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摘 要：文章对轨道车辆车窗玻璃粘接用胶粘剂的老化行为进行了研究，针对车窗粘接面临的主要老化因素，以车窗玻璃密封胶条为研究对象，依据不同的测试标准进行了包括UV紫外老化前后的SEM扫描电镜试验、对胶层不同深度进行红外分析以及老化前后的胶条强度分析。综合比较得出模拟气候老化试验的验证方案。
关键词：轨道车辆;车窗玻璃密封;模拟气候老化;验证方案
中图分类号：U279 文献标识码：A 文章编号：1001-5922（2021）10-0003-04
Experimental Study on Weather Aging Performance of Bonded Joint of Railway Vehicle Window
Wang Yong1， Han Xiaohui1， Shen Hefei1， Zhao Min1， Zhang Jingfen2， Zhang Yuxian2
（1.CRRC Qingdao Sifang Co.， Ltd.， Qingdao 266111， China;
2.Yifa New Materials Institute， Changzhou 213000， China）
Abstract：The aging behavior of adhesives used in rail vehicle window glass bonding was studied. Aiming at the main aging factors facing the bonding of car windows， the window glass sealing strip is the research object， according to different test standards， the SEM scanning electron microscopy test before and after UV ultraviolet aging， the infrared analysis of the different depths of the adhesive layer， and the strength analysis of the adhesive strip before and after the aging are carried out. The verification scheme to simulate climate aging is obtained by comprehensive comparison.
Key words：Rail vehicle;window glass sealant;simulated weather aging;verification scheme
0 引言
在交通運输行业，尤其是轨道交通领域，中国轨道交通行业（高铁，地铁等）的市场空间约为55亿元，胶粘剂总用量高达1000万t左右[1]。新材料在轨道车辆制造中的大量使用，使粘接面临的老化挑战越来越高。本文以实际运行5年后轨道车辆侧窗粘接接头作为研究对象，对车窗常用密封胶粘剂的耐老化性能进行了研究。采用试验分析方法对检修车辆车窗粘接接头的状况进行检测，对常用的聚氨酯类和改性硅烷类胶粘剂的耐老化性能进行了试验验证和原因分析，为今后车辆车窗玻璃粘接提供坚实的理论依据。
1 轨道车辆车窗粘接用胶粘剂的热老化机理及影 响因素
我们常说的老化，是指随着时间推移发生在材料中所有不可逆的化学和物理过程总和。在使用过程中，胶层和基材的分子结构或晶体结构发生改变，导致接头的粘接性能随时间产生变化，在强度和变形行为、蠕变行为等方面产生较大的衰减，以及在光学性能方面发生诸如颜色改变、折光系数改变、粉化、开裂、裂纹等一系列的后果。
导致粘接接头老化的因素有：机械载荷/应力，包括内应力和外应力，外应力又包括接头承受的静态和动态载荷;化学介质，如水汽、有机溶剂、盐等;微生物和真菌以及胶层添加剂组分的迁移等。
最为常见的则是温度变化、辐射等物理因素导致的老化，本文将就此展开深入的研究。
2 侧窗粘接接头的老化实验分析与研究
按照“DIN6701-3轨道交通车辆及车辆部件的粘接-第3部分：轨道交通车辆粘接接头的设计及验证指导手册”的标准要求、《DIN 54457—2007结构胶粘剂.胶粘件的试验-胶条剥离测试》、《HB 5398—1988金属胶接结构胶粘剂规范》和《DIN 50015—1975气候及其技术应用.恒定试验气候》，对粘接接头进行室温及阶段性老化后的测试[2]。
2.1 针对实际运行车辆侧窗粘接接头的试验分析[3]
包括：①车窗胶条的外露面及新制胶块的表面形貌;②车窗胶条中的物质成分分析，并与原始值进行对比;③车窗胶条拉伸强度并与原始值对比。
2.2 车窗胶条的外露面及新制胶块的表面形貌对比
用扫描电子显微镜（SEM）对检修车窗上的胶条外表面和新制胶粘剂胶块的外表面进行放大拍照对比，可见，在经过随车运行后，车窗密封胶条的表面发生非常明显的龟裂现象，如图1所示。
紫外光可以引起胶粘剂的降解，称之为光降解。为了研究紫外光对胶粘剂的影响，采用与车窗粘接用的同种牌号某改性硅烷胶粘剂MS1进行胶块制备，在胶块完全固化后进行为期2000h的紫外光老化（如图2所示），结束后使用SEM进行拍照分析，图2为紫外老化后SEM的500倍胶块表面形貌。对比图1和图2，可以看出和随车真实运行的胶块在自然老化后的胶条表面形貌有较大差别。由此可以证明，仅以紫外老化做验证，不足以模拟真实运行工况。 2.3 车窗胶条成分红外分析
为研究观察外界老化环境对不同深度胶层的影响程度，将运行车辆的车窗密封胶条切割下来，对不同深度的胶层通过傅里叶变换-红外光谱（ATR法）进行成分分析[4]如图3所示，胶条在3mm（绿线）和5mm（红线）处的主要官能团基本无变化，二者保持一致。表面分析可发现在1604cm-1 可能为氮氢键的红外吸收峰，说明在经过老化后胶条表面的含氮氢键官能团的化合物有较明显的增多[5]。综合以上结果说明：外界环境带来的成分改变，影响最大的部位依然为胶条的外露面，内部3mm处无明显变化即未发生老化。因此只取表面至3mm深的胶条作为研究对象。
2.4 车窗胶条本体拉伸强度测试[6]
将随车运行后切割下的深度小于3mm处车窗胶条尽量裁成形状规整、厚度均匀的胶条（如图4所示），再使用电子万能试验拉力机测试其本体的拉伸强度[7]。测得检修车窗胶条的本体拉伸强度结果，如表1、图5所示。
为了做模拟气候老化的胶条做对比，将与车窗粘接用的同种牌号某改性硅烷胶粘剂MS1制备本体拉伸样件，每组5个样件进行不同类型的老化[8]（热空气+UV、湿热+UV、高低温交变+UV），测试结果见表2。
如表2所示：①热空气老化的影响：拉伸强度会出现持续的下降，最终保持在一个某一强度;②湿热老化的影响：拉伸强度会出现持续的下降，最终保持在一个某一强度;③高低温潮湿交变老化的影响：强度变化没有明显的规律。
在经过老化后本体拉伸强度均有比较明显的下降。再抽取每种条件的最低值进行组合，即504h热空气+750h湿热老化+360h高低温潮湿交变老化+UV，在此组合模拟气候老化条件下[9]，对5组样件做本体拉伸强度测试。表2测试结果表明：模拟气候老化后的本体拉伸强度值比实车运行的密封胶条略低但接近。
再用SEM对表面形貌进行对比。图6和图7顯示，504h热空气+750h湿热老化+360h高低温潮湿交变老化+UV的组合模拟气候老化条件下，胶条的开裂程度略大于实际运行车辆的胶条，因此可以以此方案进行模拟气候老化。
3 总结
通过对实际运行车辆车窗密封胶条不同深度的胶条进行红外成分分析，得出表面至3mm深度为主要的气候老化影响区域。在此区域对实际胶条和制备样件进行了模拟气候老化分析，对此类模拟运行5年后粘接接头，应采取504h热空气+750h湿热老化+360h高低温潮湿交变老化+UV的验证方案。
参考文献
[1]杨超，洪永敏.粘接技术在城市轨道车辆上的应用[J].新技术新工艺，2018（11）：43-47.
[2]上海逸发粘接化工科技有限公司[M].EAE欧洲粘接工程师教材，2020.
[3]Loginova S. E.，Gladkikh S. N.，Kurilova E. A.，et al.Hybrid Polyurethane Adhesive Sealants with Increased Strength Characteristics[J]. Polymer Science Series D，2021，14（2）：156-159.
[4]张光涛，刘亚琼，张燕红，等.玻璃结构用双组分聚氨酯胶粘剂老化性能研究[J].中国胶粘剂，2019，28（11）：8-11.
[5] Wen Biao Xu，Jun You Shi，Shu Min Wang.Study on Heat Aging Properties of Starch Based Aqueous Polymer Isocyanate Adhesive for Wood[J].Advanced Materials Research，2014，3160：138-143.
[6]张虎极，韩胜利，王翠花，等.改性硅烷密封胶固化性能的研究[J].粘接，2011，32（10）：49-53.
[7]GB/T 528—2009 硫化橡胶或热塑性橡胶拉伸应力应变性能的测定[S].
[8]贺传兰，邓建国，张银生.聚氨酯材料的老化降解[J].聚氨酯工业，2002，17（3）：1-5.
[9]GB/T 3681—2011 塑料 自然日光气候老化、玻璃过滤 后日光气候老化和菲涅耳镜加速日光气候老化的暴露试验方法[S].
关键词：轨道车辆;车窗玻璃密封;模拟气候老化;验证方案
中图分类号：U279 文献标识码：A 文章编号：1001-5922（2021）10-0003-04
Experimental Study on Weather Aging Performance of Bonded Joint of Railway Vehicle Window
Wang Yong1， Han Xiaohui1， Shen Hefei1， Zhao Min1， Zhang Jingfen2， Zhang Yuxian2
（1.CRRC Qingdao Sifang Co.， Ltd.， Qingdao 266111， China;
2.Yifa New Materials Institute， Changzhou 213000， China）
Abstract：The aging behavior of adhesives used in rail vehicle window glass bonding was studied. Aiming at the main aging factors facing the bonding of car windows， the window glass sealing strip is the research object， according to different test standards， the SEM scanning electron microscopy test before and after UV ultraviolet aging， the infrared analysis of the different depths of the adhesive layer， and the strength analysis of the adhesive strip before and after the aging are carried out. The verification scheme to simulate climate aging is obtained by comprehensive comparison.
Key words：Rail vehicle;window glass sealant;simulated weather aging;verification scheme
0 引言
在交通運输行业，尤其是轨道交通领域，中国轨道交通行业（高铁，地铁等）的市场空间约为55亿元，胶粘剂总用量高达1000万t左右[1]。新材料在轨道车辆制造中的大量使用，使粘接面临的老化挑战越来越高。本文以实际运行5年后轨道车辆侧窗粘接接头作为研究对象，对车窗常用密封胶粘剂的耐老化性能进行了研究。采用试验分析方法对检修车辆车窗粘接接头的状况进行检测，对常用的聚氨酯类和改性硅烷类胶粘剂的耐老化性能进行了试验验证和原因分析，为今后车辆车窗玻璃粘接提供坚实的理论依据。
1 轨道车辆车窗粘接用胶粘剂的热老化机理及影 响因素
我们常说的老化，是指随着时间推移发生在材料中所有不可逆的化学和物理过程总和。在使用过程中，胶层和基材的分子结构或晶体结构发生改变，导致接头的粘接性能随时间产生变化，在强度和变形行为、蠕变行为等方面产生较大的衰减，以及在光学性能方面发生诸如颜色改变、折光系数改变、粉化、开裂、裂纹等一系列的后果。
导致粘接接头老化的因素有：机械载荷/应力，包括内应力和外应力，外应力又包括接头承受的静态和动态载荷;化学介质，如水汽、有机溶剂、盐等;微生物和真菌以及胶层添加剂组分的迁移等。
最为常见的则是温度变化、辐射等物理因素导致的老化，本文将就此展开深入的研究。
2 侧窗粘接接头的老化实验分析与研究
按照“DIN6701-3轨道交通车辆及车辆部件的粘接-第3部分：轨道交通车辆粘接接头的设计及验证指导手册”的标准要求、《DIN 54457—2007结构胶粘剂.胶粘件的试验-胶条剥离测试》、《HB 5398—1988金属胶接结构胶粘剂规范》和《DIN 50015—1975气候及其技术应用.恒定试验气候》，对粘接接头进行室温及阶段性老化后的测试[2]。
2.1 针对实际运行车辆侧窗粘接接头的试验分析[3]
包括：①车窗胶条的外露面及新制胶块的表面形貌;②车窗胶条中的物质成分分析，并与原始值进行对比;③车窗胶条拉伸强度并与原始值对比。
2.2 车窗胶条的外露面及新制胶块的表面形貌对比
用扫描电子显微镜（SEM）对检修车窗上的胶条外表面和新制胶粘剂胶块的外表面进行放大拍照对比，可见，在经过随车运行后，车窗密封胶条的表面发生非常明显的龟裂现象，如图1所示。
紫外光可以引起胶粘剂的降解，称之为光降解。为了研究紫外光对胶粘剂的影响，采用与车窗粘接用的同种牌号某改性硅烷胶粘剂MS1进行胶块制备，在胶块完全固化后进行为期2000h的紫外光老化（如图2所示），结束后使用SEM进行拍照分析，图2为紫外老化后SEM的500倍胶块表面形貌。对比图1和图2，可以看出和随车真实运行的胶块在自然老化后的胶条表面形貌有较大差别。由此可以证明，仅以紫外老化做验证，不足以模拟真实运行工况。 2.3 车窗胶条成分红外分析
为研究观察外界老化环境对不同深度胶层的影响程度，将运行车辆的车窗密封胶条切割下来，对不同深度的胶层通过傅里叶变换-红外光谱（ATR法）进行成分分析[4]如图3所示，胶条在3mm（绿线）和5mm（红线）处的主要官能团基本无变化，二者保持一致。表面分析可发现在1604cm-1 可能为氮氢键的红外吸收峰，说明在经过老化后胶条表面的含氮氢键官能团的化合物有较明显的增多[5]。综合以上结果说明：外界环境带来的成分改变，影响最大的部位依然为胶条的外露面，内部3mm处无明显变化即未发生老化。因此只取表面至3mm深的胶条作为研究对象。
2.4 车窗胶条本体拉伸强度测试[6]
将随车运行后切割下的深度小于3mm处车窗胶条尽量裁成形状规整、厚度均匀的胶条（如图4所示），再使用电子万能试验拉力机测试其本体的拉伸强度[7]。测得检修车窗胶条的本体拉伸强度结果，如表1、图5所示。
为了做模拟气候老化的胶条做对比，将与车窗粘接用的同种牌号某改性硅烷胶粘剂MS1制备本体拉伸样件，每组5个样件进行不同类型的老化[8]（热空气+UV、湿热+UV、高低温交变+UV），测试结果见表2。
如表2所示：①热空气老化的影响：拉伸强度会出现持续的下降，最终保持在一个某一强度;②湿热老化的影响：拉伸强度会出现持续的下降，最终保持在一个某一强度;③高低温潮湿交变老化的影响：强度变化没有明显的规律。
在经过老化后本体拉伸强度均有比较明显的下降。再抽取每种条件的最低值进行组合，即504h热空气+750h湿热老化+360h高低温潮湿交变老化+UV，在此组合模拟气候老化条件下[9]，对5组样件做本体拉伸强度测试。表2测试结果表明：模拟气候老化后的本体拉伸强度值比实车运行的密封胶条略低但接近。
再用SEM对表面形貌进行对比。图6和图7顯示，504h热空气+750h湿热老化+360h高低温潮湿交变老化+UV的组合模拟气候老化条件下，胶条的开裂程度略大于实际运行车辆的胶条，因此可以以此方案进行模拟气候老化。
3 总结
通过对实际运行车辆车窗密封胶条不同深度的胶条进行红外成分分析，得出表面至3mm深度为主要的气候老化影响区域。在此区域对实际胶条和制备样件进行了模拟气候老化分析，对此类模拟运行5年后粘接接头，应采取504h热空气+750h湿热老化+360h高低温潮湿交变老化+UV的验证方案。
参考文献
[1]杨超，洪永敏.粘接技术在城市轨道车辆上的应用[J].新技术新工艺，2018（11）：43-47.
[2]上海逸发粘接化工科技有限公司[M].EAE欧洲粘接工程师教材，2020.
[3]Loginova S. E.，Gladkikh S. N.，Kurilova E. A.，et al.Hybrid Polyurethane Adhesive Sealants with Increased Strength Characteristics[J]. Polymer Science Series D，2021，14（2）：156-159.
[4]张光涛，刘亚琼，张燕红，等.玻璃结构用双组分聚氨酯胶粘剂老化性能研究[J].中国胶粘剂，2019，28（11）：8-11.
[5] Wen Biao Xu，Jun You Shi，Shu Min Wang.Study on Heat Aging Properties of Starch Based Aqueous Polymer Isocyanate Adhesive for Wood[J].Advanced Materials Research，2014，3160：138-143.
[6]张虎极，韩胜利，王翠花，等.改性硅烷密封胶固化性能的研究[J].粘接，2011，32（10）：49-53.
[7]GB/T 528—2009 硫化橡胶或热塑性橡胶拉伸应力应变性能的测定[S].
[8]贺传兰，邓建国，张银生.聚氨酯材料的老化降解[J].聚氨酯工业，2002，17（3）：1-5.
[9]GB/T 3681—2011 塑料 自然日光气候老化、玻璃过滤 后日光气候老化和菲涅耳镜加速日光气候老化的暴露试验方法[S].