張 信， 胡 萍*， 黃樟華， 郭 陽， 駱 旎

(1.武漢理工大學(xué) 化學(xué)化工與生命科學(xué)學(xué)院， 武漢 430070；2.浙江寶晟鐵路新材料科技有限公司， 浙江 嵊州 312400)

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輪軌踏面摩擦控制劑制備及性能研究

張 信1， 胡 萍1*， 黃樟華2， 郭 陽1， 駱 旎1

(1.武漢理工大學(xué) 化學(xué)化工與生命科學(xué)學(xué)院， 武漢 430070；2.浙江寶晟鐵路新材料科技有限公司， 浙江 嵊州 312400)

主要介紹了一種用于輪軌踏面的水基摩擦控制劑的制備方法，以及保持劑丙烯酸樹脂乳液的固含量對(duì)于摩擦控制材料薄膜的基本性能、耐磨性以及摩擦系數(shù)的影響，從而優(yōu)選出最佳的水性丙烯酸樹脂加入量.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)丙烯酸樹脂乳液的固含量為30%時(shí)，水基摩擦控制劑綜合性能最優(yōu).

輪軌; 踏面; 水基; 摩擦控制劑; 水性丙烯酸樹脂

軌道交通運(yùn)輸與其他方式相比，在相同的運(yùn)量條件下有更少的能源消耗[1].因而軌道交通在過去的幾十年里得到快速發(fā)展.對(duì)于軌道交通本身而言，主要的能量消耗是輪軌摩擦，減小輪軌摩擦阻力，既可以節(jié)能減排，又可以減少輪軌材料消耗[2].摩擦控制技術(shù)是21世紀(jì)新興技術(shù)，是將能夠?qū)崿F(xiàn)摩擦控制的材料輸送至鋼軌踏面進(jìn)行摩擦系數(shù)調(diào)控[3-5].摩擦控制材料可以在不降低牽引和制動(dòng)需要的黏著系數(shù)情況下，通過改變輪軌摩擦系數(shù)，最大限度降低鋼軌磨耗、能耗和輪軌表面接觸應(yīng)力，保持最佳的摩擦狀態(tài)[6].經(jīng)過車輪碾壓后，水分蒸發(fā)，殘留物在軌面形成一層穩(wěn)定的固體薄膜，摩擦因數(shù)穩(wěn)定在0.30～0.40之間[7]，可起到有效降低噪音、大程度減少鋼軌磨損以及大程度降低列車脫軌概率等作用，因而研究鋼軌踏面摩擦控制有很重要的現(xiàn)實(shí)意義[8-9].

1 摩擦控制劑的組成

國外對(duì)于液體摩擦控制劑的研究主要包括保持劑、流變調(diào)節(jié)劑、摩擦改性劑、潤滑劑、潤濕劑等[10].

本實(shí)驗(yàn)通過對(duì)原材料的篩選而制備摩擦控制劑，見圖1.保持劑選擇具有優(yōu)良機(jī)械性能，可以制成高耐候性、高豐滿度、高彈性、高硬度涂料的水性丙烯酸樹脂.流變調(diào)節(jié)劑選擇羧甲基纖維素鈉，其所形成的溶液是非牛頓性流體，增加剪切力時(shí)黏度明顯降低，使摩擦控制劑的使用涂覆更為方便.潤滑劑選擇層狀結(jié)構(gòu)，化學(xué)穩(wěn)定性好，不溶于藥品和溶劑，耐高溫，無毒性且價(jià)格低廉的石墨.摩擦改性劑選擇具有易分裂成鱗片的趨向和特殊的滑潤性的滑石粉.潤濕劑選擇具有較好潤濕性能的壬基酚聚氧乙烯醚.

圖1 摩擦控制劑的主要成分Fig.1 The key ingredients of friction control agent

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 實(shí)驗(yàn)原料

1，2-丙二醇：分析純，國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；甲醇：分析純，國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；石墨：分析純，青島天勝達(dá)有限公司；滑石粉：化學(xué)純，晉中開發(fā)區(qū)中資化工有限公司；羧甲基纖維素鈉：分析純，上?；瘜W(xué)制劑采購供應(yīng)站；水性丙烯酸樹脂：化學(xué)純，廣州昊禾化工產(chǎn)品有限公司；壬基酚聚氧乙烯醚：優(yōu)級(jí)品，濟(jì)南英出化工科技有限公司.

2.2 實(shí)驗(yàn)儀器

恒溫水浴鍋：HH-2，北京長安科學(xué)儀器廠；錐形磨：QZM-1型，天津市東亞材料試驗(yàn)廠；真空干燥箱：DZF-6020，上海博迅實(shí)業(yè)有限公司；集熱式恒溫加熱磁力攪拌器：DF-101S，河南省予華儀器有限公司；電子天平：AL104，梅特勒拖利多儀器有限公司；傅立葉變換紅外光譜儀：NEXUS 型，美國Thermo Nicolet公司；涂料耐洗刷儀：QFS，上海魅宇；旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)：NDJ-79，上海皆準(zhǔn)儀器設(shè)備有限公司；高溫TG-DSC熱分析儀：STA449F3型，德國耐馳公司.

2.3 摩擦控制劑的制備

無機(jī)物的偶聯(lián)處理：稱取一定量的石墨，按1%的比例稱取WD-50偶聯(lián)劑，最后加入一定量的C2H6O，80℃下水浴攪拌4 h.攪拌結(jié)束后，進(jìn)行物料的抽濾，最終將抽濾后的物料在干燥箱中干燥8 h.

摩擦控制劑的制備：稱取一定量的丙烯酸樹脂乳液，加入一定量的羧甲基纖維素鈉，充分溶解；再加入少量的壬基酚聚氧乙烯醚，分散充分；按1∶1加入一定量的石墨和滑石粉，再加入一定量的甲醇和1，3-丙二醇，使其充分分散5～10 min.最后將混合物加入錐形磨中充分研磨，使摩擦控制劑中的固體粒子變細(xì)并混合的更加均勻，加之流變調(diào)節(jié)劑和潤濕劑的作用，可得分散狀態(tài)穩(wěn)定的產(chǎn)品.

2.4 性能測(cè)試與結(jié)構(gòu)表征

摩擦控制劑的好壞最重要的是保持劑水性丙烯酸樹脂的加入量，按加入的丙烯酸樹脂乳液固含量分別為20%、30%、40%以及50%，編號(hào)為1#、2#、3#、4#.進(jìn)行如下測(cè)試研究：(1)采用傅立葉變換紅外光譜儀分析偶聯(lián)處理后石墨的紅外光譜圖；(2)采用國家標(biāo)準(zhǔn)GB9286-88規(guī)定，使用膠帶法配合測(cè)試固體薄膜的附著力；(3)依據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)《GB6739-86涂膜硬度鉛筆測(cè)定法》用鉛筆法測(cè)試固體薄膜的硬度.(4)依據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)《GB/T1731-1993漆膜柔韌性測(cè)定法》采用軸棒測(cè)定器，使馬口鐵皮涂膜樣板在不同直徑的軸棒上彎折以測(cè)試固體薄膜的柔韌性.(5)依據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)《GB1733-1993漆膜耐水性測(cè)定法》規(guī)定，采用常溫浸水法，將漆膜的樣板浸入溫度為24～26℃的去離子水中，達(dá)到規(guī)定時(shí)間后觀察漆膜表面是否被破壞，如：起泡，發(fā)白，光澤度降低等，以測(cè)試固體薄膜的耐水性.(6)依據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)《GB/T 9266-2009建筑涂料涂層耐洗刷性的測(cè)定》，制備2塊涂膜試片同時(shí)測(cè)試，有1塊未露底則認(rèn)為合格，用以測(cè)試固體薄膜的耐洗刷性.(7)按《GB/T 1723-1993涂料粘度測(cè)定法》，采用NDJ-79型旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)測(cè)試固體薄膜在25℃下的黏度.(8)采用DSC-TG綜合熱分析儀對(duì)固體薄膜進(jìn)行熱穩(wěn)定性分析，空氣氣氛，升溫速率為10℃/min，溫度范圍：室溫～1000℃.(9)采用國家標(biāo)準(zhǔn)GB1768-(79)88規(guī)定，使用JM-1型漆膜耐磨儀對(duì)固體薄膜進(jìn)行耐磨性測(cè)試；(10)采用XP-1型銷-盤式數(shù)控摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)對(duì)摩擦控制劑固體薄膜的摩擦系數(shù)進(jìn)行測(cè)試.

3 結(jié)果與分析

3.1 紅外光譜分析

采用Nicolet6700型傅里葉變換紅外光譜儀對(duì)硅烷偶聯(lián)劑WD-50偶聯(lián)處理后的石墨進(jìn)行紅外分析.

由紅外光譜圖可知(圖2)，使用偶聯(lián)劑WD-50處理后的石墨，在3 401 cm-1的地方顯示吸收峰，可能是由于γ-氨丙基三乙氧基硅烷發(fā)生了水解反應(yīng)生成了締合態(tài)的羥基.在1 160 cm-1出現(xiàn)較小的側(cè)縫，1 094 cm-1處出現(xiàn)一處寬峰，顯示為硅氧鍵的特征吸收峰，在1 558 cm-1處出現(xiàn)較小的峰面，此處為氨基的吸收峰.由硅烷偶聯(lián)劑的紅外光譜可知，通過偶聯(lián)處理之后石墨的表面出現(xiàn)了偶聯(lián)劑的官能團(tuán).

圖2 硅烷偶聯(lián)劑和偶聯(lián)處理后的石墨紅外光譜Fig.2 IR spectra of silane coupling agent and Graphite after coupling treatment

3.2 涂膜基本性能

涂膜基本性能見表1.

表1 涂膜基本性能

3.3 TG-DSC分析

采用 STA449F3 型高溫TG-DSC熱分析儀對(duì)摩擦控制材料薄膜在空氣氛圍的熱失重進(jìn)行了分析，溫度范圍為室溫～1 000℃，升溫速率為10℃/min.見圖3.

在熱失重的開始階段有較大幅度的質(zhì)量失重(約為38.43%)，此階段內(nèi)是有機(jī)小分子開始揮發(fā)，主要是自由態(tài)的水和結(jié)晶態(tài)的水開始分解，在200℃時(shí)基本分解完全.水性丙烯酸樹脂的熱失重溫度范圍為160～610℃；失重過程分兩個(gè)階段完成，第一階段失重范圍為 0～55%，第二階段失重范圍 60%～100%，在失重為 55%～60% 之間，兩步失重出現(xiàn)重疊，到610℃分解基本完全.接著石墨開始分解，到900℃以后基本上分解完全，而滑石粉在1 000℃的時(shí)候也沒開始分解，屬于很穩(wěn)定的成分.

由于鋼軌的工作溫度通常比環(huán)境溫度高20～25℃，故一般來說，該涂膜的有效成分是不會(huì)分解的.

圖3 2#樣品TG / DSC曲線Fig.3 TG / DSC curves of 2# sample

3.4 耐磨性測(cè)試

按國家標(biāo)準(zhǔn)《GB1768-(79)88漆膜耐磨性能測(cè)試法》規(guī)定采用JM-1型漆膜耐磨儀測(cè)試.經(jīng)一定的磨轉(zhuǎn)次數(shù)后，以漆膜的失重來表示其耐磨性，失重法可不受漆膜厚度的影響，同樣的負(fù)荷與轉(zhuǎn)速，失重越小，耐磨性越好.實(shí)驗(yàn)條件：轉(zhuǎn)數(shù)為500 r、 砝碼重量為500 g．

樣品是采用水性丙烯酸樹脂作為載體，把石墨粘附在摩擦部件表面.涂層在對(duì)磨金屬表面形成轉(zhuǎn)移膜，隔離摩擦表面間直接接觸，降低摩擦阻尼.由磨損率的數(shù)值來看，4#樣品的耐磨性最差，2#的耐磨性最好(表2).

表2 不同樣品磨損率

3.5 摩擦系數(shù)的測(cè)定

試驗(yàn)設(shè)備：XP-1型銷-盤式數(shù)控摩擦磨損試驗(yàn)機(jī).

試驗(yàn)條件：載荷2 kg、轉(zhuǎn)速400 r/min、溫度：室溫、介質(zhì)：干、摩擦?xí)r間：30 min.

試驗(yàn)過程：銷-盤式摩擦試驗(yàn)機(jī)，上試樣加工成銷(45#鋼)，銷型試樣為φ12 mm的圓筒狀，將其用螺母固定于轉(zhuǎn)軸之上，下試樣加工成圓盤(45#鋼)狀，在實(shí)驗(yàn)進(jìn)行之前，把銷和圓盤用乙醇進(jìn)行清洗，并進(jìn)行干燥處理.將制得的摩擦控制劑涂于圓盤上，待完全干燥后，將下試樣固定，上試樣勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，這樣使銷可以與干膜發(fā)生摩擦.試驗(yàn)是在干摩擦的條件下進(jìn)行，測(cè)試時(shí)會(huì)通過電腦記錄30 min之內(nèi)每一個(gè)瞬時(shí)的摩擦系數(shù)，最終得出一個(gè)摩擦系數(shù)曲線表.見圖4.

圖4 摩擦系數(shù)測(cè)試結(jié)果Fig.4 Friction coefficient test results

在實(shí)際使用過程中摩擦控制材料需要在不降低牽引和制動(dòng)需要的黏著系數(shù)情況下，遵循中等摩擦系數(shù)的要求(0.3～0.4)，以達(dá)到保護(hù)輪軌的作用.該實(shí)驗(yàn)通過銷與涂膜之間的摩擦模擬實(shí)際工況中輪對(duì)于涂膜之間的摩擦，在一定程度上反映了實(shí)際工況中車輪對(duì)摩擦控制材料的摩擦系數(shù)變化，比較可知：1#，2#樣品的摩擦系數(shù)曲線比較平滑，摩擦系數(shù)比較穩(wěn)定，而3#與4#樣品的摩擦曲線波動(dòng)較大，系數(shù)不穩(wěn)定.對(duì)比1#與2#樣品可知，曲線穩(wěn)定后，2#樣品的摩擦系數(shù)更高，說明加入的丙烯酸樹脂乳液的固含量越大，摩擦系數(shù)越高.3#與4#樣品很容易被磨掉，可能是膜的柔韌度不夠，摩擦系數(shù)不穩(wěn)定與耐磨性有一定關(guān)系，耐磨性差的話，涂膜就很容易被磨掉，導(dǎo)致鋼與鋼之間發(fā)生摩擦，鋼對(duì)鋼的摩擦系數(shù)比鋼對(duì)膜的摩擦系數(shù)大，所以導(dǎo)致曲線會(huì)出現(xiàn)陡然上升的結(jié)果.

4 結(jié)論

涂膜基本性能研究表明：使用水性丙烯酸樹脂作為保持劑所形成的薄膜基本性能優(yōu)良，具有很好的附著力、柔韌性、耐水耐沖刷性以及一定的粘度[10].

鋼軌表面的工作溫度通常比環(huán)境溫度高20～25℃，由DSC圖分析可知，摩擦控制劑有效成分質(zhì)量開始減少的時(shí)候在160℃以后，說明摩擦控制劑在日常工作環(huán)境下是穩(wěn)定的，不會(huì)分解.

耐磨性測(cè)試結(jié)果表明：基體樹脂丙烯酸樹脂乳液的固含量不同，對(duì)涂膜耐磨性的影響是很大的.2#樣品中，丙烯酸樹脂的固含量為30%，由磨損率數(shù)值可知，2#樣品明顯優(yōu)于其他樣品.

摩擦系數(shù)測(cè)試結(jié)果表明： 3#與4#樣品的摩擦系數(shù)曲線不穩(wěn)定，說明這兩個(gè)樣品不耐磨，與耐磨性測(cè)試中結(jié)果相同，分析1#與2#樣品的摩擦系數(shù)：1#樣品的摩擦系數(shù)在0.35左右，2#樣品的摩擦系數(shù)在0.42左右，均符合中等摩擦系數(shù)的要求，但是2#樣品的摩擦系數(shù)曲線圖更穩(wěn)定，故其是綜合性能最優(yōu)的樣品.

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Study on the preparation and properties of wheel/rail tread friction control agent

ZHANG Xin1， HU Ping1， HUANG Zhanghua2， GUO Yang1， LUO Ni1

(1.School of Chemistry， Chemical Engineering and Life Sciences， Wuhan University of Technology， Wuhan 430070；2.Zhejiang Baosheng Railway Materials Co.Ltd， Shengzhou， Zhejiang 312400)

In the present work， a novel method was introduced for the preparation of water-based friction control agent used in wheel/rail tread. The effect of solid content of acrylic resins emulsion were evaluated on fundamental characteristics， wear resistance and friction coefficient of the film， to select the best addition amount of acrylic resins. The results showed that the best performance of water-base friction control agent reached at a solid content of 30%．

wheel/rail； tread； water-based； friction control agent； acrylic resins

2015-11-26.

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51075311).

1000-1190(2016)02-0253-05

TH 117.2

A

*通訊聯(lián)系人. E-mail: huping87850507@126.com.