化的又一重要因素。熱具有很高的活性，隨著溫度的升高會(huì)使分子的熱運(yùn)動(dòng)加速，從而引起某些高聚物發(fā)生降解與交聯(lián)。降解的結(jié)果，表現(xiàn)為材料的分子量降低以及強(qiáng)度、伸長(zhǎng)率等下降；而交聯(lián)的結(jié)果，則表現(xiàn)為材料的分子量增大以及材料剛性的提高等。

有機(jī)膠粘劑在大氣暴曬老化過(guò)程中，因溫度的交替變化，熱脹冷縮往復(fù)不斷地進(jìn)行，引起有機(jī)膠粘劑內(nèi)應(yīng)力的變化，導(dǎo)致變形，破壞了它與基材的粘接力，從而造成粘接性能下降。

熱老化反應(yīng)通常隨溫度的升高而加速，一般來(lái)講，溫度升高10℃，反應(yīng)速度就加快一倍。

3.4 水和相對(duì)濕度

在大氣環(huán)境中，水對(duì)于高分子材料的作用表現(xiàn)為降水、潮濕、凝露等多種形式的作用。雨水，特別是凝露形成的水膜，能夠滲入材料內(nèi)部，使膠粘劑內(nèi)部物質(zhì)被水溶解或吸收，從而逐步改變材料的物料組成和比例，加速材料的老化。膠粘劑的失效往往是由于腐蝕介質(zhì)（離子、水分子、氧氣等）滲透到膠粘劑與基材之間的界面層，并累計(jì)一定濃度后引起界面破壞或基材自身的腐蝕，從而導(dǎo)致整個(gè)粘接結(jié)構(gòu)老化失效。

因此，在軌道車輛粘接接頭設(shè)計(jì)時(shí)，需要注意對(duì)活化劑和底涂劑的使用，優(yōu)化膠粘劑與基材接觸面的粘接性能。

4、結(jié)論

通過(guò)對(duì)粘接力的形成和粘接的老化失效我們可以發(fā)現(xiàn)，雖然粘接相對(duì)于鉚接和焊接來(lái)講比較方便操作，但對(duì)于選膠和施膠工藝來(lái)講也有較為嚴(yán)格的要求，否則會(huì)出現(xiàn)短時(shí)間因老化使膠粘劑失效的危險(xiǎn)。因此在軌道車輛生產(chǎn)中，要全面綜合地考慮粘接接頭的設(shè)計(jì)，做好設(shè)計(jì)前膠粘劑與被粘基材的人工加速老化樣板的試驗(yàn)，以及粘接結(jié)構(gòu)動(dòng)靜態(tài)受力模擬試驗(yàn)，從設(shè)計(jì)源頭把關(guān)，保證粘接部位的質(zhì)量，使軌道車輛具有更高的品質(zhì)。

參考文獻(xiàn)：

[1]王猛鐘，黃應(yīng)昌.膠粘劑應(yīng)用手冊(cè)[M].北京：化工工業(yè)出版社，2003.

[2]張向宇.膠黏劑分析與測(cè)試技術(shù)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2004.

[3]顧繼友.膠接理論與膠接基礎(chǔ)[M].北京：科學(xué)出版社，2003.