抗结冰涂料在轨道车辆上的应用研究

　　高速动车组在北方冬季运行时，车下重要组成部分转向架容易在风雪天气下发生覆冰，对制动效果和信号传输均带来不利影响，威胁车辆运行的安全和平稳性。抗结冰难题在冰雪灾害易发生的国家被广泛研究，我国近年来也做了许多相关的科研工作。学界主流观点认为，降低材料表面能可以有效降低水在材料表面的附着率，使水滴无法形成连续的水膜，进而有效防止水在材料表面结冰。通过在材料表面刷涂低表面能涂料用以改变材料表面能是最为行之有效的办法，目前市面上多数抗结冰涂料均是通过降低材料表面能来实现抗结冰功能。本文对不同品牌的抗结冰涂料做性能对比，结合性能分析选择一种涂料做真车试验，并通过真车试验结果，探讨抗结冰涂料在轨道车辆上的应用效果。

　　1 实验部分

　　1.1主要原料

　　SF90-0000/0双组分溶剂型抗结冰清漆（涂料A）：亮克威泽；HQSC-1000高耐候双组分溶剂型防冰雪清漆（涂料B）、WR-1000双组分溶剂型防冻融清漆（涂料C）：立邦；3249-500010双组分水性抗结冰清漆（涂料D）：威堡；FLONFINISH36双组分溶剂型抗结冰色漆（涂料E）：中远关西；SG08-7043双组分环氧面漆（涂料F）、SF34-3012双组分环氧底漆（涂料G）：亮克威泽。

　　1.2样板制取

　　根据本公司转向架涂装的现实情况和今后可能应用抗结冰涂料的方向，设计的涂层结构样板如下：

　　（1）涂料样板采用150mm×100mm铝制样板，喷漆前打砂处理；

　　（2）A、B、C、D4种清漆涂覆在预先喷涂亮克威泽SF08-7043双组分环氧面漆的样板上形成复合涂层样板，清漆厚度30~60μm；

　　（3）E实色漆涂覆在预先喷涂亮克威泽SG34-3012双组分环氧底漆的样板上形成复合涂层样板，实色漆厚度30~60μm；

　　（4）另取只喷涂亮克威泽SF08-7043双组分环氧面漆样板做对比样板F；

　　（5）各样板制样完成后，在18~30℃自然干燥48h后进行相关实验。

　　1.3测试与表征

　　1.3.1红外光谱分析

　　采用岛津FTIR8400S型红外光谱仪分析各类涂料主剂和固化剂主要成分。

　　1.3.2接触角测试

　　采用上海中晨JC2000C1型接触角/表面张力测定仪测定标准条件下各样板的水接触角。

　　1.3.3着冰力测试

　　着冰力测试目前行业无通用标准，本文所用到的方法来自企业标准，具体试验步骤如下：按图1所示，将5个钢环分别置于5块水平放置的样板上，分别将6mL5℃的水注入钢环（内径31mm、壁厚3mm、高25mm）内，将样板与钢环整体置于-25℃的低温箱内，水结冻24h后，用拉力计测定使钢环与样板发生剪切位移时所需要的最小的力。

图1 着冰力测试示意图

　　1.3.4滴水法测试

　　涂料的疏水性能决定水在材料表面的附着力，附着力越低越有利于抗结冰，采用滴水法测试涂料的疏水性能，滴水法测试目前行业无通用标准，本文所用到的方法来自企业标准，具体试验步骤如下：

　　（1）将5块样板至于45°角的样板架上，板的短边在上、下两端，漆膜向上；

　　（2）在距离样板底边100mm处做平行标记线；

　　（3）用滴管吸取纯净水，在样板的标记线上平行地滴3滴纯净水；

　　（4）观察水滴向板下端流淌的速度，记录水滴流到底边的时间。

　　2 结果与讨论

　　2.1红外表征分析

　　经红外测试分析，各涂料主剂和固化剂主要成分见表1。

表1 涂料成分分析

　　由表1可知，涂料A、B、C、D采用氟碳树脂作为主要成膜物，涂料E采用脂肪酸改性双酚A环氧树脂作为主要成膜物。

　　2.2接触角分析

　　采用量角法分别测试A、B、C、D、E、F样板的水接触角，每块样板做3组平行试验并记录平均值，结果见表2。

表2 接触角测试

　　从表2可见，除涂料D之外，其他4种涂料接触角均在100°左右，较对比样板F的水接触角有大幅提升，表现出良好的疏水性能，可使水滴无法形成连续的水膜。

　　2.3着冰力分析

　　冰在涂层上的附着力大小直接决定其被去除的难易程度，通过剪切位移法测定冰在涂层上的附着力，结果如表3所示。

表3 着冰力测试

　　从表3可以看出，各抗结冰涂料着冰力均明显小于普通面漆，其中涂料E着冰力较普通面漆降低了67.2%，说明抗结冰涂料的使用可有效降低冰对涂层的附着力，更有利于冰的去除。

　　2.4滴水试验分析

　　各样板滴水试验中，每块样板做3组平行试验并记录平均值，结果如表4所示。

表4 滴水试验分析

　　从表4可以看出，滴水试验结果与接触角测试结果相一致，水接触角大的样板水滴快速滚落，用时较短；水接触角小的样板水滴流淌落下，用时较长。

　　结合2.1~2.4试验结果，涂料A、C、E疏水性能优于其他测试涂料，且较普通涂料疏水性能提升明显。由于现有转向架油漆体系为：亮克威泽双组分环氧底漆+亮克威泽双组分环氧面漆，从工艺配套性角度选用同一厂家的涂料更为适合。另外，除了文中所列及的试验外，还测试了涂料的其他性能，拉拔试验结果证明涂料A的附着力大于4.3MPa，高于其他几种品牌涂料，此外，涂料A在光泽、划格测试等方面表现优异，综合以上因素，涂料A适合做轨道交通抗结冰涂料，因此，选取涂料A做实车测试。

　　2.5实车测试

　　结合历年转向架冰雪覆盖发生情况，选取在哈大线上运营的高速动车组进行实车测试，对同一列车的部分转向架进行抗结冰清漆喷涂，在实际运行一段时间后记录转向架结冰情况。结果如图2所示，其中，（a）、（c）分别为喷涂抗结冰清漆转向架结冰和融冰情况；（b）、（c）分别为未喷涂抗结冰清漆转向架结冰和融冰情况。

　　通过实车验证，得出如下结论：

　　（1）不论转向架是否涂覆抗结冰清漆，转向架上均会结冰；

　　（2）容易结冰的部位是电机底部、电线（管）附近、制动单元等，这些部件因发热导致积雪融化而结冰；

　　（3）构架表面上冰融化时，抗结冰清漆表现出疏水性和更低的冰附着力，具体表现为滴水更加明显且冰层脱落速度更快。

　　综合以上结论，涂抗结冰清漆不会影响转向架是否结冰，但涂层的疏水性有利于冰层的融化和脱落，也有利于除冰作业。

图2 涂料抗结冰性能对比测试

　　3 结语

　　轨道车辆车下部件结构复杂，冬季在高速运行过程中冰雪容易在转向架等部件上积存，加之某些部件发热导致积雪反复融化而结冰，对行车安全带来隐患。目前市面上的抗结冰涂料不能完全杜绝部件结冰，但其较低的表面能和疏水特性可加速冰层的融化和脱落，也有利于除冰作业。开发性能更优异的抗结冰涂料在轨道车辆领域具有良好的前景。