张 信， 胡 萍*， 黄樟华， 郭 阳， 骆 旎

(1.武汉理工大学 化学化工与生命科学学院， 武汉 430070；2.浙江宝晟铁路新材料科技有限公司， 浙江 嵊州 312400)



轮轨踏面摩擦控制剂制备及性能研究

张 信1， 胡 萍1*， 黄樟华2， 郭 阳1， 骆 旎1

(1.武汉理工大学 化学化工与生命科学学院， 武汉 430070；2.浙江宝晟铁路新材料科技有限公司， 浙江 嵊州 312400)

主要介绍了一种用于轮轨踏面的水基摩擦控制剂的制备方法，以及保持剂丙烯酸树脂乳液的固含量对于摩擦控制材料薄膜的基本性能、耐磨性以及摩擦系数的影响，从而优选出最佳的水性丙烯酸树脂加入量.实验结果表明，当丙烯酸树脂乳液的固含量为30%时，水基摩擦控制剂综合性能最优.

轮轨; 踏面; 水基; 摩擦控制剂; 水性丙烯酸树脂

轨道交通运输与其他方式相比，在相同的运量条件下有更少的能源消耗[1].因而轨道交通在过去的几十年里得到快速发展.对于轨道交通本身而言，主要的能量消耗是轮轨摩擦，减小轮轨摩擦阻力，既可以节能减排，又可以减少轮轨材料消耗[2].摩擦控制技术是21世纪新兴技术，是将能够实现摩擦控制的材料输送至钢轨踏面进行摩擦系数调控[3-5].摩擦控制材料可以在不降低牵引和制动需要的黏着系数情况下，通过改变轮轨摩擦系数，最大限度降低钢轨磨耗、能耗和轮轨表面接触应力，保持最佳的摩擦状态[6].经过车轮碾压后，水分蒸发，残留物在轨面形成一层稳定的固体薄膜，摩擦因数稳定在0.30～0.40之间[7]，可起到有效降低噪音、大程度减少钢轨磨损以及大程度降低列车脱轨概率等作用，因而研究钢轨踏面摩擦控制有很重要的现实意义[8-9].

1 摩擦控制剂的组成

国外对于液体摩擦控制剂的研究主要包括保持剂、流变调节剂、摩擦改性剂、润滑剂、润湿剂等[10].

本实验通过对原材料的筛选而制备摩擦控制剂，见图1.保持剂选择具有优良机械性能，可以制成高耐候性、高丰满度、高弹性、高硬度涂料的水性丙烯酸树脂.流变调节剂选择羧甲基纤维素钠，其所形成的溶液是非牛顿性流体，增加剪切力时黏度明显降低，使摩擦控制剂的使用涂覆更为方便.润滑剂选择层状结构，化学稳定性好，不溶于药品和溶剂，耐高温，无毒性且价格低廉的石墨.摩擦改性剂选择具有易分裂成鳞片的趋向和特殊的滑润性的滑石粉.润湿剂选择具有较好润湿性能的壬基酚聚氧乙烯醚.

图1 摩擦控制剂的主要成分Fig.1 The key ingredients of friction control agent

2 实验部分

2.1 实验原料

1，2-丙二醇：分析纯，国药集团化学试剂有限公司；甲醇：分析纯，国药集团化学试剂有限公司；石墨：分析纯，青岛天胜达有限公司；滑石粉：化学纯，晋中开发区中资化工有限公司；羧甲基纤维素钠：分析纯，上海化学制剂采购供应站；水性丙烯酸树脂：化学纯，广州昊禾化工产品有限公司；壬基酚聚氧乙烯醚：优级品，济南英出化工科技有限公司.

2.2 实验仪器

恒温水浴锅：HH-2，北京长安科学仪器厂；锥形磨：QZM-1型，天津市东亚材料试验厂；真空干燥箱：DZF-6020，上海博迅实业有限公司；集热式恒温加热磁力搅拌器：DF-101S，河南省予华仪器有限公司；电子天平：AL104，梅特勒拖利多仪器有限公司；傅立叶变换红外光谱仪：NEXUS 型，美国Thermo Nicolet公司；涂料耐洗刷仪：QFS，上海魅宇；旋转粘度计：NDJ-79，上海皆准仪器设备有限公司；高温TG-DSC热分析仪：STA449F3型，德国耐驰公司.

2.3 摩擦控制剂的制备

无机物的偶联处理：称取一定量的石墨，按1%的比例称取WD-50偶联剂，最后加入一定量的C2H6O，80℃下水浴搅拌4 h.搅拌结束后，进行物料的抽滤，最终将抽滤后的物料在干燥箱中干燥8 h.

摩擦控制剂的制备：称取一定量的丙烯酸树脂乳液，加入一定量的羧甲基纤维素钠，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.最后将混合物加入锥形磨中充分研磨，使摩擦控制剂中的固体粒子变细并混合的更加均匀，加之流变调节剂和润湿剂的作用，可得分散状态稳定的产品.

2.4 性能测试与结构表征

摩擦控制剂的好坏最重要的是保持剂水性丙烯酸树脂的加入量，按加入的丙烯酸树脂乳液固含量分别为20%、30%、40%以及50%，编号为1#、2#、3#、4#.进行如下测试研究：(1)采用傅立叶变换红外光谱仪分析偶联处理后石墨的红外光谱图；(2)采用国家标准GB9286-88规定，使用胶带法配合测试固体薄膜的附着力；(3)依据国家标准《GB6739-86涂膜硬度铅笔测定法》用铅笔法测试固体薄膜的硬度.(4)依据国家标准《GB/T1731-1993漆膜柔韧性测定法》采用轴棒测定器，使马口铁皮涂膜样板在不同直径的轴棒上弯折以测试固体薄膜的柔韧性.(5)依据国家标准《GB1733-1993漆膜耐水性测定法》规定，采用常温浸水法，将漆膜的样板浸入温度为24～26℃的去离子水中，达到规定时间后观察漆膜表面是否被破坏，如：起泡，发白，光泽度降低等，以测试固体薄膜的耐水性.(6)依据国家标准《GB/T 9266-2009建筑涂料涂层耐洗刷性的测定》，制备2块涂膜试片同时测试，有1块未露底则认为合格，用以测试固体薄膜的耐洗刷性.(7)按《GB/T 1723-1993涂料粘度测定法》，采用NDJ-79型旋转粘度计测试固体薄膜在25℃下的黏度.(8)采用DSC-TG综合热分析仪对固体薄膜进行热稳定性分析，空气气氛，升温速率为10℃/min，温度范围：室温～1000℃.(9)采用国家标准GB1768-(79)88规定，使用JM-1型漆膜耐磨仪对固体薄膜进行耐磨性测试；(10)采用XP-1型销-盘式数控摩擦磨损试验机对摩擦控制剂固体薄膜的摩擦系数进行测试.

3 结果与分析

3.1 红外光谱分析

采用Nicolet6700型傅里叶变换红外光谱仪对硅烷偶联剂WD-50偶联处理后的石墨进行红外分析.

由红外光谱图可知(图2)，使用偶联剂WD-50处理后的石墨，在3 401 cm-1的地方显示吸收峰，可能是由于γ-氨丙基三乙氧基硅烷发生了水解反应生成了缔合态的羟基.在1 160 cm-1出现较小的侧缝，1 094 cm-1处出现一处宽峰，显示为硅氧键的特征吸收峰，在1 558 cm-1处出现较小的峰面，此处为氨基的吸收峰.由硅烷偶联剂的红外光谱可知，通过偶联处理之后石墨的表面出现了偶联剂的官能团.

图2 硅烷偶联剂和偶联处理后的石墨红外光谱Fig.2 IR spectra of silane coupling agent and Graphite after coupling treatment

3.2 涂膜基本性能

涂膜基本性能见表1.

表1 涂膜基本性能

3.3 TG-DSC分析

采用 STA449F3 型高温TG-DSC热分析仪对摩擦控制材料薄膜在空气氛围的热失重进行了分析，温度范围为室温～1 000℃，升温速率为10℃/min.见图3.

在热失重的开始阶段有较大幅度的质量失重(约为38.43%)，此阶段内是有机小分子开始挥发，主要是自由态的水和结晶态的水开始分解，在200℃时基本分解完全.水性丙烯酸树脂的热失重温度范围为160～610℃；失重过程分两个阶段完成，第一阶段失重范围为 0～55%，第二阶段失重范围 60%～100%，在失重为 55%～60% 之间，两步失重出现重叠，到610℃分解基本完全.接着石墨开始分解，到900℃以后基本上分解完全，而滑石粉在1 000℃的时候也没开始分解，属于很稳定的成分.

由于钢轨的工作温度通常比环境温度高20～25℃，故一般来说，该涂膜的有效成分是不会分解的.

图3 2#样品TG / DSC曲线Fig.3 TG / DSC curves of 2# sample

3.4 耐磨性测试

按国家标准《GB1768-(79)88漆膜耐磨性能测试法》规定采用JM-1型漆膜耐磨仪测试.经一定的磨转次数后，以漆膜的失重来表示其耐磨性，失重法可不受漆膜厚度的影响，同样的负荷与转速，失重越小，耐磨性越好.实验条件：转数为500 r、 砝码重量为500 g．

样品是采用水性丙烯酸树脂作为载体，把石墨粘附在摩擦部件表面.涂层在对磨金属表面形成转移膜，隔离摩擦表面间直接接触，降低摩擦阻尼.由磨损率的数值来看，4#样品的耐磨性最差，2#的耐磨性最好(表2).

表2 不同样品磨损率

3.5 摩擦系数的测定

试验设备：XP-1型销-盘式数控摩擦磨损试验机.

试验条件：载荷2 kg、转速400 r/min、温度：室温、介质：干、摩擦时间：30 min.

试验过程：销-盘式摩擦试验机，上试样加工成销(45#钢)，销型试样为φ12 mm的圆筒状，将其用螺母固定于转轴之上，下试样加工成圆盘(45#钢)状，在实验进行之前，把销和圆盘用乙醇进行清洗，并进行干燥处理.将制得的摩擦控制剂涂于圆盘上，待完全干燥后，将下试样固定，上试样匀速转动，这样使销可以与干膜发生摩擦.试验是在干摩擦的条件下进行，测试时会通过电脑记录30 min之内每一个瞬时的摩擦系数，最终得出一个摩擦系数曲线表.见图4.

图4 摩擦系数测试结果Fig.4 Friction coefficient test results

在实际使用过程中摩擦控制材料需要在不降低牵引和制动需要的黏着系数情况下，遵循中等摩擦系数的要求(0.3～0.4)，以达到保护轮轨的作用.该实验通过销与涂膜之间的摩擦模拟实际工况中轮对于涂膜之间的摩擦，在一定程度上反映了实际工况中车轮对摩擦控制材料的摩擦系数变化，比较可知：1#，2#样品的摩擦系数曲线比较平滑，摩擦系数比较稳定，而3#与4#样品的摩擦曲线波动较大，系数不稳定.对比1#与2#样品可知，曲线稳定后，2#样品的摩擦系数更高，说明加入的丙烯酸树脂乳液的固含量越大，摩擦系数越高.3#与4#样品很容易被磨掉，可能是膜的柔韧度不够，摩擦系数不稳定与耐磨性有一定关系，耐磨性差的话，涂膜就很容易被磨掉，导致钢与钢之间发生摩擦，钢对钢的摩擦系数比钢对膜的摩擦系数大，所以导致曲线会出现陡然上升的结果.

4 结论

涂膜基本性能研究表明：使用水性丙烯酸树脂作为保持剂所形成的薄膜基本性能优良，具有很好的附着力、柔韧性、耐水耐冲刷性以及一定的粘度[10].

钢轨表面的工作温度通常比环境温度高20～25℃，由DSC图分析可知，摩擦控制剂有效成分质量开始减少的时候在160℃以后，说明摩擦控制剂在日常工作环境下是稳定的，不会分解.

耐磨性测试结果表明：基体树脂丙烯酸树脂乳液的固含量不同，对涂膜耐磨性的影响是很大的.2#样品中，丙烯酸树脂的固含量为30%，由磨损率数值可知，2#样品明显优于其他样品.

摩擦系数测试结果表明： 3#与4#样品的摩擦系数曲线不稳定，说明这两个样品不耐磨，与耐磨性测试中结果相同，分析1#与2#样品的摩擦系数：1#样品的摩擦系数在0.35左右，2#样品的摩擦系数在0.42左右，均符合中等摩擦系数的要求，但是2#样品的摩擦系数曲线图更稳定，故其是综合性能最优的样品.

[1] 张 念， 童宗文， 杨洪滨， 等. 轮轨踏面摩擦控制新技术[J].合成润滑材料， 2011(2):12-14．

[2] 余 军， 于水波， 杨兴宽. 重载铁路轮轨踏面摩擦控制器[J].铁道技术监督， 2013(5):49-53．

[3] 于水波， 余 军， 杨兴宽， 等. 道旁轮轨踏面摩擦调控设备研制与应用[J].中国铁路， 2013(6):81-84．

[4] 王文斌， 范钦海， 刘 力. 轨面摩擦控制技术防治曲线钢轨侧面磨耗研究[J]. 现代城市轨道交通， 2015(1):78-81．

[5] 张 念， 张建峰， 于贵武， 等. 大秦铁路重载钢轨踏面摩擦控制试验[J].中国铁路， 2011， 12:20-22．

[6] 张建峰， 高新平， 王卫东. 重载铁路钢轨打磨效果分析[J].铁道建筑， 2009(4):104-105．

[7] SUDA Y， IWASA T， KOMINE H， et al. Development of onboard friction control[J].Wear， 2005(3):1109-1114．

[8] LEWIS R， GALLARDO E A， COTTER J， et al. The effect of friction modifiers on wheel/rail isolation[J]. Wear, 2010(10):71-77.

[9] 郭 俊， 刘启跃， 王文健. 钢轨打磨对轮轨滚动接触斑行为影响研究[J].铁道建筑， 2009， 12:92-94．

[10] KELSAN T C.Friction control composition with enhanced retentivity.CA2381678A[P].2003-10-12．

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.

国家自然科学基金项目(51075311).

1000-1190(2016)02-0253-05

TH 117.2

A

*通讯联系人. E-mail: huping87850507@126.com.