Study on the Tribological and Anti-icing Properties of GN/PUA-PTFE Coating on Railway Turnouts under Multiple Temperature Conditions
यह अध्ययन प्रदर्शित करता है कि 15 wt% ग्राफीन और PTFE के साथ सुदृढ़ एक तेज़ सुखाने वाला जल-आधारित पॉलीयुरेथेन एक्रिलेट कोटिंग, −25°C से 75°C के विस्तृत तापमान सीमा में रेलवे टर्नआउट स्लाइड प्लेट्स के घर्षण प्रतिरोध, सुपरहाइड्रोफोबिसिटी और एंटी-आइसिंग प्रदर्शन को महत्वपूर्ण रूप से बढ़ाता है।
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रेलवे टर्नआउट्स, जो महत्वपूर्ण स्विच हैं जो ट्रेनों को एक ट्रैक से दूसरे ट्रैक पर निर्देशित करते हैं, भारी रेलों को अपनी जगह पर लाने के लिए फिसलने वाली चिकनी धातु की प्लेटों पर निर्भर करते हैं। उच्च ऊंचाई वाले क्षेत्रों के कठोर जलवायु में, इन प्लेटों को एक भीषण दोहरी चुनौती का सामना करना पड़ता है। दिन के दौरान, चलती धातु का घर्षण तीव्र ऊष्मा उत्पन्न करता है, जबकि रात में, जमा देने वाला तापमान सतह पर बर्फ की परत जमा सकता है। जब बर्फ जमती है, तो यह गोंद की तरह काम करती है, तंत्र को जाम कर देती है और ट्रेन को सुरक्षित रूप से ट्रैक बदलने से रोक देती है। पारंपरिक स्टील प्लेटें यहाँ संघर्ष करती हैं; वे निरंतर रगड़ के कारण तेजी से घिसने के प्रति संवेदनशील होती हैं और जमने वाली नमी का विरोध करने में सक्षम नहीं होती हैं। इसे हल करने के लिए, इंजीनियर लंबे समय से कोटिंग्स (सतह पर लगाई जाने वाली सुरक्षात्मक पतली परत) की ओर देख रहे हैं, ताकि वे एक ढाल के रूप में कार्य कर सकें। लक्ष्य एक ऐसा पदार्थ खोजना है जो फिसलने वाली धातु के ताप और दबाव को सहने के लिए पर्याप्त मजबूत हो, फिर भी पानी को दूर रखने और बर्फ को जमने से रोकने के लिए पर्याप्त चिकना हो।
शोधकर्ताओं की एक टीम ने विशेष रूप से इन रेलवे स्लाइड प्लेटों के लिए ऐसी कोटिंग तैयार करने के लिए काम किया। उन्होंने एक नया प्रकार का तेजी से सूखने वाला पेंट विकसित किया जो एक जल-आधारित पॉलीमर से बना था जिसमें दो प्रमुख सामग्रियां मिली हुई थीं: एक ठोस स्नेहक (लुब्रिकेंट) जिसे PTFE कहा जाता है, जो नॉन-स्टिक बर्तनों में पाई जाने वाली सामग्री है, और ग्राफीन, जो कार्बन परमाणुओं से बनी एक अत्यंत मजबूत एकल शीट है। टीम ने तीन अलग-अलग संस्करणों वाली कोटिंग बनाई, जिनमें से प्रत्येक का नुस्खा थोड़ा अलग था। एक संस्करण में ग्राफीन और सिलिका कणों का मिश्रण था, दूसरे में दोनों का अलग संतुलन था, और तीसरे ने सिलिका को पूरी तरह से हटाकर केवल ग्राफीन पर भरोसा किया। उन्होंने इन कोटिंग्स को स्टील के नमूनों पर लगाया और उन्हें कठोर परीक्षणों की एक श्रृंखला के माध्यम से गुजरवाया, जिसे रेलवे स्विच द्वारा सामना की जाने वाली चरम स्थितियों की नकल करने के लिए डिज़ाइन किया गया था, जिसमें माइनस पच्चीस डिग्री सेल्सियस की गहरी सर्दियों की ठंड से लेकर सत्तर-पचहत्तर डिग्री सेल्सियस की झुलसा देने वाली गर्मी तक शामिल थी।
परिणाम स्पष्ट रूप से एक विशिष्ट फॉर्मूलेशन की ओर इशारा करते थे जो सबसे बेहतर विकल्प था। वह कोटिंग जिसमें ग्राफीन की मात्रा सबसे अधिक थी, जिसे शोधकर्ताओं ने T3 नाम दिया था, हर श्रेणी में अन्य संस्करणों से बेहतर रही। पानी को दूर रखने की अपनी क्षमता के परीक्षण में, इस विशिष्ट कोटिंग ने पानी की बूंदों को लगभग पूर्ण गोलों के रूप में बनाया, जिसका संपर्क कोण (कॉन्टैक्ट एंगल) 146 डिग्री था, जबकि नग्न स्टील पर यह सपाट रूप से फैलता है। यह अत्यधिक जल विकर्षण सतह पर मौजूद सूक्ष्म संरचना के कारण था जिसने हवा की छोटी जेबों को फंसा लिया था, जिससे एक कुशन (तकिया) बन गया जो पानी को सीधे ठोस सामग्री को छूने से रोकता था। जमा देने वाली स्थितियों में, यह वायु परत अत्यंत महत्वपूर्ण साबित हुई। जब इसे माइनस पच्चीस डिग्री सेल्सियस के कोल्ड चैंबर में रखा गया, तो T3 कोटिंग में उस बर्फ का केवल एक बहुत छोटा हिस्सा जमा हुआ जो स्टील पर बनी थी। विशेष रूप से, कोटिंग वाले नमूने पर बर्फ का वजन 0.013 ग्राम था, जो बिना कोटिंग वाली धातु की तुलना में नब्बे प्रतिशत से अधिक की कमी थी। बिना कोटिंग वाले धातु के मुकाबले, इसे सत्तर डिग्री सेल्सियस तक गर्म करने और फिर दैनिक तापमान के उतार-चढ़ाव के तनाव को दर्शाने के लिए फिर से ठंडा करने के बाद भी, इसने बर्फ के प्रति प्रतिरोध करने की अपनी क्षमता बनाए रखी, जो उल्लेखनीय स्थिरता प्रदर्शित करती है।
केवल बर्फ को दूर रखने के अलावा, T3 कोटिंग घर्षण और घिसावट को कम करने में भी उत्कृष्ट रही। उन परीक्षणों में जहाँ एक धातु के पिन को भारी दबाव के तहत सतह पर खींचा गया था, T3 कोटिंग ने पिन को उच्च तापमान पर 0.16 जितना कम घर्षण गुणांक (फ्रिक्शन कोएफिशिएंट) के साथ फिसलने की अनुमति दी, जो नग्न स्टील पर दर्ज 0.41 से काफी कम है। यह चिकनापन केवल कोटिंग के फिसलन भरे होने के बारे में नहीं था; यह इस बारे में भी था कि सामग्री कैसे आपस में जुड़ी रहती है। शोधकर्ताओं ने पाया कि उच्च ग्राफीन सामग्री ने एक सघन, कसकर पैक की गई संरचना बनाई जो अन्य संस्करणों की तुलना में बहुत अधिक कठोर और विरूपण (डिफॉर्मेशन) के प्रति प्रतिरोधी थी। जबकि अन्य कोटिंग्स ने परीक्षणों के बाद गड्ढे, दरार या सामग्री के नुकसान के संकेत दिखाए, T3 की सतह चिकनी और बरकरार रही। ग्राफीन और PTFE ने मिलकर फिसलने वाली धातु की सतह पर एक पतली, सुरक्षात्मक फिल्म बनाई, जिसने नीचे के स्टील को पिन के विरुद्ध रगड़ने से रोकने के लिए एक अवरोध के रूप में कार्य किया।
अध्ययन ने यह भी खुलासा किया कि अन्य दो फॉर्मूलेशन क्यों पीछे रह गए। जिस संस्करण में सबसे अधिक सिलिका कण थे, उसमें गुच्छे (क्लंपिंग) बनने की समस्या देखी गई, जिससे कोटिंग में कमजोर बिंदु और छिद्र बन गए। इन खामियों ने पानी को अंदर रिसने दिया और बर्फ आसानी से जम गई, और इन्होंने घर्षण बलों को सामग्री को फाड़ने के लिए एक स्थान प्रदान किया। तीसरा संस्करण, जिसमें सामग्रियों का मध्यम मिश्रण था, कुछ क्षेत्रों में अच्छा प्रदर्शन करता था लेकिन इसमें ग्राफीन-समृद्ध कोटिंग जैसी संरचनात्मक अखंडता की कमी थी। यह T3 फॉर्मूलेशन था, जिसमें ग्राफीन की उच्च सांद्रता और सिलिका की अनुपस्थिति थी, जिसने पूर्ण संतुलन प्राप्त किया। यह खरोंच या घिसावट का विरोध करने के लिए पर्याप्त कठोर था, फिर भी स्नेहक परतों को स्वतंत्र रूप से फिसलने देने के लिए पर्याप्त नरम था। इस संयोजन का अर्थ था कि कोटिंग, चाहे वह जमा देने वाली ठंड में हो या गर्मियों की गर्मी में, अपने सुरक्षात्मक गुणों को खोए बिना, ट्रेन के ट्रैक बदलने के बार-बार होने वाले तनाव में जीवित रह सकती थी।
अंततः, यह शोध चरम जलवायु में रेलवे सुरक्षा में सुधार के लिए एक स्पष्ट मार्ग प्रदान करता है। एक विशिष्ट ग्राफीन और पॉलीमर मिश्रण की पहचान करके जो एक सघन, हवा को फंसाने वाली और स्व-स्नेहक (सेल्फ-लुब्रिकेटिंग) सतह बनाता है, टीम ने घिसावट और बर्फ जमने की दोहरी समस्याओं के लिए एक व्यवहार्य समाधान प्रदर्शित किया है। T3 कोटिंग केवल अपरिहार्य घटना को टालती नहीं है; यह मौलिक रूप से बदल देती है कि सतह अपने वातावरण के साथ कैसे परस्पर क्रिया करती है, जिससे रेलवे स्विच तब भी सुचारू रूप से चलते रहते हैं जब दुनिया जम जाती है या झुलस जाती है। यह खोज भविष्य की कोटिंग्स के लिए एक व्यावहारिक डिजाइन आधार प्रदान करती है, जो बताती है कि स्थायित्व की कुंजी अधिक विभिन्न सामग्रियां जोड़ने में नहीं, बल्कि सबसे अच्छा काम करने वाली सामग्री की संरचना को अनुकूलित करने में निहित है।
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