高速動車組地板支撐粘接用膠研究與開發

潘樂 石守東

摘要：從國外的實際經驗和木材與聚氨酯膠粘劑粘接機理出發，介紹了高速動車組地板支撐粘接用膠的選型思路和技術要求。

關鍵詞：高速動車組；地板粘接；膠粘劑

為滿足高速動車組運營時的舒適度，高速動車組地板普遍采用浮筑式地板結構，它由3大部件組成：地板支撐、地板和地板布。其中地板支撐起支撐地板的重要功能，是整個地板安裝的基礎，它粘接在鋁合金車體底架上。影響地板支撐粘接強度的主要因素是膠粘劑的類型，因此有必要對膠粘劑的選型進行深入研究。

1 CRH3型高速動車組地板結構簡介

CRH3型高速動車組地板支撐使用進口優質桃花芯木加工而成，質地堅硬，長度從80 mm到1 800 mm不等。采用木質地板支撐有以下優點：木材密度小，質量輕，可以減輕地板的整體質量；木材調整方便，易進行刨平，切割，鉆孔等加工；干燥的木材不導電，與金屬連接沒有電位差，不腐蝕金屬；木材與其他材料連接工藝簡單，可以使用膠粘接、螺栓、釘子等連接。本例中就使用粘接方式安裝地板支撐。

2 地板支撐用膠選型分析

木材粘接常用的膠粘劑有脲醛樹脂，酚醛樹脂和乙酸-醋酸乙烯酯乳液等膠粘劑，但這些膠粘劑性能均不能滿足地板支撐的粘接要求。脲醛樹脂、酚醛樹脂含有甲醛，在使用過程中持續揮發，對環境影響較大；而乙酸-醋酸乙烯酯乳液硬度小，強度過低。在歐洲等發達國家，廣泛使用無溶劑反應型聚氨酯膠粘劑，但進口膠粘劑存在著成本較高，運輸周期長，貨源緊張等缺點，亟需開發國產化的低成本無溶劑反應型聚氨酯膠粘劑。

本文先對地板支撐—聚氨酯膠粘劑之間的粘接機理進行了分析，又對地板支撐粘接用膠性能要求進行了解析，然后聯合湖北回天新材料公司開發了阻燃、環保、綜合性能優異的地板支撐粘接用雙組分聚氨酯膠粘劑，經過小樣實驗，第3方檢驗后，該膠粘劑獲得批準進行裝車實驗。

3 木材-膠粘接界面粘接機理分析

木材與聚氨酯膠粘劑之間的粘接力主要來源于機械作用力和化學鍵力。

3.1 機械作用力

機械作用力，又稱機械互鎖作用，本質是摩擦力，類似于釘鍵作用、勾鍵作用、根腱作用、榫鍵作用[1]。趙殊[2]等人針對機械互鎖作用對聚氨酯膠粘劑-木材粘接強度的影響進行深入了研究，他們利用的實驗基材為PE板，這種板與聚氨酯膠粘劑不發生化學反應、不能形成氫鍵、表面酸常數Ka和表面堿常數Kb均為0，PE板與聚氨酯膠粘劑也沒有界面酸堿作用。用不同粗糙度的砂紙打磨PE板以形成深度，寬度不同的溝槽，結果表明在其他條件相同的條件下，隨著PE板表面粗糙度的增加，剪切強度增加。木材是一種多孔性材料，微觀下木材的表面具有細長的溝槽[3]。這一點為機械作用力的形成提供了基礎。

3.2 化學鍵力

化學鍵包括離子鍵，共價鍵及金屬鍵，這里說的化學鍵主要是共價鍵。共價鍵力即2個原子之間通過共用電子對連接的作用力，共價鍵的鍵能可達63～712 kJ/mol。共價鍵的形成需要膠粘劑和基材上都有適合反應的基團，而木材的主要成分是纖維素，半纖維素及木質素[3]。纖維素的化學結構是由D-吡喃葡萄糖環彼此以β-1，4-糖苷鍵以C1椅式構象聯接而成的線形高分子，纖維素分子的每個葡萄糖基環上均有3個羥基[4，5]。這些羥基可以與聚氨酯膠粘劑中的—NCO鍵基團反應，形成—NCOOH鍵。這樣通過形成共價鍵，聚氨酯膠粘劑與木材表面的粘接強度在機械作用力的基礎上大大提高。

4 地板支撐粘接膠性能要求分析

4.1 符合高速動車組總體技術規范要求

根據CRH3型高速動車組總體技術規范的規定，首先所有非金屬材料必須具有良好的阻燃性能并通過《DIN 5510-2-2009 鐵路車輛中的預防性防火第2 部分：材料和構件的燃燒特性和燃燒并發現象——分類、要求和檢驗方法》標準的防火性能測試；其次環保性能需滿足《TB/T 3139 機車車輛內裝材料及室內空氣有害物質限量》要求。

4.2 強度要求

高速動車組運營時，地板支撐承受的載荷主要有以下幾種：

（1）地板上方的旅客，行李等的重力；

（2）車輛加速，減速時作用在地板支撐上的剪切力。

上述載荷要求對粘接接頭的剪切強度、膠粘劑固化后的粘接強度、本體的拉伸強度、硬度提出了要求。粘接接頭由木質的地板支撐、膠粘劑和鋁合金地板組成，當接頭破壞類型為木質地板支撐破壞時可以得到最大的粘接強度，此時的剪切強度必須達到3.5 MPa以上，膠粘劑本體強度的最低要求為7 MPa。動車組地板設計要求滿員時，地板整體的下沉量不得超過2 mm，結合以往的經驗，膠粘劑本體的邵A硬度不能小于80。

4.3 工藝性能要求

工藝性能要求主要體現在適用期、黏度以及觸變性方面。

生產現場施工時，首先將攪拌好的膠粘劑使用一次性裱花袋進行分裝，然后手持裱花袋將膠粘劑擠到鋁合金車體上。通過對實際生產調研發現，適合生產要求的膠粘劑適用期為25～55 min，既能滿足生產節奏的要求，不至于造成浪費，同時保持生產效率，不因膠粘劑固化速度影響到下一道工序的施工；黏度方面，主要表現為產品的擠出性，由于是手工施膠，要求產品從裱花袋中擠出順暢；產品是粘接條形木塊，要求產品有合適的觸變性能，膠粘劑在自然狀態下堆積5 mm高不流淌，能穩定保持形狀。

5 國產地板支撐粘接膠開發

根據上述技術要求，唐山軌道客車有限公司聯合湖北回天新材料公司開發了一種阻燃、環保、綜合性能優異的木材粘接用雙組分聚氨酯膠粘劑。在實驗室進行的小樣實驗中，該膠粘劑完全滿足工藝及技術要求。為了充分驗證該膠粘劑的綜合性能，選擇了一節高速動車組的地板支撐進行實驗。在整車級的實驗中，檢驗標準為將粘接完好的地板支撐進行破壞性拆除，破壞發生在地板支撐則合格，最終該膠粘劑順利通過了檢驗。

6 結語

上述實驗車出廠后將定期對該膠粘劑的應用性能進行跟蹤監測。膠粘劑隨車上線運營后的性能表現將最終決定該其是否符合高速動車組地板支撐粘接需要。

參考文獻

[1]李玉學，蔡永源，周振豐，等.膠粘劑制備及應用[M].天津：天津科學技術出版社，1984.

[2]趙殊.聚氨酯膠粘劑對木材膠接機理研究I——機械互鎖作用對粘接強度的影響[J].粘接，2007，29（4）：13-15.

[3]唐星華.木材用膠粘劑[M].北京：化學工業出版社，2002.

[4]高潔，湯列貴.纖維素科學[M].北京：科學出版社，1996.

[5]Han J S，Rowell J S.Chemical Composition of Fibers，in Paper and Composites from Agro-Based Resources.London：CRC Press，1996：83-134.