新型疏水抑冰抗滑磨耗層的研發(fā)及性能研究

何俊儀

（中建八局軌道交通建設(shè)有限公司 江蘇 南京 210033）

0 引言

我國很多地區(qū)冬季在降雨后路面極易形成薄冰層，導(dǎo)致路面打滑，嚴(yán)重影響行車安全。對于路面冰雪，現(xiàn)如今的方法基本可概括為清除法和融化法[1]。清除法清理速度慢，耗資大，因此現(xiàn)廣泛采用融雪劑除雪、除冰。而除雪劑對路面的腐蝕作用給社會帶來間接的經(jīng)濟(jì)損失更大，因此研究一種新型的路面材料在除冰方面是大勢所趨[2]。為此本文提出使用環(huán)氧樹脂和有機硅樹脂經(jīng)過一系列化學(xué)反應(yīng)，制成一種新型疏水抑冰的磨耗層來抑制路面結(jié)冰。

1 新型疏水抑冰抗滑磨耗層的研發(fā)

有機硅樹脂由于其結(jié)構(gòu)上存在有機基團(tuán)，具有著良好的憎水性，且在固化后作為涂層仍有著良好的憎水性[3]；環(huán)氧樹脂因其粘附性和力學(xué)性能較好，因此近年來多數(shù)路面、橋面將其作為良好的薄層抗滑磨耗層材料。基于這兩者的性能且在抗滑除冰方面的互補，以這兩種材料作為原材料研發(fā)一種疏水除冰抗滑的路面磨耗層。制備方法主要有物理法和化學(xué)法，物理法主要是通過共混得到一種新的材料，但由于有機硅樹脂和環(huán)氧樹脂的相容性系數(shù)差較大，因此達(dá)不到較好的疏水效果。以有機硅樹脂相對環(huán)氧樹脂的不同摻量與環(huán)氧樹脂進(jìn)行共混，得到的結(jié)果如圖1所示。

圖1 共混情況下改性環(huán)氧硅樹脂接觸角

本次共混測試選用E-44環(huán)氧樹脂和smh-60有機硅樹脂。由圖1可知，環(huán)氧樹脂與有機硅樹脂共混接觸角不能達(dá)到90°，達(dá)不到疏水效果。所以本文選擇用化學(xué)法制備改性環(huán)氧硅樹脂。

1.1 試驗原料及儀器

1.1.1 試驗原材料

制備改性環(huán)氧硅樹脂原材料技術(shù)指標(biāo)見表1。環(huán)氧樹脂技術(shù)指標(biāo)見表2。

表1 原材料技術(shù)指標(biāo)

表2 環(huán)氧樹脂技術(shù)指標(biāo)

1.1.2 試驗儀器

試驗儀器參數(shù)見表3。

表3 試驗儀器參數(shù)

1.2 制備方案

1.2.1 改性環(huán)氧硅樹脂的制備

安裝好制備儀器，試驗裝置如圖2所示。將環(huán)氧樹脂加熱成液態(tài)，稱取一定量的環(huán)氧樹脂從加料口倒入燒瓶中，以質(zhì)量比為1∶1來稱取乙酸乙酯并倒入燒瓶中，點燃酒精燈進(jìn)行加熱，加熱至約為80 ℃時，液體開始沸騰，逐漸由渾濁變?yōu)橥该鳎藭r環(huán)氧樹脂已完全溶解，加熱過程中慢慢勻速攪拌。待玻璃分水器開始有液體分出，加入配方所需的有機硅樹脂及少許催化劑。繼續(xù)加溫至160 ℃時，恒溫回流約4 h，中途可再加少許催化劑。反應(yīng)過程中生成的乙酸乙酯經(jīng)冷凝由分水器分出，當(dāng)分流管10 min未滴液體時，換上75°蒸餾頭繼續(xù)進(jìn)行分餾，降低液體流出高度，當(dāng)蒸餾頭10 min無液體滴出后繼續(xù)恒溫反應(yīng)1 h后，得到呈淡黃色液體，即環(huán)氧改性有機硅樹脂。

圖2 試驗裝置

1.2.2 抗滑磨耗層的制備

疏水抑冰抗滑磨耗層是通過改性環(huán)氧硅樹脂和單一粒徑石料（圖3），在固化劑作用下膠結(jié)而成的，試驗填料選用2.36 mm單一粒徑的玄武巖。通過玄武巖與改性環(huán)氧硅樹脂進(jìn)行混合，環(huán)氧樹脂的摻量為玄武巖質(zhì)量的5.5%，混合后均勻攪拌5 min備用。由于路面疏水涂層在耐久性能上表現(xiàn)不充足，為提高耐久性，本文用將疏水抑冰抗滑磨耗層的厚度設(shè)定為10 mm[4]。

圖3 單一粒徑玄武巖

2 磨耗層疏水抑冰性能研究

2.1 磨耗層疏水性能研究

試驗所用器材為：接觸角測定儀、載玻片、改性環(huán)氧硅樹脂、650聚酰胺固化劑。選用改性環(huán)氧硅樹脂接觸角測試方法進(jìn)行制備：以有機硅樹脂的質(zhì)量在改性環(huán)氧硅樹脂的質(zhì)量中的占比作為摻入量，選取有機硅樹脂摻入量分別為30%、35%、40%、45%、50%，將得到的材料涂在載玻片上固化后通過接觸角測定儀進(jìn)行接觸角測試，如圖4所示。測試后得到的接觸角測試結(jié)果見表4。

圖4 接觸角測試圖

表4 接觸角測試結(jié)果

不同有機硅樹脂摻量下的接觸角平均值如圖5所示，可以看出，隨著有機硅樹脂摻量的增加改性環(huán)氧有機硅樹脂的接觸角呈先增大后逐漸減小的趨勢，在摻量為40%時出現(xiàn)峰值，為最佳摻入量，此時接觸角平均值為101.9°。當(dāng)接觸角大于90°表現(xiàn)為疏水，接觸角小于90°表現(xiàn)為親水。

圖5 不同有機硅樹脂摻量下的接觸角平均值

2.2 磨耗層抑冰性能研究

抑冰性能主要是通過冰層與路面的黏結(jié)力表現(xiàn)出來的，本文通過空白對照試驗來反映疏水抑冰抗滑磨耗層的抑冰性能。

試驗所用器材為：恒溫箱（圖6）、拉拔儀（圖7）、烘箱、馬歇爾試件成品、疏水抑冰抗滑磨耗層、膠帶、塑料桶。選用抑冰性能試驗方法進(jìn)行制備：準(zhǔn)備9塊相同的馬歇爾試件，6塊OGFC試件，3塊AC-20瀝青混合料試件。將試件表面清洗干凈后烘干，選取OGFC和AC-20各3塊分別代表開級配和密實級配作為空白對照試驗（圖8），另外3塊鋪上疏水抑冰抗滑磨耗層，攤鋪前先用膠帶將馬歇爾試件頂端纏上，留出1～2 cm的高度，以防磨耗層垮塌。攤鋪厚度為1 cm，鋪好后用硬紙板將表面壓平，等其固化后備用。

圖6 恒溫儀

圖7 拉拔儀

圖8 涂上抗滑磨耗層的馬歇爾試件

試驗步驟如下：

步驟1 將塑料桶裝入合適深度的水，再把拉拔頭放在底部，這時再將試件倒著放入桶內(nèi)，水不要淹沒到磨耗層與馬歇爾試件接觸面，空白對照試驗同此方法進(jìn)行，如圖9所示。

圖9 待結(jié)冰試件

步驟2 將塑料桶放入恒溫箱，溫度調(diào)節(jié)至-10 ℃；結(jié)冰時間分別為2、3、4 h。

步驟3 待試件完全結(jié)冰，取出試件安裝在拉拔儀上進(jìn)行拉拔試驗。

步驟4 記錄冰層與試件剝落時的最大拉力，進(jìn)行對比分析。

由于每個試件的結(jié)冰厚度、結(jié)冰面積及其他因素（除冰面與試件接觸面）進(jìn)行了相同的處理，因此可直接用最大破壞拉力來對比分析疏水抑冰抗滑磨耗層的抑冰性能。拉拔后試件斷面如圖10所示；拉拔實驗數(shù)據(jù)結(jié)果見表5。

圖10 拉拔后試件斷面

表5 拉拔試驗結(jié)果表

不同結(jié)冰時間磨耗層破壞時最大拉力如圖11所示。綜合圖10、圖11和表5可知，隨著結(jié)冰時間的增加，所有試件的最大拉力均在明顯增大，相同結(jié)冰時間內(nèi)，試件的最大破壞拉力表現(xiàn)為：開級配＞密集配＞抗滑磨耗層；由此體現(xiàn)試件的抑冰性能為：抗滑磨耗層＞密集配＞開級配；抗滑磨耗層相對開級配的抑冰性能提高了約39%。

圖11 不同結(jié)冰時間磨耗層破壞時最大拉力

3 結(jié)論

1）當(dāng)環(huán)氧樹脂和有機硅樹脂采用共混制備時，得到的改性環(huán)氧硅樹脂不具備疏水性能。

2）當(dāng)環(huán)氧樹脂和有機硅樹脂采用化學(xué)方法制備時有明顯的疏水性能，有機硅摻量為40%時，為最佳摻量，此時接觸角為101.9 °。

3）通過磨耗層結(jié)冰黏結(jié)力試驗發(fā)現(xiàn)最大破壞拉力表現(xiàn)為：開級配>密集配>抗滑磨耗層，因此抗滑磨耗層就其他路面而言具有良好的抑冰性能。