水溶性稠化劑的流變性及成膜性能試驗(yàn)研究*

(華南理工大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院 廣東廣州 510640)

本文作者選用一種水溶性稠化劑，首先利用流變儀對(duì)不同含量的稠化劑水溶液進(jìn)行流變性試驗(yàn)研究，再利用自制的點(diǎn)接觸彈流潤(rùn)滑實(shí)驗(yàn)臺(tái)，對(duì)稠化劑水溶液進(jìn)行成膜性能研究，研究水溶液的流變特性對(duì)其成膜能力的影響，以及成膜能力與卷吸速度、載荷的關(guān)系，從而得到提高成膜能力的影響因素。

1 試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)所用的水溶性稠化劑為聚氧乙烯(PEO，上海伊卡生物技術(shù)生產(chǎn))，PEO為白色易流動(dòng)的高聚物，其結(jié)構(gòu)式為(-CH2-CH2-O-)n，是環(huán)氧乙烷經(jīng)多相催化開環(huán)聚合而成的一種水溶性高分子均聚物[6]，相對(duì)分子質(zhì)量為60萬。

1.2 試驗(yàn)設(shè)備與方案

試驗(yàn)中使用HAAKE Rheo Win Mars40流變儀進(jìn)行潤(rùn)滑劑的流變性測(cè)量。根據(jù)測(cè)量得到的潤(rùn)滑劑的剪應(yīng)變率-剪應(yīng)力曲線，采用Ostwrld模型進(jìn)行擬合得到其流變特性本構(gòu)方程。

成膜性能是考察PEO水溶液潤(rùn)滑性能的一個(gè)重要指標(biāo)，試驗(yàn)利用自行研制的點(diǎn)接觸彈流潤(rùn)滑實(shí)驗(yàn)臺(tái)對(duì)潤(rùn)滑接觸區(qū)的膜厚進(jìn)行測(cè)量[7]。該試驗(yàn)臺(tái)是根據(jù)光干涉原理設(shè)計(jì)的，它利用杠桿加載方式加載，電機(jī)帶動(dòng)玻璃盤轉(zhuǎn)動(dòng)從而與鋼球形成相對(duì)運(yùn)動(dòng)，在接觸區(qū)形成彈流薄膜；外光源通過斜置的半反半透鏡投射在玻璃盤的半反半透膜和鋼球表面，反射向上的兩束光形成干涉，通過體式顯微鏡放大，經(jīng)單色儀分光被CCD接受，最后送至計(jì)算機(jī)圖像采集卡獲得干涉圖像；再利用相對(duì)光強(qiáng)原理最終得到膜厚的曲面圖。

試驗(yàn)前用去離子水分別配制質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.2%、0.5%、1%的PEO水溶液，充分?jǐn)嚢枞芙猓芤红o置24 h未出現(xiàn)沉淀。

利用砝碼并通過杠桿對(duì)裝有待測(cè)液體的油杯進(jìn)行加載。試驗(yàn)溫度為(25±1 ℃)，摩擦副材料為鍍鉻玻璃盤和GCr15鋼球，運(yùn)動(dòng)方式為純滾動(dòng)。試驗(yàn)采用1、2和5 N 3種載荷，分別對(duì)應(yīng)的最大接觸壓力為0.182、0.230和0.312 GPa。利用電動(dòng)機(jī)改變主軸轉(zhuǎn)速，使得每種載荷下潤(rùn)滑接觸點(diǎn)的卷吸速度在0.1～1.0 m/s范圍內(nèi)線性變化。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 流變性試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1.1 PEO含量對(duì)PEO水溶液流變性能的影響

在溫度為25 ℃，剪切應(yīng)變率為10～200 s-1試驗(yàn)條件下，分別對(duì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.2%、0.5%、1%的3種PEO水溶液的流變性能進(jìn)行測(cè)量，結(jié)果如圖1所示。采用Ostwald模型進(jìn)行擬合得到其流變特性本構(gòu)方程，表1給出了其本構(gòu)方程及物理特性參數(shù)。

圖1 3種PEO水溶液在25 ℃時(shí)的流變曲線

質(zhì)量分?jǐn)?shù)擬合得到的本構(gòu)方程折射率k0.2%τ=0.013 5γ·0.81.335 30.5%τ=0.16γ·0.621.336 21.0%τ=0.73γ·0.51.336 5

從圖1中可以明顯看出：隨著剪應(yīng)變率的增加，3種PEO水溶液剪應(yīng)力的增量均有減小的趨勢(shì)，說明黏度隨著剪應(yīng)變率的提高而減小，即均呈現(xiàn)出剪切變稀的非牛頓流體特性。從表1可看出：隨著PEO質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大，流變指數(shù)n越來越小，說明非牛頓性越來越強(qiáng)。

2.1.2 溫度對(duì)PEO水溶液流變性能的影響

在剪切應(yīng)變率為10～200 s-1，溫度為25、40、60 ℃的試驗(yàn)條件下，對(duì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%的PEO水溶液的流變性能進(jìn)行測(cè)量，結(jié)果如圖2所示。可以看出：PEO水溶液的黏度隨著溫度的升高而降低；另外，隨著溫度的升高，其流變指數(shù)n越來越大，即水溶液的非牛頓性越來越弱。

圖2 質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.5%PEO水溶液在不同溫度下的流變曲線

2.2 成膜性能試驗(yàn)結(jié)果及分析

圖3給出了一幅典型的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.2%的PEO水溶液在卷吸速度為0.2 m/s、載荷為0.230 GPa時(shí)的潤(rùn)滑膜厚干涉圖。可見：接觸區(qū)的干涉圖較清晰，并沒有出現(xiàn)明顯的磨損痕跡。因此，認(rèn)為點(diǎn)接觸潤(rùn)滑試驗(yàn)臺(tái)能很好地對(duì)這種稠化劑水溶液的潤(rùn)滑成膜性能進(jìn)行評(píng)價(jià)。

圖3 質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.2%的PEO水溶液的干涉圖像

2.2.1 卷吸速度、載荷對(duì)成膜性能的影響

利用自制的點(diǎn)接觸彈流潤(rùn)滑實(shí)驗(yàn)臺(tái)，分別測(cè)得質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.2%、0.5%和1.0%的3種PEO水溶液在不同載荷下中心區(qū)膜厚與卷吸速度的關(guān)系曲線，如圖4、5、6所示。圖中同時(shí)給出了載荷為0.230 GPa時(shí)的Dowson-Harmrock理論預(yù)測(cè)曲線，其計(jì)算公式[8]為

圖4 質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.2%的PEO的水溶液在不同載荷下中心膜厚 與卷吸速度的關(guān)系

圖5 質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.5%的PEO的水溶液在不同載荷下中心膜厚 與卷吸速度的關(guān)系

圖6 質(zhì)量分?jǐn)?shù)1.0%的PEO水溶液在不同載荷下中心膜厚 與卷吸速度的關(guān)系

從圖中對(duì)數(shù)坐標(biāo)系中的Dowson-Harmrock(D-H)膜厚預(yù)測(cè)曲線可知：隨著卷吸速度的增大，理論計(jì)算膜厚呈現(xiàn)線性增加。從圖4中可以看出：在卷吸速度大于0.3 m/s時(shí)，載荷為0.230 GPa時(shí)膜厚的實(shí)測(cè)值和理論計(jì)算值變化趨勢(shì)基本一致，可知此時(shí)潤(rùn)滑狀態(tài)為彈流潤(rùn)滑狀態(tài)；隨著速度不斷降低，膜厚實(shí)測(cè)值隨速度的變化程度減弱，即試驗(yàn)測(cè)得的膜厚值比理論計(jì)算值偏高，而且載荷越小，其膜厚值越大。這表明此時(shí)進(jìn)入了薄膜潤(rùn)滑區(qū)域[9]。

許多研究人員在研究卷吸速度及載荷對(duì)牛頓流體型潤(rùn)滑劑成膜特性的影響時(shí)，也得出了在較高卷吸速度、較低載荷時(shí)，潤(rùn)滑劑的成膜特性與理論研究結(jié)果基本吻合，但在較低卷吸速度時(shí)，潤(rùn)滑劑的成膜特性與理論研究結(jié)果并不一致的結(jié)論[10-12]。

從圖5、6能得出相似的結(jié)論，只是臨界卷吸速度的范圍不同，當(dāng)卷吸速度大于0.4 m/s時(shí)，載荷為0.230 GPa時(shí)膜厚的實(shí)測(cè)值和理論計(jì)算值較一致。從圖4、5、6中還可以看出：載荷越大，PEO水溶液的膜厚越小，但3種載荷下的膜厚相差不大，即載荷的改變對(duì)潤(rùn)滑劑成膜的影響不顯著。

2.2.2 PEO含量對(duì)成膜性能的影響

選取載荷為2 N(對(duì)應(yīng)的最大Hertz接觸壓力為0.230 GPa)，質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.2%、0.5%和1.0%的PEO水溶液，卷吸速度為0～1.0 m/s，試驗(yàn)得到了不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)PEO水溶液的中心膜厚與卷吸速度的關(guān)系，結(jié)果如圖7所示。

圖7 3種PEO水溶液中心膜厚與卷吸速度的關(guān)系 (0.230 GPa)

PEO質(zhì)量分?jǐn)?shù)會(huì)影響潤(rùn)滑劑的黏度以及非牛頓性，由潤(rùn)滑劑流變性試驗(yàn)可知，水溶液中PEO質(zhì)量分?jǐn)?shù)越大，其黏度越大，非牛頓性也越強(qiáng)，從而影響其成膜性能。由圖7可知：PEO質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.2%時(shí)，水溶液的中心膜厚在10 nm左右，表明PEO質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低時(shí)水溶液成膜性能較差。但在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%、1.0%時(shí)，相比于0.2%的水溶液，其膜厚均有所增大，成膜能力明顯提高，說明較低質(zhì)量分?jǐn)?shù)的PEO水溶液成膜能力更佳。圖7的結(jié)果表明，在相同的壓力下，PEO質(zhì)量分?jǐn)?shù)越大，其水溶液中心膜厚反而越小。這是由于PEO質(zhì)量分?jǐn)?shù)越大，剪切變稀的非牛頓性越嚴(yán)重，要使在相同工況下提供同樣的承載能力，須通過減小膜厚來實(shí)現(xiàn)。

3 結(jié)論

通過試驗(yàn)考察了聚氧乙烯水溶液的流變性及在不同壓力下的成膜性能，得到如下幾點(diǎn)結(jié)論。

(1)聚氧乙烯水溶液的黏度隨著剪應(yīng)變率的提高而減小，即呈現(xiàn)出剪切變稀的非牛頓流體特性；聚氧乙烯水溶液的非牛頓性隨著聚氧乙烯含量的增大越來越顯著，而隨著溫度的升高，其非牛頓性逐漸減弱。

(2)在卷吸速度較高時(shí)，聚氧乙烯水溶液的潤(rùn)滑行為符合彈流潤(rùn)滑規(guī)律，而在較低卷吸速度時(shí)符合薄膜潤(rùn)滑規(guī)律，且不同聚氧乙烯含量的潤(rùn)滑液的臨界速度不同，聚氧乙烯含量越高，其臨界速度越高。

(3)載荷越大，PEO水溶液的膜厚越小，但載荷的改變對(duì)其成膜的影響不太顯著；PEO水溶液的質(zhì)量分?jǐn)?shù)越大，其中心膜厚越大。這對(duì)于提高PEO水溶液的成膜能力有一定的指導(dǎo)意義。