在寒冷冰雪環(huán)境中運(yùn)行的高速列車(chē)易發(fā)生結(jié)冰現(xiàn)象，例如日本上越新干線(xiàn)以及我國(guó)的哈大高鐵等。高速列車(chē)轉(zhuǎn)向架主要包括構(gòu)架、輪對(duì)、制動(dòng)夾鉗、制動(dòng)盤(pán)、空氣彈簧、減振器和各種管路等部件，是高速列車(chē)最重要的組件之一，一旦發(fā)生結(jié)冰就會(huì)對(duì)列車(chē)的正常行駛造成安全隱患。例如，轉(zhuǎn)向架區(qū)域結(jié)冰，掉落的冰塊可能會(huì)損壞車(chē)下部件與設(shè)備；空氣彈簧和減振器結(jié)冰，會(huì)影響車(chē)輛的動(dòng)力學(xué)性能；閘片和制動(dòng)盤(pán)之間混入冰粒等夾雜物后很容易劃傷制動(dòng)盤(pán)，從而大大縮短制動(dòng)盤(pán)的使用壽命；制動(dòng)夾鉗結(jié)冰會(huì)影響其正常運(yùn)作，導(dǎo)致列車(chē)無(wú)法有效施加基礎(chǔ)制動(dòng)。轉(zhuǎn)向架發(fā)生結(jié)冰后的列車(chē)，需要進(jìn)行入庫(kù)除冰作業(yè)，通常采用人工機(jī)械除冰、高壓水槍除冰、熱風(fēng)除冰等多種方式，能耗高、效率低、勞動(dòng)強(qiáng)度大。因此，在轉(zhuǎn)向架部分涂覆防冰涂料，不僅有利于降低結(jié)冰造成的安全隱患，還能夠大大減輕工作人員除冰作業(yè)的勞動(dòng)強(qiáng)度。

研究最為廣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、納米或微納米復(fù)合的微結(jié)構(gòu)，可以通過(guò)束縛空氣形成空氣層，避免水滴的浸潤(rùn)，減小水滴凍結(jié)后冰層與基材的實(shí)際接觸面積。但是超疏水性在高濕或高過(guò)冷環(huán)境下會(huì)失效，導(dǎo)致冰層與微結(jié)構(gòu)形成機(jī)械鎖交、冰粘附強(qiáng)度增大。此外，結(jié)構(gòu)化表面耐磨性差，無(wú)法兼顧涂層的基本防護(hù)性能，缺乏實(shí)用性。研究表明，對(duì)于平滑表面而言，減小水滴接觸角滯后，能夠降低冰粘附強(qiáng)度，這為開(kāi)發(fā)實(shí)用型防冰材料指明了方向。本文以高寒列車(chē)轉(zhuǎn)向架防冰應(yīng)用為導(dǎo)向，通過(guò)對(duì)比3種商品化具有低表面能特性的含氟羥基樹(shù)脂，在實(shí)現(xiàn)涂層基本防護(hù)功能的前提下，評(píng)價(jià)其在降低冰粘附強(qiáng)度方面的作用，為實(shí)用型防冰涂料的制備與應(yīng)用提供實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)。

氟碳樹(shù)脂1、氟碳樹(shù)脂 2、氟硅樹(shù)脂：市售；多異氰酸酯固化劑：N3390，科思創(chuàng)；鈦白粉：R960金紅石型，杜邦；消光粉：PERGOPAKM2，北京天恒健；PTFE蠟粉：德國(guó)CerOnas；分散劑BYK170、流平劑BYK300、消泡劑BYK088、增稠劑BYK411：畢克化學(xué)；乙酸丁酯：化學(xué)純，北京化工廠。

砂磨分散一體機(jī)、漆膜磨耗儀、鉛筆硬度計(jì)、漆膜柔韌性測(cè)試儀、漆膜沖擊器：標(biāo)格達(dá)精密儀器(廣州)有限公司；JM2000DM型接觸角測(cè)量?jī)x：德國(guó)Kruss；冰粘附強(qiáng)度測(cè)試裝置：自制。

1.2.1清漆涂層的制備

按表1所示配方，向樹(shù)脂中加入消泡劑、流平劑、增稠劑和乙酸丁酯，采用高速分散機(jī)分散1h，得到A組分。B組分是采用乙酸丁酯將N3390稀釋至固含量為50%得到。

將清漆A、B組分按照—NCO和—OH等物質(zhì)的量進(jìn)行配制，充分?jǐn)嚢杌旌暇鶆?。采用巖田W-71-2G型噴槍噴涂制備清漆涂層，空氣壓力0.4MPa，噴涂距離200mm，室溫放置固化7d后進(jìn)行性能測(cè)試。

表1 清漆A組分配方

1.2.2白漆涂層的制備

按表2所示配方，向氟硅樹(shù)脂中加入分散劑，攪拌混合均勻，再加入鈦白粉、PTFE蠟粉、消光粉、消泡劑、流平劑，然后向體系中加入適量玻璃微珠，采用安裝有砂磨盤(pán)的高速分散機(jī)進(jìn)行研磨分散1h，最后加入乙酸丁酯調(diào)節(jié)固含量，過(guò)濾得到白漆A組分。B組分是采用乙酸丁酯將N3390稀釋至固含量為50%得到。

表2 白漆A組分配方

將白漆A、B組分按照—NCO和—OH等物質(zhì)的量進(jìn)行配制，充分?jǐn)嚢杌旌暇鶆?。采用巖田W-71-2G型噴槍噴涂制備白漆涂層，空氣壓力0.4MPa，噴涂距離200mm，室溫放置固化7d后進(jìn)行性能測(cè)試。

1.3.1涂層基本性能測(cè)試

涂層硬度按照GB/T6739—2006測(cè)試；附著力按照GB/T9286—1998測(cè)試；柔韌性按照GB/T1731—381993測(cè)試；耐沖擊性能按照GB/T1732—1993測(cè)試；耐磨性按照GB/T1768—2006測(cè)試；耐酸堿性能按照GB/T9274—1988測(cè)試；耐水性能按照GB/T1733—1993測(cè)試；耐油性能按照GB/T9274—1988測(cè)試；耐濕熱性能按照GB/T1740—2007測(cè)試；耐鹽霧性能按照ISO9227：2012測(cè)試；耐人工氣候老化性能按照GB/T23987—2009測(cè)試。

1.3.2涂層疏水性能測(cè)試

采用JM2000DM型接觸角測(cè)量?jī)x對(duì)涂層進(jìn)行接觸角以及接觸角滯后的測(cè)試。測(cè)試水滴體積為2μL。

1.3.3防冰性能測(cè)試

采用自制的冰粘附強(qiáng)度測(cè)試裝置對(duì)上述3種樹(shù)脂涂層的防冰性能進(jìn)行表征。測(cè)試裝置如圖1所示，將涂層樣板固定于精密控溫冷臺(tái)，向置于涂層表面內(nèi)徑為1cm的管狀容器中注水，高度為1cm，在-20℃下凍結(jié)成冰并維持5h，期間向裝置外罩中通入高純氮?dú)獗苊馔繉颖砻娼Y(jié)霜而對(duì)測(cè)試結(jié)果造成影響。然后通過(guò)移動(dòng)平臺(tái)控制測(cè)力計(jì)以5mm/s的速度，沿水平方向緊貼涂層表面推動(dòng)樣品使其脫落，測(cè)力計(jì)記錄的最大推力為冰粘附力F，再根據(jù)式（1）計(jì)算得到冰粘附強(qiáng)度：

其中，τ—冰粘附強(qiáng)度；F—測(cè)試得到的冰粘附力；A—結(jié)冰試樣與涂層表面的表觀接觸面積。

圖1 冰粘附強(qiáng)度測(cè)試裝置示意圖

研究表明，提高涂層表面的疏水性有利于降低冰粘附強(qiáng)度，改善其防冰性能。平滑固體表面的冰粘附強(qiáng)度與其疏水性有關(guān)，水滴接觸角越大且水滴接觸角滯后越小，冰粘附強(qiáng)度越低[6]。與傳統(tǒng)的羥基丙烯酸樹(shù)脂或飽和聚酯樹(shù)脂基雙組分聚氨酯涂料相比，采用含氟、含硅的羥基樹(shù)脂制備的涂層，由于氟硅鏈段表面能低，易于向涂層表面遷移和聚集，能夠提高表面的疏水性。本文從研究涂層疏水性和防冰性出發(fā)，對(duì)3種商品化含氟樹(shù)脂應(yīng)用于高寒列車(chē)轉(zhuǎn)向架防冰涂料的可行性進(jìn)行了討論，3種樹(shù)脂的基本性質(zhì)如表3所示。

表3 不同類(lèi)型含氟羥基樹(shù)脂的基本性質(zhì)

清漆涂層基本性能如表4所示。

表4 清漆涂層基本性能測(cè)試結(jié)果

由表4可以看出，采用3種不同樹(shù)脂制備的清漆涂層硬度均可達(dá)到2H，附著力為0級(jí)，且具有良好的柔韌性和耐沖擊性。但是，由于樹(shù)脂分子結(jié)構(gòu)的差異，涂層疏水性不同，其中，氟碳樹(shù)脂1制備的涂層表面水滴靜態(tài)接觸角最小，僅為83°。氟碳樹(shù)脂2由四氟乙烯單體和乙烯基醚、乙烯基酯單體共聚得到，分子中不含氯，其涂層表面接觸角為91°。氟硅樹(shù)脂中由于引入了有機(jī)硅單元，進(jìn)一步改善了涂層的疏水性，其表面接觸角高達(dá)98°，而且接觸角滯后僅為28°，低于氟碳樹(shù)脂1清漆涂層的37°和氟碳樹(shù)脂2清漆涂層的33°。

鑒于氟硅樹(shù)脂制備的清漆涂層表面疏水性最佳，且冰粘附強(qiáng)度最低，進(jìn)一步采用氟硅樹(shù)脂制備了白色防冰涂料面漆，涂層性能測(cè)試結(jié)果如表5所示。

表5 列車(chē)轉(zhuǎn)向架白漆涂層性能測(cè)試結(jié)果

從表5可知，涂層的機(jī)械性能及化學(xué)穩(wěn)定性等基本符合動(dòng)車(chē)組轉(zhuǎn)向架涂層的性能要求。

本文對(duì)比研究了氟碳樹(shù)脂1、氟碳樹(shù)脂2和氟硅樹(shù)脂涂層表面的疏水性和冰粘附強(qiáng)度，其中，采用氟硅樹(shù)脂制備的清漆涂層表面疏水性最佳，接觸角為98°，接觸角滯后為28°。同時(shí)，氟硅樹(shù)脂清漆涂層的防冰性能最優(yōu)，在-20℃下的涂層表面冰粘附強(qiáng)度僅為141kPa，遠(yuǎn)低于氟碳樹(shù)脂1的536kPa和氟碳樹(shù)脂2的468kPa。進(jìn)一步向氟硅樹(shù)脂中添加顏填料等制備成白色防冰面漆后，其涂層表現(xiàn)出優(yōu)異的綜合性能，有望應(yīng)用于高寒列車(chē)轉(zhuǎn)向架防冰。