轨道客车车窗密封胶加速老化性能研究

轨道客车车窗密封胶加速老化性能研究

王萍萍

身份证号： 37132719840510****

摘要：本文研究了硅烷改性聚合物(MS)铁路客车车窗密封胶的人工加速老化性能，为制定有针对性的老化试验提供参考依据，可用于选择耐老化性能更好的密封胶产品。

关键词：轨道客车；密封胶；加速老化

由于温度、湿度、日照、酸溶液腐蚀、各种应力等多种外界因素的综合作用，轨道客车车窗密封胶会出现内聚强度下降、边缘开裂、变色失光、表面开裂等老化现象，这不仅影响了车辆外观，也给车辆运行带来了一些隐患，还会给车辆的检修及售后服务带来问题。因此，有必要研究密封胶老化原因。

一、MS密封胶

MS聚合物是一种基于硅烷封端聚醚的交联聚合物。MS聚合物基产品不含硅酮组分和溶剂，不含聚氨酯基团，多数配方是无味环保，MS胶粘剂和密封胶的固有弹性，可吸收和补偿动态载荷，均匀传递受力，防止材料过早疲劳，MS基材料可实现多种基材间的粘接。其典型特点是无需表面处理，如底涂剂，MS聚合物通过持续暴露于湿气中实现交联或固化。

二、试验部分

1、原料。硅烷改性聚合物(MS)密封胶；铝合金板；玻璃板；浓硫酸、浓硝酸，分析纯。

2、仪器。CMT4304型微机控制电子拉力试验机；MHU-04型高低温湿热试验箱；QUV/spray型紫外灯加速老化试验箱；GT-7017-EM型老化试验机。

3、老化试验

1)试样制备。按Q/CR 491.1、GB/T 528、GB/T 7124标准，参照MS密封胶施工工艺流程，分别制备哑铃型拉伸试样(2型)和拉伸剪切试样(铝合金对玻璃)。

2)高低温循环交变老化试验。按Q/CR 491.1标准进行高低温循环交变老化试验。一个循环为：80℃、95%相对湿度下放置4h，2h内冷却到-40℃，并在-40℃下放置4h，然后2h内升温到80℃、95%RH。试验周期分别为0、480、720、960、1440h。

3)紫外老化试验。按GB/T 14522标准进行紫外老化试验，采用暴露周期类型2。一个循环为：8h干燥，紫外波长340nm，辐照度(0.76±0.02)W/m²，黑板温度(60±3)℃；4h冷凝，黑板温度(50±3)℃。试验周期分别为0、1000、1500、2000h。

4)酸性溶液浸泡老化试验。在200mL水中边搅拌边加入3mL浓硫酸、1.5mL浓硝酸，用去离子水定容至250mL，制得混合酸溶液待用。在适量水中加入混合酸溶液，配成pH=2.0的酸性溶液。将试样在40℃的酸性溶液中分别浸泡0、480、960、1440h。

4、测定或表征

1)拉伸性能：采用微机控制电子拉力试验机，按GB/T 528标准进行测试(拉伸速率为200mm/min)。

2)拉伸剪切强度：采用微机控制电子拉力试验机，按GB/T 7124标准进行测试(拉伸速率为18mm/min)。

三、结果与讨论

1、MS密封胶高低温循环交变老化分析。在高低温循环交变老化过程中，拉伸强度和断裂伸长率均呈先升后降趋势。本文采用的MS密封胶主要成分为硅烷偶联剂封端的聚氨酯预聚体，其固化机理为硅烷偶联剂交联固化。在老化前期，胶粘剂内部尚残留有未固化的硅烷偶联剂，在高温高湿环境下，硅烷偶联剂进一步交联固化，进而导致拉伸强度的上升。在老化后期，拉伸强度下降主要如下因素：①高温高湿环境下水分子渗透进入胶粘剂本体大分子网络中，降低了胶粘剂大分子间的氢键和其他次价键作用力，水分子对胶层起到增塑作用；②水分子会导致MS密封胶大分子链中存在的氨基甲酸酯基发生水解反应，水解产生的羧酸会作为催化剂进一步促进水解反应的发生，水解导致大分子链断裂，内聚强度明显下降。

此外，高低温循环交变老化过程中，拉伸剪切强度先略有上升，720h后降至2.0MPa左右并趋于稳定，比初始值下降了约14%。960h后，破坏类型由“内聚破坏”变为“大部分内聚破坏，小部分铝合金面黏附破坏”，1440h后铝合金面黏附破坏进一步增大。

在高低温循环交变老化试验前期，破坏类型保持为内聚破坏，造成拉伸剪切强度下降的原因是胶层内聚强度的下降。在高低温潮湿交变老化试验后期，破坏类型逐渐转变为铝合金面黏附破坏，这说明界面黏附强度发生了下降。当界面黏附强度小于胶层内聚强度时，会发生内聚破坏向黏附破坏的转变。界面黏附强度下降原因为：①胶层与铝合金基材热膨胀系数不同，在高低温循环交变中，黏附界面处发生周期性应力变化，进而导致界面黏附破坏；②在高温高湿环境下，水汽分子和附着在粘接接头表面的凝结水会逐渐渗透至胶层和铝合金基材的粘接界面处，水对铝合金造成腐蚀，导致粘接界面发生解吸附。在上述原因作用下，界面黏附强度快速下降，进而导致出现黏附破坏。

2、MS密封胶的紫外老化分析。紫外老化中，拉伸强度逐步下降，断裂伸长率变化不大，2000h时，拉伸强度降至2.87MPa，比初始值下降了约26%。在紫外老化试验箱中，拉伸样品同时受紫外光、高温和高湿老化因素的作用。波长340nm紫外光的光子能量约为352kJ/mol，而MS密封胶大分子链中存在的C-N键键能约为305kJ/mol，C-C键键能约为332kJ/mol，C-O键键能约为326 kJ/mol。紫外光照射可造成胶粘剂表面大分子出现断链降解，进而导致拉伸强度下降。高温高湿因素对拉伸性能的影响与高低温循环交变试验中类似。在上述因素共同作用下，拉伸强度并未出现先升后降，而是逐步下降，这说明紫外光照射是三者中的主要老化因素。

另外，紫外老化中，拉伸剪切强度缓慢下降，2000h时，拉伸剪切强度降至1.76MPa，比初始值下降了约24%，破坏类型仍为内聚破坏，这说明造成拉伸剪切强度下降的原因是胶层内聚强度的下降。

3、MS密封胶的酸性溶液浸泡老化分析。酸性溶液浸泡老化过程中，拉伸强度逐步下降，1440 h时，拉伸强度降至2.91MPa，比初始值下降了约25%。在酸性溶液浸泡试验中，拉伸样品受酸性溶液浸泡和高温共同作用。拉伸强度下降原因为：①在酸性溶液作用下，MS密封胶片材表面的大分子链中存在的氨基甲酸酯基、脲基等极性基团发生水解反应，水解产生的小分子产物扩散到酸性溶液中，导致片材表面逐渐形成凹痕，新形成的凹痕表面大分子链继续与酸性溶液反应，逐渐发展成裂纹，在进行拉伸测试时，裂纹处易形成应力集中而快速断裂；②高温环境下酸性水溶液渗透进入胶粘剂本体大分子网络中，降低了胶粘剂大分子间的氢键和其他次价键作用力；同时，酸性水溶液会造成胶层内部发生水解反应，导致大分子链断裂，内聚强度明显下降。

另外，在酸性溶液浸泡中，拉伸剪切强度快速下降至1.0MPa左右后趋于稳定，比初始值下降了约54%；且在酸性溶液浸泡后，破坏类型由“内聚破坏”变为“小部分内聚破坏，大部分铝合金面黏附破坏”。这说明界面黏附强度发生了明显下降，其原因为：在高温环境下，酸性水溶液会逐渐渗透至胶层和铝合金基材的粘接界面处，酸性水溶液对铝合金造成腐蚀，导致粘接界面发生开裂，黏附强度快速下降。

4、三种老化试验对比分析。紫外和酸性溶液浸泡老化试验后，拉伸强度均下降约25%，而高低温循环交变老化1440h后，拉伸强度反而增大约7%。说明在本研究的老化时长内，主要是紫外光照射和酸性溶液腐蚀导致了胶粘剂内聚强度的下降，而温湿度变化的影响不大。三种老化试验中，拉伸剪切强度均出现下降，且下降幅度为：酸性溶液浸泡老化>紫外老化>高低温循环交变老化。高低温循环交变和酸性溶液浸泡老化后期，出现了“黏附破坏”现象，该现象类似于实际应用中的“边缘开裂”。在实际应用中，动车组循环往返于不同温湿度地点间，且车身会定期用酸性溶液清洗。由此推断，胶粘剂边缘开裂原因是温湿度循环交变和强酸性溶液腐蚀，而紫外老化对其影响较小。

四、结论

1、高低温循环交变、紫外和酸性溶液浸泡老化试验均会导致MS密封胶的老化。其中高低温循环交变试验主要作用于胶粘剂和基材的粘接界面，造成黏附开裂；紫外老化试验主要作用于胶粘剂表面，造成内聚强度下降；酸性溶液浸泡试验对粘接界面和胶粘剂表面均有强烈老化作用。

2、在制定用于筛选胶粘剂产品的老化试验方案时，可采用紫外和酸性溶液浸泡老化试验考察胶粘剂的内聚强度，采用高低温循环交变和酸性溶液浸泡老化试验考察胶粘剂的粘接性能。

参考文献：

[1]冯志新.胶粘剂老化机理及研究进展[J].合成材料老化与应用，2015(02).

[2]李旭光.轨道客车车窗密封胶加速老化性能研究[J].中国胶粘剂，2019(11).