輪軌踏面摩擦控制劑制備及性能研究

張 信， 胡 萍*， 黃樟華， 郭 陽， 駱 旎

(1.武漢理工大學 化學化工與生命科學學院， 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 化學化工與生命科學學院， 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于摩擦控制材料薄膜的基本性能、耐磨性以及摩擦系數的影響，從而優選出最佳的水性丙烯酸樹脂加入量.實驗結果表明，當丙烯酸樹脂乳液的固含量為30%時，水基摩擦控制劑綜合性能最優.

輪軌; 踏面; 水基; 摩擦控制劑; 水性丙烯酸樹脂

軌道交通運輸與其他方式相比，在相同的運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展.對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，既可以節能減排，又可以減少輪軌材料消耗[2].摩擦控制技術是21世紀新興技術，是將能夠實現摩擦控制的材料輸送至鋼軌踏面進行摩擦系數調控[3-5].摩擦控制材料可以在不降低牽引和制動需要的黏著系數情況下，通過改變輪軌摩擦系數，最大限度降低鋼軌磨耗、能耗和輪軌表面接觸應力，保持最佳的摩擦狀態[6].經過車輪碾壓后，水分蒸發，殘留物在軌面形成一層穩定的固體薄膜，摩擦因數穩定在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實意義[8-9].

1 摩擦控制劑的組成

國外對于液體摩擦控制劑的研究主要包括保持劑、流變調節劑、摩擦改性劑、潤滑劑、潤濕劑等[10].

本實驗通過對原材料的篩選而制備摩擦控制劑，見圖1.保持劑選擇具有優良機械性能，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.流變調節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.潤滑劑選擇層狀結構，化學穩定性好，不溶于藥品和溶劑，耐高溫，無毒性且價格低廉的石墨.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 實驗部分

2.1 實驗原料

1，2-丙二醇：分析純，國藥集團化學試劑有限公司；甲醇：分析純，國藥集團化學試劑有限公司；石墨：分析純，青島天勝達有限公司；滑石粉：化學純，晉中開發區中資化工有限公司；羧甲基纖維素鈉：分析純，上海化學制劑采購供應站；水性丙烯酸樹脂：化學純，廣州昊禾化工產品有限公司；壬基酚聚氧乙烯醚：優級品，濟南英出化工科技有限公司.

2.2 實驗儀器

恒溫水浴鍋：HH-2，北京長安科學儀器廠；錐形磨：QZM-1型，天津市東亞材料試驗廠；真空干燥箱：DZF-6020，上海博迅實業有限公司；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；旋轉粘度計：NDJ-79，上海皆準儀器設備有限公司；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

無機物的偶聯處理：稱取一定量的石墨，按1%的比例稱取WD-50偶聯劑，最后加入一定量的C2H6O，80℃下水浴攪拌4 h.攪拌結束后，進行物料的抽濾，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并混合的更加均勻，加之流變調節劑和潤濕劑的作用，可得分散狀態穩定的產品.

2.4 性能測試與結構表征

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%，編號為1#、2#、3#、4#.進行如下測試研究：(1)采用傅立葉變換紅外光譜儀分析偶聯處理后石墨的紅外光譜圖；(2)采用國家標準GB9286-88規定，使用膠帶法配合測試固體薄膜的附著力；(3)依據國家標準《GB6739-86涂膜硬度鉛筆測定法》用鉛筆法測試固體薄膜的硬度.(4)依據國家標準《GB/T1731-1993漆膜柔韌性測定法》采用軸棒測定器，使馬口鐵皮涂膜樣板在不同直徑的軸棒上彎折以測試固體薄膜的柔韌性.(5)依據國家標準《GB1733-1993漆膜耐水性測定法》規定，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，達到規定時間后觀察漆膜表面是否被破壞，如：起泡，發白，光澤度降低等，以測試固體薄膜的耐水性.(6)依據國家標準《GB/T 9266-2009建筑涂料涂層耐洗刷性的測定》，制備2塊涂膜試片同時測試，有1塊未露底則認為合格，用以測試固體薄膜的耐洗刷性.(7)按《GB/T 1723-1993涂料粘度測定法》，采用NDJ-79型旋轉粘度計測試固體薄膜在25℃下的黏度.(8)采用DSC-TG綜合熱分析儀對固體薄膜進行熱穩定性分析，空氣氣氛，升溫速率為10℃/min，溫度范圍：室溫～1000℃.(9)采用國家標準GB1768-(79)88規定，使用JM-1型漆膜耐磨儀對固體薄膜進行耐磨性測試；(10)采用XP-1型銷-盤式數控摩擦磨損試驗機對摩擦控制劑固體薄膜的摩擦系數進行測試.

3 結果與分析

3.1 紅外光譜分析

采用Nicolet6700型傅里葉變換紅外光譜儀對硅烷偶聯劑WD-50偶聯處理后的石墨進行紅外分析.

由紅外光譜圖可知(圖2)，使用偶聯劑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生了水解反應生成了締合態的羥基.在1 160 cm-1出現較小的側縫，1 094 cm-1處出現一處寬峰，顯示為硅氧鍵的特征吸收峰，在1 558 cm-1處出現較小的峰面，此處為氨基的吸收峰.由硅烷偶聯劑的紅外光譜可知，通過偶聯處理之后石墨的表面出現了偶聯劑的官能團.

圖2 硅烷偶聯劑和偶聯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熱分析儀對摩擦控制材料薄膜在空氣氛圍的熱失重進行了分析，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量失重(約為38.43%)，此階段內是有機小分子開始揮發，主要是自由態的水和結晶態的水開始分解，在200℃時基本分解完全.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℃的時候也沒開始分解，屬于很穩定的成分.

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

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

3.4 耐磨性測試

按國家標準《GB1768-(79)88漆膜耐磨性能測試法》規定采用JM-1型漆膜耐磨儀測試.經一定的磨轉次數后，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，同樣的負荷與轉速，失重越小，耐磨性越好.實驗條件：轉數為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.涂層在對磨金屬表面形成轉移膜，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 摩擦系數的測定

試驗設備：XP-1型銷-盤式數控摩擦磨損試驗機.

試驗條件：載荷2 kg、轉速400 r/min、溫度：室溫、介質：干、摩擦時間：30 min.

試驗過程：銷-盤式摩擦試驗機，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軸之上，下試樣加工成圓盤(45#鋼)狀，在實驗進行之前，把銷和圓盤用乙醇進行清洗，并進行干燥處理.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，上試樣勻速轉動，這樣使銷可以與干膜發生摩擦.試驗是在干摩擦的條件下進行，測試時會通過電腦記錄30 min之內每一個瞬時的摩擦系數，最終得出一個摩擦系數曲線表.見圖4.

圖4 摩擦系數測試結果Fig.4 Friction coefficient test results

在實際使用過程中摩擦控制材料需要在不降低牽引和制動需要的黏著系數情況下，遵循中等摩擦系數的要求(0.3～0.4)，以達到保護輪軌的作用.該實驗通過銷與涂膜之間的摩擦模擬實際工況中輪對于涂膜之間的摩擦，在一定程度上反映了實際工況中車輪對摩擦控制材料的摩擦系數變化，比較可知：1#，2#樣品的摩擦系數曲線比較平滑，摩擦系數比較穩定，而3#與4#樣品的摩擦曲線波動較大，系數不穩定.對比1#與2#樣品可知，曲線穩定后，2#樣品的摩擦系數更高，說明加入的丙烯酸樹脂乳液的固含量越大，摩擦系數越高.3#與4#樣品很容易被磨掉，可能是膜的柔韌度不夠，摩擦系數不穩定與耐磨性有一定關系，耐磨性差的話，涂膜就很容易被磨掉，導致鋼與鋼之間發生摩擦，鋼對鋼的摩擦系數比鋼對膜的摩擦系數大，所以導致曲線會出現陡然上升的結果.

4 結論

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境溫度高20～25℃，由DSC圖分析可知，摩擦控制劑有效成分質量開始減少的時候在160℃以后，說明摩擦控制劑在日常工作環境下是穩定的，不會分解.

耐磨性測試結果表明：基體樹脂丙烯酸樹脂乳液的固含量不同，對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%，由磨損率數值可知，2#樣品明顯優于其他樣品.

摩擦系數測試結果表明： 3#與4#樣品的摩擦系數曲線不穩定，說明這兩個樣品不耐磨，與耐磨性測試中結果相同，分析1#與2#樣品的摩擦系數：1#樣品的摩擦系數在0.35左右，2#樣品的摩擦系數在0.42左右，均符合中等摩擦系數的要求，但是2#樣品的摩擦系數曲線圖更穩定，故其是綜合性能最優的樣品.

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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.

國家自然科學基金項目(51075311).

1000-1190(2016)02-0253-05

TH 117.2

A

*通訊聯系人. E-mail: huping87850507@126.com.