新型疏水抑冰抗滑磨耗层的研发及性能研究

何俊仪

（中建八局轨道交通建设有限公司 江苏 南京 210033）

0 引言

我国很多地区冬季在降雨后路面极易形成薄冰层，导致路面打滑，严重影响行车安全。对于路面冰雪，现如今的方法基本可概括为清除法和融化法[1]。清除法清理速度慢，耗资大，因此现广泛采用融雪剂除雪、除冰。而除雪剂对路面的腐蚀作用给社会带来间接的经济损失更大，因此研究一种新型的路面材料在除冰方面是大势所趋[2]。为此本文提出使用环氧树脂和有机硅树脂经过一系列化学反应，制成一种新型疏水抑冰的磨耗层来抑制路面结冰。

1 新型疏水抑冰抗滑磨耗层的研发

有机硅树脂由于其结构上存在有机基团，具有着良好的憎水性，且在固化后作为涂层仍有着良好的憎水性[3]；环氧树脂因其粘附性和力学性能较好，因此近年来多数路面、桥面将其作为良好的薄层抗滑磨耗层材料。基于这两者的性能且在抗滑除冰方面的互补，以这两种材料作为原材料研发一种疏水除冰抗滑的路面磨耗层。制备方法主要有物理法和化学法，物理法主要是通过共混得到一种新的材料，但由于有机硅树脂和环氧树脂的相容性系数差较大，因此达不到较好的疏水效果。以有机硅树脂相对环氧树脂的不同掺量与环氧树脂进行共混，得到的结果如图1所示。

图1 共混情况下改性环氧硅树脂接触角

本次共混测试选用E-44环氧树脂和smh-60有机硅树脂。由图1可知，环氧树脂与有机硅树脂共混接触角不能达到90°，达不到疏水效果。所以本文选择用化学法制备改性环氧硅树脂。

1.1 试验原料及仪器

1.1.1 试验原材料

制备改性环氧硅树脂原材料技术指标见表1。环氧树脂技术指标见表2。

表1 原材料技术指标

表2 环氧树脂技术指标

1.1.2 试验仪器

试验仪器参数见表3。

表3 试验仪器参数

1.2 制备方案

1.2.1 改性环氧硅树脂的制备

安装好制备仪器，试验装置如图2所示。将环氧树脂加热成液态，称取一定量的环氧树脂从加料口倒入烧瓶中，以质量比为1∶1来称取乙酸乙酯并倒入烧瓶中，点燃酒精灯进行加热，加热至约为80 ℃时，液体开始沸腾，逐渐由浑浊变为透明，此时环氧树脂已完全溶解，加热过程中慢慢匀速搅拌。待玻璃分水器开始有液体分出，加入配方所需的有机硅树脂及少许催化剂。继续加温至160 ℃时，恒温回流约4 h，中途可再加少许催化剂。反应过程中生成的乙酸乙酯经冷凝由分水器分出，当分流管10 min未滴液体时，换上75°蒸馏头继续进行分馏，降低液体流出高度，当蒸馏头10 min无液体滴出后继续恒温反应1 h后，得到呈淡黄色液体，即环氧改性有机硅树脂。

图2 试验装置

1.2.2 抗滑磨耗层的制备

疏水抑冰抗滑磨耗层是通过改性环氧硅树脂和单一粒径石料（图3），在固化剂作用下胶结而成的，试验填料选用2.36 mm单一粒径的玄武岩。通过玄武岩与改性环氧硅树脂进行混合，环氧树脂的掺量为玄武岩质量的5.5%，混合后均匀搅拌5 min备用。由于路面疏水涂层在耐久性能上表现不充足，为提高耐久性，本文用将疏水抑冰抗滑磨耗层的厚度设定为10 mm[4]。

图3 单一粒径玄武岩

2 磨耗层疏水抑冰性能研究

2.1 磨耗层疏水性能研究

试验所用器材为：接触角测定仪、载玻片、改性环氧硅树脂、650聚酰胺固化剂。选用改性环氧硅树脂接触角测试方法进行制备：以有机硅树脂的质量在改性环氧硅树脂的质量中的占比作为掺入量，选取有机硅树脂掺入量分别为30%、35%、40%、45%、50%，将得到的材料涂在载玻片上固化后通过接触角测定仪进行接触角测试，如图4所示。测试后得到的接触角测试结果见表4。

图4 接触角测试图

表4 接触角测试结果

不同有机硅树脂掺量下的接触角平均值如图5所示，可以看出，随着有机硅树脂掺量的增加改性环氧有机硅树脂的接触角呈先增大后逐渐减小的趋势，在掺量为40%时出现峰值，为最佳掺入量，此时接触角平均值为101.9°。当接触角大于90°表现为疏水，接触角小于90°表现为亲水。

图5 不同有机硅树脂掺量下的接触角平均值

2.2 磨耗层抑冰性能研究

抑冰性能主要是通过冰层与路面的黏结力表现出来的，本文通过空白对照试验来反映疏水抑冰抗滑磨耗层的抑冰性能。

试验所用器材为：恒温箱（图6）、拉拔仪（图7）、烘箱、马歇尔试件成品、疏水抑冰抗滑磨耗层、胶带、塑料桶。选用抑冰性能试验方法进行制备：准备9块相同的马歇尔试件，6块OGFC试件，3块AC-20沥青混合料试件。将试件表面清洗干净后烘干，选取OGFC和AC-20各3块分别代表开级配和密实级配作为空白对照试验（图8），另外3块铺上疏水抑冰抗滑磨耗层，摊铺前先用胶带将马歇尔试件顶端缠上，留出1～2 cm的高度，以防磨耗层垮塌。摊铺厚度为1 cm，铺好后用硬纸板将表面压平，等其固化后备用。

图6 恒温仪

图7 拉拔仪

图8 涂上抗滑磨耗层的马歇尔试件

试验步骤如下：

步骤1 将塑料桶装入合适深度的水，再把拉拔头放在底部，这时再将试件倒着放入桶内，水不要淹没到磨耗层与马歇尔试件接触面，空白对照试验同此方法进行，如图9所示。

图9 待结冰试件

步骤2 将塑料桶放入恒温箱，温度调节至-10 ℃；结冰时间分别为2、3、4 h。

步骤3 待试件完全结冰，取出试件安装在拉拔仪上进行拉拔试验。

步骤4 记录冰层与试件剥落时的最大拉力，进行对比分析。

由于每个试件的结冰厚度、结冰面积及其他因素（除冰面与试件接触面）进行了相同的处理，因此可直接用最大破坏拉力来对比分析疏水抑冰抗滑磨耗层的抑冰性能。拉拔后试件断面如图10所示；拉拔实验数据结果见表5。

图10 拉拔后试件断面

表5 拉拔试验结果表

不同结冰时间磨耗层破坏时最大拉力如图11所示。综合图10、图11和表5可知，随着结冰时间的增加，所有试件的最大拉力均在明显增大，相同结冰时间内，试件的最大破坏拉力表现为：开级配＞密集配＞抗滑磨耗层；由此体现试件的抑冰性能为：抗滑磨耗层＞密集配＞开级配；抗滑磨耗层相对开级配的抑冰性能提高了约39%。

图11 不同结冰时间磨耗层破坏时最大拉力

3 结论

1）当环氧树脂和有机硅树脂采用共混制备时，得到的改性环氧硅树脂不具备疏水性能。

2）当环氧树脂和有机硅树脂采用化学方法制备时有明显的疏水性能，有机硅掺量为40%时，为最佳掺量，此时接触角为101.9 °。

3）通过磨耗层结冰黏结力试验发现最大破坏拉力表现为：开级配>密集配>抗滑磨耗层，因此抗滑磨耗层就其他路面而言具有良好的抑冰性能。