高速动车组车底防冰涂料探究

1 概述
自然环境中常见的结冰、结霜现象会给交通运输、电力输送等行业带来极大影响。

截至2015年末，中国铁路营运里程达到12万km，其中高铁1.9万km，位居世界第一。

随着高铁运营里程的不断增长，北方冬季动车组转向架底部结冰问题凸显。

现场调研发现，高速动车组结冰主要集中在车底转向架上的连杆、牵引拉杆、减振器和制动夹钳等部位。

结冰后，构件的相对运动受到限制，丧失部分功能，严重影响行车安全。

目前，各铁路局都是待动车组回动车所后统一除冰。

动车所常用的除冰方法有暖库融冰、高压水枪冲洗和机械敲击等。

车底结冰不严重时，一般采用暖库融冰的方式，即动车组在暖库内停留一段时间待冰雪自行融化；结冰严重时则需使用高压水枪冲洗和机械敲击结合的方法除冰。

1列8辆编组的CRH380B型动车组结冰严重时通常需20多人连续除冰作业3 h，人力和物力的消耗很大。

因此，无论是动车组生产方还是使用方，都急于找到一种动车组车底转向架的防冰方法，延缓转向架关键部位结冰或降低结冰附着力，缩短除冰作业时间，保证动车组的运营安全。

动车组转向架的防冰措施可以分为主动防冰和被动防冰2种。

主动防冰可以对转向架结构进行改造，增加可以加热的部件对易结冰部位进行加热融冰或在易结冰部位周围增加防冰液喷洒装置进行喷洒防冰，但这种方式可能会影响车底空气动力学，需进行大量计算机模拟仿真和动力学试验。

被动防冰相对简单易行，主要是指涂料防冰，即利用特种涂料的物理或化学作用，使冰融化或减小冰与转向架表面的附着力[1-3]。

目前，涂料无法
高速动车组
车底防冰涂料探究
赵云行：中国铁道科学研究院，硕士研究生，北京，100081
李紫千：中国铁道科学研究院金属及化学研究所，助理研究员，北京，100081
陈 梦：中国铁道科学研究院金属及化学研究所，助理研究员，北京，100081
胡仕凯：中国铁道科学研究院金属及化学研究所，助理研究员，北京，100081
马运章：中国铁道科学研究院金属及化学研究所，工程师，北京，100081
李 柱：中国铁道科学研究院金属及化学研究所，副研究员，北京，100081
摘 要：高速动车组冬季运行遇到降雪时，转
向架底部常常会附着一定厚度的冰层，给铁路
运输安全带来隐患。

分析近年来超疏水涂料、
低表面能涂料、润滑型涂料和牺牲型防冰涂料
所取得的研究进展，并结合冬季高速动车组的
运营特点进行防冰涂料适用性能的讨论，给出
高速动车组车底防冰涂料的发展建议。

关键词：高速动车组；防冰涂料；超疏水；低
表面能；润滑型涂层；附着力
中图分类号：U279文献标识码：A
文章编号：1001-683X（2016）06-0058-06
基金项目：中国铁道科学研究院科技研究开发计划项目（1351JH0604）。

完全阻止冰层的形成，只能预防水凝结成冰或降低结冰后冰层与转向架间的附着力，从而利于覆冰的清除。

防冰涂料如何才能延缓结冰及将冰的附着力降到可接受范围，已经成为防冰领域研究的重点。

防冰涂料的表征方法主要有单位时间质量法和粘接强度法[4-6]。

单位时间质量法是测量涂层在一段时间、单位面积内冰层的质量，判定涂层延缓结冰的能力；粘接强度法是测量单位面积的冰粘附强度，判定除冰的难易程度。

粘附强度法又可分为拉推力法和旋转角速度法。

拉推力法是使用拉推力计测量冰与防冰涂料间的剪切力和粘附力，优点是直接读数，设备简单，价格低；缺点是误差较大，测试数据波动很大。

旋转角速度法是使用电机旋转产生离心力，最后将冰甩出，间接得到冰与涂料的剪切力，优点是测量较为准确。

通过测试冰与涂料的剪切力，根据冰层与固体表面的接触面积，以剪切强度作为冰粘附强度能够较为客观地反应冰层与基材表面的附着力。

防冰涂料表征方法的统一也是防冰领域的一项重要工作，表征方法应尽量模拟涂料在自然环境中的使用条件。

2 防冰涂料研究进展
2.1 低表面能疏冰涂料
低表面能材料是指表面能低于100 dynes/cm的材料[7]。

由于低表面能材料通常具有一定的疏水疏冰性能，将其应用到疏冰领域可有效降低冰的粘附力，冰在自身重力或一定外力作用下，从涂层表面脱落，达到防止结冰或降低冰附着力的目的。

其主要成分含有氟、硅元素，不同物质的表面能见图1，含氟和有机硅的材料具有低吸水性和低的冰粘附强度[8]。

李晓晖等[9]使用聚甲基-（3，3，3-三氟丙基）硅氧烷（PMTFPS）和甲基丙烯酸甲酯、丙烯酸丁酯、甲基丙烯酸羟乙酯制备了氟硅丙烯酸酯嵌段共聚物，并进行了冰剪切强度的测量。

对比丙烯酸酯聚合物涂层的800 kPa 剪切强度，该聚合物涂层剪切强度只有300 kPa。

孔志平等[10]使用甲基丙烯酸酯类单体、乙烯基三乙氧基硅烷、含氟甲基丙烯酸酯类单体等原料制备了一种氟硅防冰清漆。

经-18 ℃、24 h冻冰试验后，该涂料对冰的附着力只有15.7 N，小于未刷涂涂料组的45 N，但其没有给出具体覆冰面积，无法得知冰粘附强度，也无法与其他涂料比较。

汪佛池[11]对比了带有室温硫化硅橡胶涂料（RTV）、聚四氟乙烯涂层（PTFE）、硬脂酸、氟硅烷类FAS涂层的铝表面接触角及冰粘附强度，接触角为111.93°、115.25°、119.23°、123.63°，冰粘附强度分别为45.8 kPa、43.3 kPa、39.2 kPa、35.8 kPa，对比光滑铝表面（72.5 kPa）均有很大程度下降，同时可以看到几种涂层的覆冰力和接触角成反比，也就是疏水性好的涂料。

氟碳涂料和氟硅涂料的接触角和推冰剪切强度见表1。

可见，氟硅类低表面能涂料有效降低覆冰力，但某些氟硅涂料的耐老化性并不十分理想。

胡毅钧等[12]对全氟丙烯酸酯类低表面能涂料的耐老化性能进行了研究，发现暴露在室外或紫外灯下的低表面能涂层，疏水性能迅速失效，其原因可能是因为内部有未完全反应的羟基和碳碳双键引起的。

同时，低表面能涂料能否经受反复结冰—除冰作业也说法不一。

对一种氟硅低表面能防冰涂料进行试验，在同一位置，连续3次推冰的剪切强度分别为29.7 kPa、38.2 kPa和46.0 kPa。

可以看出，剪切强度的上升很明显。

原因是结冰过程中水部分渗入到低表面能层，除冰时将部分低表面能物质带出，因此降低
了涂料的疏冰性能。

而且低表面能涂料的耐磨性能和附着力也值得研究。

列车运行时卷起的风沙高速冲击涂层表面，对涂层的磨损较为严重，势必会影响其性能，限制了低表面能防冰涂层的应用。

低表面能涂料无法完全防止结冰，但具有降低冰
图1 不同物质的表面能
表1 氟碳、氟硅涂料接触角和推冰剪切强度
特
氟
龙
有
机
硅
A B
S 塑
料
聚
氨
酯
尼龙
附力的效果，已经开始在风电和电力行业使用。

铁路行业也开展了防冰涂料的相关应用研究，目前使用的是一种氟碳涂料，该涂料经试验室测试冰的剪切强度为42.5 kPa，低于环氧面漆的81.2 kPa。

然而氟碳涂料喷涂到列车底部后，防冰效果并不十分明显。

首先，冰附力还是较大，冰无法凭借自身质量脱落。

以结冰严重的哈尔滨—吉林高速动车组为例，在中到大雪的气候条件下，经过一天运行的动车组底部结冰最严重部位冰层厚度达10 cm。

可见，10 cm冰无法凭借自身质量脱落，也无法在运行过程中凭借风力吹脱或振动脱落。

动车组回库后，工人仍要进行长时间除冰作业。

究其原因可能是动车组在长期高速运行中，车底涂料经风沙打磨、污物污染、冰雪附着后不可避免的产生了一定损耗，导致防冰效果下降。

因此，想要使用低表面能涂料作为动车组防冰涂料，还必须继续提高涂料的疏冰性能和耐磨性能。

2.2 超疏水防冰涂料
超疏水材料是指表面稳定接触角大于150°、滚动接触角小于10°的材料。

超疏水材料一般具有微米尺度、纳米尺度或微/纳复合尺度的粗糙表面形貌结构（见图2），水滴无法润滑超疏水材料表面的粗糙结构，水滴落在超疏水材料表面很容易滑落。

即使有部分水滴残留在超疏水材料表面，也会由于微/纳结构中存在的空气层，减缓热传导过程，从而延缓结冰；同时由于冰与超疏水涂层接触面积小，附着力也会较小，超疏水涂层在防冰方面应会有一定效果。

目前制备超疏水涂层的方法主要分为两类：一类是在具有低表面能的疏水材料表面进行粗糙化处理；二是在具有一定粗糙结构的表面上修饰低表面能物质（溶
胶-凝胶法、激光刻蚀、电化学沉积、热水浸渍、阳极氧化模板法和化学处理等）[13-18]。

连峰等[19]采用溶胶-凝胶法将SiO
2
纳米粒子涂覆在抛光和经激光刻蚀的船用铝合金表面，制备疏水/超疏水铝合金表面。

利用使试样负载并在砂纸上摩擦滑行的方法测试疏水/超疏水表面的耐久性，结果表明当摩擦滑行距离达到10 m时，经激光刻蚀的表面的耐久性更加优异。

李杰等[20]利用激光加工在铝合金表面构造出具有规则结构的微米级纹理结构，再利用有机硅烷试剂对该表面进行修饰改性，制备得到超疏水表面。

激光刻蚀后的表面结构与低表面能自组装分子膜的共同作用实现了铝合金基体的超疏水性。

刘春月等[21]通过电化学沉积技
术利用硅烷改性TiO
2
杂化溶胶制备了超疏水材料。

通过对硅烷偶联剂种类和浓度、电化学电压和沉积时间等因素的研究结果表明：在电化学电压13 V、沉降时间8 min 条件下，经过2%辛基三乙氧基硅烷、十二烷基三乙氧基硅烷偶联剂改性的溶胶电化学沉积物接触角分别可达166.2°、165.1°。

但继续增加外加电压，材料接触角会下降；随着电沉积时间的延长，接触角增大，但当电沉积时间过长时，接触角反而有所下降。

车彦慧等[22]采用沸水处理方法使铝合金表面粗糙化，然后经硬脂酸的醇/水溶液浸泡处理构建得到接触角为155°和滚动角小于5°的超疏水铝合金表面。

这种超疏水性是由表面纳米孔和花朵状微/纳结构及疏水长链共同作用产生的。

不规则花朵结构形成的空穴和花状基底孔洞与其之间填充的大量空气组成了复合表面，空气层比例的提高增强了铝合金表面的疏水性，另外低表面能硬脂酸的修饰使其表面存在有疏水的烃基长链，从而使这种铝合金表面具备超疏水特性。

章雯等[23]采用电化学氧化法，在泡沫铜多孔材料表面构建了纳米针状结构。

随着电流密度的增大，泡沫
铜表面形貌逐渐由Cu
2
O氧化膜转变为Cu（OH）
2
纳米针绒
毛，进而生成Cu（OH）
2
纳米针团簇，最终形成微/纳复合结构。

再经过十七氟癸基三乙氧基硅烷的改性后，水滴静态接触角为161°，滚动角为7.2°，油滴在表面完全润湿铺展，显示出优异的超疏水超亲油特性。

超疏水涂层制备的相关研究已经历时10余年，虽然在理论和制备方法等方面取得了优异的研究成果，但是距
离广泛应用还有一些重要的技术问题需要研究和解决。

图2 超疏水涂层微/纳结构
首先，超疏水涂层制备方法复杂，成本较高，难以大规模应用。

目前制备超疏水表面的方法中层层自组装法、刻蚀法、模板法、电化学沉积法对设备要求高，难以实现大面积使用。

只有溶胶-凝胶法和相分离法相对简单易行，然而溶胶-凝胶法的缺点是原材料昂贵导致产品成本过高，溶胶-凝胶时间较长，干燥过程中溶剂易挥发产生收缩等；相分离法是在成膜过程中控制制备条件产生多相，从而得到表面粗糙结构的一种方法，但其对环境温度、湿度及溶剂等条件比较敏感，难于控制，限制了该法的使用。

其次，超疏水涂层在低温、高湿环境中疏水性能下降。

据文献报道[24]，温度从10
℃降至-10 ℃，湿度30%的环境条件下，涂覆全氟辛基三乙氧基硅烷（P F O ）涂层的铝表面接触角从常温状态的160°左右下降到148°，滚动角从9.6°±4.4°迅速增大到63.8°±7.5°，当湿度继续增加时，水滴在其表面的粘附力显著增大，在壁面温度小于凝点时结冰，此时即使滚动角为90°也难以滑落。

Yin L等[25]对比研究了天然荷叶表面和人造超疏水表面在控制水汽凝结条件下的超疏水性能稳定性。

通过计算和测试发现，当相对湿度低于60%时，荷叶表面和仿荷叶表面的超疏水性能都不受温度变化影响；当相对湿度高于60%时，由于水汽的逐步凝结使各表面接触角下降，滚动角增大。

分析认为荷叶表面和仿荷叶超疏水表面由于凝结的水汽浸入其微米结构中发生了Cassie状态向Wenzel状态的转换（见图3），从而使其接触角下降。

另外，液滴的下落高度对超疏水表面结霜也有一定影响，液滴从一定高度下落时具备了较大的速度，使得液滴能够进入固体表面的粗糙结构间隙，占据了粗糙结构间隙里空气的位置，造成液滴与固体表面直接接触，从而失去了超疏水特性。

另外，超疏水涂层耐刮擦性能不佳。

超疏水涂层由于其表面结构在微米、纳米尺寸，容易被加工和使用过程中的摩擦、冲击等机械作用所破坏，导致耐刮擦性能不佳，失去超疏水特性。

对于铁路行业来说，超疏水防冰涂层可能无法胜任高速动车组的防结冰工作。

一方面超疏水涂层不可能完全避免结冰，动车组长时间处于高速运行中，湿雪不断冲刷超疏水涂层，很容易冲进微/纳涂层内部，一旦液滴在超疏水结构中结冰，除冰作业时必然会对结构产生一定程度破坏，最终导致超疏水结构的破坏失效。

另一方面超疏水通常是微/纳结构，这些结构在结冰时会产生类似于锚点的作用，使冰的附着力增大，不利于除冰作业。

在非雨雪天气时，高速风沙的冲刷也容易造成微/纳结构的破坏，影响涂层寿命。

因此，超疏水涂层很难实现在动车组防冰上的大规模应用。

2.3 润滑型防冰涂料
由于冰与基体的附着力较大，研究人员考虑能否加入一个润滑层，使冰无法与基材直接接触，同时润滑层本身容易分离，当冰在其上附着一定厚度后能够因自身质量脱落。

为解决润滑层长效性的问题，研究人员将小分子润滑物质牢固附着在基体表面或是吸附空气中的水作为润滑层，发展出了有机润滑防冰涂料和水润滑防冰涂料（见图4）。

杜景怡[26]在普通FEVE涂料中添加了自制的抗结冰树脂，该树脂以亲水的金属离子为核心，接枝空间对称的四面体结构，端部形成多羟基结构。

其具有控制水分子键长和键角的能力，使水分子保持液体状态，通过聚合物捕捉空气中的水蒸气，在涂层表面形成微观意义上的液态水膜，从而降低冰附力，达到抗结冰作用，其测定的表面推冰试验结果为1.96 kPa。

Dou R等[27]使用异氟
尔酮二胺对聚氨酯进行扩链，同时添加二羟甲基丙酸，
形成一种水润滑物质，其中心是疏水基团，外层是亲水
（a）Cassie态（b）Wenzel态
图3 水滴在超疏水涂层上的不同状态
图4 润滑型防冰涂料示意图
附着层
润滑层
基体
基团。

将其涂覆在基材表面，亲水基团吸附空气中的水蒸气，形成润滑层，使冰的附着力降低到30 kPa左右。

研究还发现其使用温度可低至-53 ℃，同时经过30次结冰-除冰循环仍具有很好的抗结冰能力。

润滑型防冰涂料也有缺点。

润滑型涂料虽然显示了很好的降低冰附力性能，但其抗风砂磨损、抗污性能还值得研究。

动车组高速运行时任何涂层都会有一定磨损，磨损后的疏冰性能还能保持多少仍需进一步探讨与研究。

2.4 牺牲型防冰涂层
牺牲性涂层是一种表面可以释放出低表面能油脂类物质或防冰剂的涂层材料，小分子的释放在冰与涂层表面间形成一层隔离膜，致使冰不易粘附到涂层表面，该涂层的防冰原理与润滑型涂层相近，但设计理念不同。

肖春华等[28]制备了一种硅橡胶，并在材料内添加了十六烷小分子。

其防冰原理：大量的十六烷小分子在硅橡胶表面形成很多洞穴，在低温环境下逸出洞穴，当环境温度升高后又回到洞穴。

因此，低温环境中，小分子十六烷浮在表面，形成微/纳结构，减小水或冰的附着力，同时由于高速运动时水或冰容易脱落，在一段时间内延缓了结冰。

Ayres 等[29-30]通过溶胶—凝胶法，用钛酸异丙酯与三丙二醇或丙三醇反应形成有机-无机杂化的钛基先驱体，然后与可交联的环氧基聚合物复合制备了一种抗结冰缓释涂层。

通过低温风洞实验表明，该涂层能够抑制冰的成核和粘附，具有良好的抗结冰性能。

WangY等[31]使用聚二甲基硅氧烷、液体石蜡等材料制作了一种耐久性防冰涂层，聚二甲基硅氧烷形成有机凝胶，而液体石蜡溶胀在有机凝胶中间，油溶胶表面被一层渗透压驱动的石蜡缓释层覆盖，形成润滑层。

试验证明，该材料在-30 ℃下，冰粘附强度为（1.7±1.2）kPa，其使用的最低温度为-70 ℃，且显示了很好的反复结冰-除冰性能和耐老化性。

目前该涂料表面冰粘附强度最低，经计算，在该涂料表面冰能够因自身质量脱落的厚度为19.27 cm，即在大雪条件下，列车运行振动，底部的冰有可能会自己脱落。

其他条件下，列车仍需回库后除冰作业，但能够有效降低冰的附着力，也就降低了工人的劳动强度。

牺牲型涂层的抗结冰性能优异，但应用局限性也较大，必须定期涂装以保证防冰性能不发生显著退化。

另外，涂料所释放出的低分子油脂和抗结冰剂等可能对环境存在危害。

3 结束语
抗结冰涂层的研究从低表面能涂层、超疏水涂层到润滑型涂层，虽然取得了一定发展，但仍有许多问题亟待解决，距离大规模应用还相距甚远。

另外，自然环境下过冷水结冰和防冰机理的研究有待进一步深入，防水与防冰之间的转变与联系，防结冰性表征方法的统一和试验仪器的开发也将是未来研究的重点。

北方冬季高速动车组的实际应用情况对防冰涂层提出了全新挑战。

高速动车组的防冰涂层需要具有优异的防冰性、覆冰易清除性和耐磨防腐性，而持久的防冰能力可以通过不断补充有效防冰物质来解决。

从目前各防冰涂料的性能分析，低表面能涂料可以满足工业化的生产要求和涂装，符合上车运用条件；而从防冰效果和环保性分析，动车组防冰涂料未来的发展方向需结合低表面能和水润滑涂层的特点，协调防冰性、持久性和耐磨性的关系，才能满足高速动车组的使用需求，保证高速铁路的运营安全。

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责任编辑 高红义
收稿日期 2016-03-09。