介艷良，郝 磊，閆樹軍，趙翔彥，張學(xué)禮

（西安交通工程學(xué)院，陜西 西安 710300）

城軌車輛是牽引或推送鐵路車輛運行的機車，在實際使用過程中需要采用膠粘劑進行膠接接頭的連接，而由于城軌車輛工作環(huán)境的特殊要求，所使用的膠粘劑需要具有低收縮率和低熱膨脹系數(shù)等特點[1-2]，但是目前市場上常見的固化膠粘劑在使用過程中通常出現(xiàn)由于熱膨脹系數(shù)較大而產(chǎn)生溢膠、錯位等問題，嚴重影響城軌車輛的使用壽命和工作穩(wěn)定性[3-5]。在此基礎(chǔ)上，本文擬通過加入光引發(fā)劑、填料等手段考察膠粘劑的剪切強度和熱膨脹系數(shù)等特性，以期為城軌車輛用膠粘劑的開發(fā)與應(yīng)用提供參考，并具有重要的現(xiàn)實意義。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗原料

UVR-6110型脂環(huán)族環(huán)氧樹脂，工業(yè)級，美國DOW公司；活性稀釋劑乙烯基二乙二醇醚，工業(yè)級，湖北源夢生物科技有限公司；三氟化硼-單乙胺絡(luò)合物熱固化劑，工業(yè)級，東營合益化工有限公司；261光引發(fā)劑， 德國良制化學(xué)(中國)有限公司；Darocur 1173光引發(fā)劑、Irgacure 819光引發(fā)劑、TPO光引發(fā)劑，德國巴斯夫公司；活性硅微粉填料，桐柏宏偉礦業(yè)有限公司；白炭黑增稠劑，工業(yè)級，山東賽立科新材料有限公司；Stabilizer穩(wěn)定劑，自制。

1.2 儀器與設(shè)備

IQ3型流變儀，美國TA公司；LX-D型邵氏硬度計，上海奕縱精密儀器有限公司；YRWT-M200型微機控制電子萬能試驗機，濟南力華測試系統(tǒng)有限公司。

1.3 試樣制備

將98份脂環(huán)族環(huán)氧樹脂、20份乙烯基二乙二醇醚、光引發(fā)劑（未注明時為10份）、4份三氟化硼-單乙胺絡(luò)合物、活性硅微粉（填料，添加量為0～50%）、白炭黑（8份）和自制Stabilizer穩(wěn)定劑混合均勻后制成城軌車輛用膠粘劑[6]。

1.4 測試與表征

（1）表干性測試：記錄不同光照條件下表層產(chǎn)生固化膜的時間。

（2）粘度：將膠粘劑試樣置于25℃培養(yǎng)箱中，采用IQ3型流變儀進行粘度測試，剪切速率為5s-1。

（3）固化時間：記錄用指甲輕扣膠層無脫落的時間；

（4）邵氏硬度：根據(jù)GB/T 2411-2008《塑料和硬橡膠 使用硬度計測定壓痕硬度》測試邵氏硬度。

（5）剪切強度：根據(jù)GB/T 7124-2008《膠粘劑拉伸剪切強度的測定》測試剪切強度。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 稀釋劑占比

表1為稀釋劑占比對城軌車輛膠接接頭用膠粘劑粘度、剪切強度和固化時間的影響。可見，當稀釋劑占比為4%時，膠粘劑粘度、剪切強度和固化時間分別為36602mPa·s、14.15MPa和20s；隨著稀釋劑占比逐漸增加至24%，膠粘劑的粘度呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢，剪切強度先增加而后減小，在稀釋劑占比為20%時取得剪切強度最大值；從固化時間來看，稀釋劑占比為20%和24%時，膠粘劑的固化時間為15s。究其原因，這主要是因為隨著稀釋劑占比的增加，膠粘劑中分子運動阻力變小，所形成的固化物交聯(lián)密度會增大[7]、剪切強度隨之增加，而如果稀釋劑占比增加過大，膠粘劑的粘度會過分下降，形成的固化物交聯(lián)密度也會降低，剪切強度隨之減小，如稀釋劑占比為24%時，剪切強度急劇下降至14.87MPa。整體而言，當稀釋劑占比為20%時，膠粘劑可以取得較高的粘度的同時，具有較短的固化時間和最大的剪切強度，為適宜的稀釋劑添加量。

表1 稀釋劑占比對膠粘劑粘度、剪切強度和固化時間的影響Table 1 Effect of diluent ratio on viscosity, shear strength and curing time of adhesive

2.2 光引發(fā)劑

表2為光引發(fā)劑種類對膠粘劑表干性和貯存時間的影響，分別列出了不同光引發(fā)劑復(fù)配對膠粘劑在汞燈和LED燈下的表干性，以及貯存時間的影響。當光引發(fā)劑復(fù)配體系為 Irgacure 261/ Irgacure 819時，汞燈和LED燈下的表干性分別為基本固化和未完全固化； 當光引發(fā)劑復(fù)配體系為 Darocur 1173/ Irgacure 819時，汞燈和LED燈下的表干性分別為未完全固化和未固化； 當光引發(fā)劑復(fù)配體系為 TPO/ Irgacure 819時，汞燈和LED燈下的表干性分別為完全固化和即將固化。由此可見，在LED下，光引發(fā)劑復(fù)配體系為Irgacure 261/ Irgacure 819的固化速度較快，而汞燈下光引發(fā)劑復(fù)配體系為TPO/ Irgacure 819時固化速度較快，但是Irgacure 261/ Irgacure 819和TPO/ Irgacure 819光引發(fā)劑復(fù)配體系的貯存時間分別為14天和5天，可見，Irgacure 261/ Irgacure 819光引發(fā)劑復(fù)配體系具有明顯更長的貯存時間。因此，選用Irgacure 261/ Irgacure 819為適宜的光引發(fā)劑復(fù)配體系。

表2 光引發(fā)劑種類對膠粘劑表干性和貯存時間的影響Table 2 Eff ects of photoinitiators on surface dryness and storage time of adhesives

圖1為不同光引發(fā)劑含量時膠粘劑的固化時間曲線?？梢?，在光引發(fā)劑含量為1%時，固化時間為70s；隨著光引發(fā)劑含量從1%增加至6%，膠粘劑的固化時間呈現(xiàn)逐漸下降的趨勢，在光引發(fā)劑含量為6%時，膠粘劑的固化時間約為35s。此外，值得注意的是，當光引發(fā)劑含量增加至4%及以上時，繼續(xù)增加光引發(fā)劑含量不會對膠粘劑的固化時間造成明顯下降，但是過多的光引發(fā)劑含量會使得固化物的機械性能降低[8]。因此，綜合而言，光引發(fā)劑含量4%為適宜的添加量，此時膠粘劑具有較短的固化時間。

圖1 不同光引發(fā)劑含量時膠粘劑的固化時間曲線Fig.1 Curing time curve of adhesive with different photoinitiator content

2.3 填料

圖2 為不同填料含量時膠粘劑的硬度曲線和剪切強度曲線。當填料含量為0%時，膠粘劑的硬度約為62D，而隨著填料含量逐漸增加，膠粘劑的硬度呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢，在填料含量為50%時，硬度達到90D。當填料含量為0%時，膠粘劑的剪切強度約為15.6MPa，而隨著填料含量逐漸增加，膠粘劑的剪切強度呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢，在填料含量為30%時取得剪切強度最大值（約21.4MPa）。究其原因，這主要是因為填料的添加可以填充膠粘劑試樣中的結(jié)構(gòu)間隙，膠粘劑分子間作用力增強使得硬度增加，但是過多的填料會使得樹脂不能完全被包裹住而造成局部團聚現(xiàn)象，膠粘劑的剪切強度反而會降低[9]。因此，適宜的填料添加量為30%。

圖2 不同填料含量膠粘劑的硬度曲線和剪切強度曲線Fig.2 Hardness curve and shear strength curve of adhesive with different filler content

圖3 為不同填料含量膠粘劑的熱機械性能曲線，表3中同時列出了不同填料含量膠粘劑的伸長量測試結(jié)果。當填料為0%時，35℃和50℃時膠粘劑的伸長量分別為4.71μm和13.08μm，這一溫度段的熱膨脹系數(shù)為115.52×10-6/℃；90℃和115℃時膠粘劑的伸長量分別為42.41μm和63.98μm，這一溫度段的熱膨脹系數(shù)為178.39×10-6/℃。在35℃和50℃溫度段，隨著填料含量的增加，伸長量呈現(xiàn)先增加后減小，而后又繼續(xù)增加的趨勢，在填料含量為20%時取得最佳的伸長量，此時熱膨脹系數(shù)為113.88×10-6/℃。在90℃和115℃溫度段，隨著填料含量的增加，伸長量呈現(xiàn)先減小后增大特征，填料含量為20%時的伸長量高于填料含量30%～50%試樣。添加填料有助于減小熱膨脹系數(shù)，這主要是因為填料的加入可以分散至樹脂大分子間隙中[10]，提升束縛力并降低熱膨脹系數(shù)，但是過多的填料會產(chǎn)生局部發(fā)生團聚而無法包裹的現(xiàn)象[11]，膠粘劑中會出現(xiàn)相分離并造成熱膨脹系數(shù)升高。此外，當填料含量為30%時，35℃和50℃溫度段，以及90℃和115℃溫度段的熱膨脹系數(shù)都為最低，分別為83.19×10-6/℃和132.14×10-6/℃，小于市場上同類產(chǎn)品（低溫段為150×10-6/℃、高溫段為180×10-6/℃[12]），表明填料含量為30%時獲得的膠粘劑產(chǎn)品的受熱尺寸穩(wěn)定性優(yōu)于同類產(chǎn)品。

圖3 不同填料含量膠粘劑的熱機械性能曲線Fig.3 Thermomechanical properties of adhesives with different filler contents

表3 不同填料含量膠粘劑的熱機械性能測試結(jié)果Table 3 Test results of thermal mechanical properties of adhesives with different filler contents

3 結(jié)論

（1）當稀釋劑占比為4%時，膠粘劑粘度、剪切強度和固化時間分別為36602mPa·s、14.15MPa和20s；隨著稀釋劑占比逐漸增加至24%，膠粘劑的粘度呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢，剪切強度先增加而后減小，在稀釋劑占比為20%時取得剪切強度最大值；從固化時間來看，稀釋劑占比為20%和24%時，膠粘劑的固化時間為15s。當稀釋劑占比為20%時，膠粘劑可以取得較高的粘度的同時，具有較短的固化時間和最大的剪切強度。

（2）當光引發(fā)劑含量增加至4%及以上時，繼續(xù)增加光引發(fā)劑含量不會對膠粘劑的固化時間造成明顯下降，但是過多的光引發(fā)劑含量會使得固化物的機械性能降低。

（3）隨著填料含量逐漸增加，膠粘劑的剪切強度呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢，在填料含量為30%時取得剪切強度最大值（約21.4MPa）。填料含量為30%時獲得的膠粘劑產(chǎn)品的受熱尺寸穩(wěn)定性優(yōu)于同類產(chǎn)品。