李淑君，吕健勇，姜志国，王健君
（1.北京化工大学，材料科学与工程学院，北京 100032；2.中国科学院化学研究所，北京 100090）
在寒冷冰雪环境中运行的高速列车易发生结冰现象，例如日本上越新干线以及我国的哈大高铁等。高速列车转向架主要包括构架、轮对、制动夹钳、制动盘、空气弹簧、减振器和各种管路等部件，是高速列车最重要的组件之一，一旦发生结冰就会对列车的正常行驶造成安全隐患。例如，转向架区域结冰，掉落的冰块可能会损坏车下部件与设备；空气弹簧和减振器结冰，会影响车辆的动力学性能；闸片和制动盘之间混入冰粒等夹杂物后很容易划伤制动盘，从而大大缩短制动盘的使用寿命；制动夹钳结冰会影响其正常运作，导致列车无法有效施加基础制动。转向架发生结冰后的列车，需要进行入库除冰作业，通常采用人工机械除冰、高压水枪除冰、热风除冰等多种方式，能耗高、效率低、劳动强度大。因此，在转向架部分涂覆防冰涂料，不仅有利于降低结冰造成的安全隐患，还能够大大减轻工作人员除冰作业的劳动强度。
研究最为广泛的防冰材料是具有低表面能特性的超疏水表面。超疏水表面具有微米、纳米或微纳米复合的微结构，可以通过束缚空气形成空气层，避免水滴的浸润，减小水滴冻结后冰层与基材的实际接触面积。但是超疏水性在高湿或高过冷环境下会失效，导致冰层与微结构形成机械锁交、冰粘附强度增大。此外，结构化表面耐磨性差，无法兼顾涂层的基本防护性能，缺乏实用性。研究表明，对于平滑表面而言，减小水滴接触角滞后，能够降低冰粘附强度，这为开发实用型防冰材料指明了方向。本文以高寒列车转向架防冰应用为导向，通过对比3种商品化具有低表面能特性的含氟羟基树脂，在实现涂层基本防护功能的前提下，评价其在降低冰粘附强度方面的作用，为实用型防冰涂料的制备与应用提供实验指导。
1、实验部分
1.1 主要原料及设备
氟碳树脂1、氟碳树脂2、氟硅树脂：市售；多异氰酸酯固化剂：N3390，科思创；钛白粉：R960金红石型，杜邦；消光粉：PERGOPAKM2，北京天恒健；PTFE蜡粉：德国CerOnas；分散剂BYK170、流平剂BYK300、消泡剂BYK088、增稠剂BYK411：毕克化学；乙酸丁酯：化学纯，北京化工厂。
砂磨分散一体机、漆膜磨耗仪、铅笔硬度计、漆膜柔韧性测试仪、漆膜冲击器：标格达精密仪器(广州)有限公司；JM2000DM型接触角测量仪：德国Kruss；冰粘附强度测试装置：自制。
1.2涂层制备
1.2.1清漆涂层的制备
按表1所示配方，向树脂中加入消泡剂、流平剂、增稠剂和乙酸丁酯，采用高速分散机分散1h，得到A组分。B组分是采用乙酸丁酯将N3390稀释至固含量为50%得到。
将清漆A、B组分按照—NCO和—OH等物质的量进行配制，充分搅拌混合均匀。采用岩田W-71-2G型喷枪喷涂制备清漆涂层，空气压力0.4MPa，喷涂距离200mm，室温放置固化7d后进行性能测试。
表1 清漆A组分配方
1.2.2白漆涂层的制备
按表2所示配方，向氟硅树脂中加入分散剂，搅拌混合均匀，再加入钛白粉、PTFE蜡粉、消光粉、消泡剂、流平剂，然后向体系中加入适量玻璃微珠，采用安装有砂磨盘的高速分散机进行研磨分散1h，最后加入乙酸丁酯调节固含量，过滤得到白漆A组分。B组分是采用乙酸丁酯将N3390稀释至固含量为50%得到。
表2 白漆A组分配方
将白漆A、B组分按照—NCO和—OH等物质的量进行配制，充分搅拌混合均匀。采用岩田W-71-2G型喷枪喷涂制备白漆涂层，空气压力0.4MPa，喷涂距离200mm，室温放置固化7d后进行性能测试。
1.3性能测试
1.3.1涂层基本性能测试
涂层硬度按照GB/T6739—2006测试；附着力按照GB/T9286—1998测试；柔韧性按照GB/T1731—381993测试；耐冲击性能按照GB/T1732—1993测试；耐磨性按照GB/T1768—2006测试；耐酸碱性能按照GB/T9274—1988测试；耐水性能按照GB/T1733—1993测试；耐油性能按照GB/T9274—1988测试；耐湿热性能按照GB/T1740—2007测试；耐盐雾性能按照ISO9227：2012测试；耐人工气候老化性能按照GB/T23987—2009测试。
1.3.2涂层疏水性能测试
采用JM2000DM型接触角测量仪对涂层进行接触角以及接触角滞后的测试。测试水滴体积为2μL。
1.3.3防冰性能测试
采用自制的冰粘附强度测试装置对上述3种树脂涂层的防冰性能进行表征。测试装置如图1所示，将涂层样板固定于精密控温冷台，向置于涂层表面内径为1cm的管状容器中注水，高度为1cm，在-20℃下冻结成冰并维持5h，期间向装置外罩中通入高纯氮气避免涂层表面结霜而对测试结果造成影响。然后通过移动平台控制测力计以5mm/s的速度，沿水平方向紧贴涂层表面推动样品使其脱落，测力计记录的最大推力为冰粘附力F，再根据式（1）计算得到冰粘附强度：
其中，τ—冰粘附强度；F—测试得到的冰粘附力；A—结冰试样与涂层表面的表观接触面积。
图1 冰粘附强度测试装置示意图
2、结果与讨论
2.1防冰涂料基体树脂的选择
研究表明，提高涂层表面的疏水性有利于降低冰粘附强度，改善其防冰性能。平滑固体表面的冰粘附强度与其疏水性有关，水滴接触角越大且水滴接触角滞后越小，冰粘附强度越低[6]。与传统的羟基丙烯酸树脂或饱和聚酯树脂基双组分聚氨酯涂料相比，采用含氟、含硅的羟基树脂制备的涂层，由于氟硅链段表面能低，易于向涂层表面迁移和聚集，能够提高表面的疏水性。本文从研究涂层疏水性和防冰性出发，对3种商品化含氟树脂应用于高寒列车转向架防冰涂料的可行性进行了讨论，3种树脂的基本性质如表3所示。
表3 不同类型含氟羟基树脂的基本性质
清漆涂层基本性能如表4所示。
表4 清漆涂层基本性能测试结果
由表4可以看出，采用3种不同树脂制备的清漆涂层硬度均可达到2H，附着力为0级，且具有良好的柔韧性和耐冲击性。但是，由于树脂分子结构的差异，涂层疏水性不同，其中，氟碳树脂1制备的涂层表面水滴静态接触角最小，仅为83°。氟碳树脂2由四氟乙烯单体和乙烯基醚、乙烯基酯单体共聚得到，分子中不含氯，其涂层表面接触角为91°。氟硅树脂中由于引入了有机硅单元，进一步改善了涂层的疏水性，其表面接触角高达98°，而且接触角滞后仅为28°，低于氟碳树脂1清漆涂层的37°和氟碳树脂2清漆涂层的33°。
2.2防冰涂料综合性能测试
鉴于氟硅树脂制备的清漆涂层表面疏水性最佳，且冰粘附强度最低，进一步采用氟硅树脂制备了白色防冰涂料面漆，涂层性能测试结果如表5所示。
表5 列车转向架白漆涂层性能测试结果
从表5可知，涂层的机械性能及化学稳定性等基本符合动车组转向架涂层的性能要求。
3、结语
本文对比研究了氟碳树脂1、氟碳树脂2和氟硅树脂涂层表面的疏水性和冰粘附强度，其中，采用氟硅树脂制备的清漆涂层表面疏水性最佳，接触角为98°，接触角滞后为28°。同时，氟硅树脂清漆涂层的防冰性能最优，在-20℃下的涂层表面冰粘附强度仅为141kPa，远低于氟碳树脂1的536kPa和氟碳树脂2的468kPa。进一步向氟硅树脂中添加颜填料等制备成白色防冰面漆后，其涂层表现出优异的综合性能，有望应用于高寒列车转向架防冰。
本文来源：《涂料工业》2020年第4期
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