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在寒冷冰雪環(huán)境中運行的高速列車易發(fā)生結冰現(xiàn)象，例如日本上越新干線以及我國的哈大高鐵等。高速列車轉向架主要包括構架、輪對、制動夾鉗、制動盤、空氣彈簧、減振器和各種管路等部件，是高速列車最重要的組件之一，一旦發(fā)生結冰就會對列車的正常行駛造成安全隱患。例如，轉向架區(qū)域結冰，掉落的冰塊可能會損壞車下部件與設備；空氣彈簧和減振器結冰，會影響車輛的動力學性能；閘片和制動盤之間混入冰粒等夾雜物后很容易劃傷制動盤，從而大大縮短制動盤的使用壽命；制動夾鉗結冰會影響其正常運作，導致列車無法有效施加基礎制動。轉向架發(fā)生結冰后的列車，需要進行入庫除冰作業(yè)，通常采用人工機械除冰、高壓水槍除冰、熱風除冰等多種方式，能耗高、效率低、勞動強度大。因此，在轉向架部分涂覆防冰涂料，不僅有利于降低結冰造成的安全隱患，還能夠大大減輕工作人員除冰作業(yè)的勞動強度。

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、納米或微納米復合的微結構，可以通過束縛空氣形成空氣層，避免水滴的浸潤，減小水滴凍結后冰層與基材的實際接觸面積。但是超疏水性在高濕或高過冷環(huán)境下會失效，導致冰層與微結構形成機械鎖交、冰粘附強度增大。此外，結構化表面耐磨性差，無法兼顧涂層的基本防護性能，缺乏實用性。研究表明，對于平滑表面而言，減小水滴接觸角滯后，能夠降低冰粘附強度，這為開發(fā)實用型防冰材料指明了方向。本文以高寒列車轉向架防冰應用為導向，通過對比3種商品化具有低表面能特性的含氟羥基樹脂，在實現(xiàn)涂層基本防護功能的前提下，評價其在降低冰粘附強度方面的作用，為實用型防冰涂料的制備與應用提供實驗指導。

氟碳樹脂1、氟碳樹脂2、氟硅樹脂：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??；PTFE蠟粉：德國CerOnas；分散劑BYK170、流平劑BYK300、消泡劑BYK088、增稠劑BYK411：畢克化學；乙酸丁酯：化學純，北京化工廠。

砂磨分散一體機、漆膜磨耗儀、鉛筆硬度計、漆膜柔韌性測試儀、漆膜沖擊器：標格達精密儀器(廣州)有限公司；JM2000DM型接觸角測量儀：德國Kruss；冰粘附強度測試裝置：自制。

1.2.1清漆涂層的制備

按表1所示配方，向樹脂中加入消泡劑、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等物質的量進行配制，充分攪拌混合均勻。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后進行性能測試。

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，采用安裝有砂磨盤的高速分散機進行研磨分散1h，最后加入乙酸丁酯調節(jié)固含量，過濾得到白漆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等物質的量進行配制，充分攪拌混合均勻。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后進行性能測試。

1.3.1涂層基本性能測試

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

1.3.2涂層疏水性能測試

采用JM2000DM型接觸角測量儀對涂層進行接觸角以及接觸角滯后的測試。測試水滴體積為2µL。

1.3.3防冰性能測試

采用自制的冰粘附強度測試裝置對上述3種樹脂涂層的防冰性能進行表征。測試裝置如圖1所示，將涂層樣板固定于精密控溫冷臺，向置于涂層表面內徑為1cm的管狀容器中注水，高度為1cm，在-20℃下凍結成冰并維持5h，期間向裝置外罩中通入高純氮氣避免涂層表面結霜而對測試結果造成影響。然后通過移動平臺控制測力計以5mm/s的速度，沿水平方向緊貼涂層表面推動樣品使其脫落，測力計記錄的最大推力為冰粘附力F，再根據式（1）計算得到冰粘附強度：

其中，τ—冰粘附強度；F—測試得到的冰粘附力；A—結冰試樣與涂層表面的表觀接觸面積。

圖1 冰粘附強度測試裝置示意圖

研究表明，提高涂層表面的疏水性有利于降低冰粘附強度，改善其防冰性能。平滑固體表面的冰粘附強度與其疏水性有關，水滴接觸角越大且水滴接觸角滯后越小，冰粘附強度越低[6]。與傳統(tǒng)的羥基丙烯酸樹脂或飽和聚酯樹脂基雙組分聚氨酯涂料相比，采用含氟、含硅的羥基樹脂制備的涂層，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3種商品化含氟樹脂應用于高寒列車轉向架防冰涂料的可行性進行了討論，3種樹脂的基本性質如表3所示。

表3 不同類型含氟羥基樹脂的基本性質

清漆涂層基本性能如表4所示。

表4 清漆涂層基本性能測試結果

由表4可以看出，采用3種不同樹脂制備的清漆涂層硬度均可達到2H，附著力為0級，且具有良好的柔韌性和耐沖擊性。但是，由于樹脂分子結構的差異，涂層疏水性不同，其中，氟碳樹脂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°。氟硅樹脂中由于引入了有機硅單元，進一步改善了涂層的疏水性，其表面接觸角高達98°，而且接觸角滯后僅為28°，低于氟碳樹脂1清漆涂層的37°和氟碳樹脂2清漆涂層的33°。

鑒于氟硅樹脂制備的清漆涂層表面疏水性最佳，且冰粘附強度最低，進一步采用氟硅樹脂制備了白色防冰涂料面漆，涂層性能測試結果如表5所示。

表5 列車轉向架白漆涂層性能測試結果

從表5可知，涂層的機械性能及化學穩(wěn)定性等基本符合動車組轉向架涂層的性能要求。

本文對比研究了氟碳樹脂1、氟碳樹脂2和氟硅樹脂涂層表面的疏水性和冰粘附強度，其中，采用氟硅樹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，氟硅樹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度僅為141kPa，遠低于氟碳樹脂1的536kPa和氟碳樹脂2的468kPa。進一步向氟硅樹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，有望應用于高寒列車轉向架防冰。