不同潤滑液的電潤濕性能研究*

陳曉杰 蘇 宇

(江蘇科技大學(xué)機械工程學(xué)院 江蘇鎮(zhèn)江 212003)

靜電霧化是指在液體噴嘴和對應(yīng)的接地電極之間施加數(shù)千伏電壓時，噴嘴尖端的液體受到電場力作用，并克服表面張力破碎成細小帶電霧滴的現(xiàn)象[9]。由于破碎霧滴帶有大量同性電荷，霧滴間存在庫侖斥力，阻止液滴凝聚，因此有較好的分散性；同時帶電液滴在電場下受到電場力作用沿著電場線方向移動，可以較好地控制霧滴軌跡。宮樂[10]研究了油基納米流體的靜電霧化切削效果，發(fā)現(xiàn)其相對于微量潤滑而言，不僅能有效抑制刀具磨損，而且明顯降低切削環(huán)境油霧濃度，因此靜電霧化切削有望成為新一代綠色切削技術(shù)。

在靜電霧化切削加工時，微量潤滑液以霧滴的形式抵達前刀面-切屑和后刀面-已加工表面間的鍥形區(qū)，然后通過大量的毛細管滲透進入變形區(qū)，起到潤滑作用。潤滑液潤滑作用受潤滑液的滲透性能影響，而潤濕性是液體在固體表面鋪展的傾向性，可以通過潤濕角進行描述，為評價潤滑液滲透性能的一個重要指標[11]，因此研究潤滑液電潤濕性具有重要意義。

本文作者搭建了電潤濕潤濕角測量裝置，在不同電壓下對不同潤滑液(去離子水、蓖麻油、葵花油及其對應(yīng)納米流體)的潤濕角進行測量，并結(jié)合電潤濕仿真，研究了電潤濕機制，為合理地選擇靜電霧化用潤滑液提供了參考。

1 電潤濕理論

兩流體界面與固體表面的潤濕角由接觸點處力的平衡決定[12]。圖1為固-液間潤濕角結(jié)構(gòu)示意圖。平衡潤濕角θ0由楊氏方程給出：

圖1 固-液間潤濕角的結(jié)構(gòu)示意

γsl+γlvcosθ0=γsv

(1)

式中：γsl為液滴與固體表面之間單位面積的表面能(N/m)；γsv為氣體與固體表面之間單位面積的表面能(N/m)；γlv為液滴與氣體表面之間單位面積的表面能(N/m)；θ0為初始潤濕角(°)。

電潤濕(Electrowetting on Dielectric,EWOD)通常由電極-介質(zhì)層-液滴-空氣系統(tǒng)組成，如圖2所示。如果液滴與介質(zhì)外導(dǎo)體之間存在電壓差，則楊氏方程修正如下：

圖2 介質(zhì)上電潤濕原理示意

(2)

式中：ε為介質(zhì)層相對介電常數(shù)(無單位)；U為液滴與介質(zhì)外導(dǎo)體之間電壓差(V);df為介質(zhì)層厚度(m);θew為加電壓之后的接觸角(°)。

結(jié)合公式(1)、(2)可得：

(3)

2 電潤濕試驗與仿真

2.1 電潤濕試驗2.1.1 電潤濕潤濕角測量裝置

圖3為電潤濕潤濕角測量裝置實物圖。該裝置包括產(chǎn)生負高壓的高壓靜電發(fā)生器、精密注射泵、顯微成像系統(tǒng)、噴嘴及支架、電極針、鈦合金薄板、絕緣層。顯微成像系統(tǒng)包括臥式視頻顯微鏡、數(shù)據(jù)采集分析的計算機。其中鋪有絕緣層的鈦合金薄板置于臥式視頻顯微鏡載物臺上，電極針在絕緣層上方3 mm位置且與絕緣層平行，噴嘴垂直于絕緣層且在其上方20 mm位置。

圖3 電潤濕潤濕角測量裝置

電極針通過導(dǎo)線連接至高壓靜電發(fā)生器負極，噴嘴固定在萬向調(diào)節(jié)支架末端的絕緣材料上，通過硅橡膠管連接至注射泵，潤滑液液滴滴落在顯微成像系統(tǒng)的工作臺上的絕緣層上表面，臥式視頻顯微鏡通過USB連接線與計算機連接。

2.1.2 納米流體制備與物性測量

試驗所用潤滑液分別為水、葵花油、蓖麻油及以其為基液的體積分數(shù)為0.1%的多壁碳納米管納米流體。采用直徑10～20 nm的多壁碳納米管，通過兩步法制備上述納米流體。首先納米流體體積分數(shù)需轉(zhuǎn)化為質(zhì)量分數(shù)，換算公式如下：

(4)

式中：ρo為基液的密度(kg/m3);ρs為納米顆粒的密度(kg/m3);ω為納米顆粒的質(zhì)量分數(shù);φ為納米顆粒體積分數(shù)。

所選用的多壁碳納米管、去離子水、蓖麻油、葵花油的密度見表1。

表1 納米顆粒和基液密度

納米流體懸浮穩(wěn)定性的測試方法主要包括靜置沉淀法和Zeta電位法。靜置沉淀法操作簡單，只需將配好的納米流體靜置，觀察分層。顏色保持的時間越久，穩(wěn)定性越好。Zeta電位法則根據(jù)懸浮液中帶電納米流體顆粒間的斥力來說明分散穩(wěn)定性好壞。顆粒間的靜電斥力越大，不易團聚，說明分散性能越好。而靜電斥力的表征需通過測量顆粒致密層和擴展層交界面處的電勢(Zeta電位)。當Zeta絕對值高于30 mV，則該分散體系比較穩(wěn)定[13-14]。

根據(jù)文獻[15]可知，體積分數(shù)為0.1%的多壁碳納米管水基納米流體加入質(zhì)量分數(shù)0.15%分散劑阿拉伯膠后，Zeta電位達到-34.1 mV，分散穩(wěn)定性較好，因此文中水基納米流體選擇該方法配制。葵花油和蓖麻油作為基液的多壁碳納米管納米流體并不需要添加阿拉伯膠分散劑。隨后，用電子分析天平(型號：FA2004B，量程：0～200 g，精度：0.1 mg)稱量一定量的多壁碳納米管和基液，混合后放入超聲振動儀(型號KQ-100DE，頻率45 kHz，功率：100 W)進行超聲振動強化分散，振動時間2 h。

采用上海方瑞儀器有限公司制造的NDJ-9S黏度計和BZY-1型全自動表面張力儀測量潤滑液黏度與表面張力，結(jié)果見表2。

表2 潤滑液的物理參數(shù)

2.1.3 潤滑液潤濕角測量

通過精密注射泵使液滴由噴嘴處緩慢滴落，液滴滴落后關(guān)閉注射泵，待液滴在絕緣層上穩(wěn)定后，經(jīng)高壓靜電發(fā)生器對電極針施加數(shù)千伏的負電壓，通過計算機觀察并記錄液滴潤濕角的變化情況，通過PotPlayer軟件中將視頻按“每幀提取”方式分解圖片，最后通過VXM軟件測量分解后圖片上液滴的潤濕角。

2.2 電潤濕仿真2.2.1 幾何模型與網(wǎng)格劃分

根據(jù)試驗中未加電壓的液滴實際尺寸，建立仿真幾何模型，如圖4所示。仿真中對潤滑液液滴邊界施加電壓。

圖4 仿真模型

圖5所示為網(wǎng)格劃分結(jié)果。仿真中采用自由三角形單元劃分網(wǎng)格，設(shè)置最小單元大小0.003 mm，最大單元增長率為1.13，曲率因子為0.3，狹窄區(qū)域分辨率為1，對邊界條件進行縮放，單元大小比例為0.5。

圖5 網(wǎng)格劃分

2.2.2 控制方程

采用層流、水平集及潤濕壁3個方程并行完成電潤濕仿真。

以不可壓縮Navier-Stokes方程計算液滴的速度和壓力：

(5)

式中：ρ為密度(kg/m3)；μ為動力黏度(Pa·s)；u為流體速度(m/s)；p為壓力(Pa)；Fst為表面張力(N/m)。

以水平集方程追蹤液滴界面，計算2個流體之間的界面和表面張力：

(6)

式中：ε為界面厚度控制參數(shù)(m)；ε=hc/2，hc為典型網(wǎng)格尺寸(m)；u為流體速度(m/s)；γ為重新初始化參數(shù)(取值1)，φ為相場變量(0～1)。

(7)

T=σ(I-(nnT)δ)

(8)

(9)

密度、黏度的水平集函數(shù)：

ρ=ρ1+(ρ2-ρ1)φ

(10)

μ=μ1+(μ2-μ1)φ

(11)

式中：ρ為密度(kg/m3)；ρ1為空氣密度(kg/m3)；ρ2為潤滑液液滴密度(kg/m3)；φ為相場變量(0～1)；μ為動力黏度(Pa·s)；μ1為空氣動力黏度(Pa·s)；μ2為潤滑液液滴動力黏度(Pa·s)。

以潤濕壁方程調(diào)控潤濕角：

n·u=0

(12)

(13)

(14)

式中：n為邊界法線；u為流體速度(m/s);Fwall為壁力(N/m2);σ為表面張力系數(shù)(N/m);θ為液滴潤濕角;δ為流體界面處非零的狄拉克函數(shù);nint為助變量(1);β為滑移長度(m);μ為動力黏度(Pa·s)；ε為界面厚度控制參數(shù)(m)；φ為相場變量(0～1)。

3 結(jié)果及分析

3.1 潤濕角測量結(jié)果

圖6所示為不同電壓下蓖麻油基納米流體液滴的潤濕角。

圖6 不同電壓下蓖麻油基納米流體的潤濕角

從圖6可以看出，施加電壓后，蓖麻油基納米流體的潤濕角減小，且電壓越大，液滴潤濕角越小。

圖7示出了不同潤滑液的潤濕角隨電壓的變化情況。可以看出，各種潤滑液潤濕角隨電壓的增大而減小；當電壓為-3 kV時，6種潤滑液的潤濕角較未施加電壓時變化不大；當電壓增加到-7 kV時，6種潤滑液潤濕角較未加電壓時明顯變小，去離子水潤濕角減小幅度最小(27%)，葵花油潤濕角減小幅度最大(58%)；同等電壓下，加入納米顆粒的潤滑液比其對應(yīng)基液的潤濕角要小，這可說明納米顆粒的加入可提高潤滑液的電潤濕性能；在相同電壓下，潤滑液潤濕角由大到小排列依次為去離子水、去離子水基納米流體、蓖麻油、蓖麻油基納米流體、葵花油、葵花油基納米流體，葵花油基納米流體的電潤濕性能最好。與未加電壓相比，不同電壓下各種潤滑液潤濕角減少百分比見表3。

圖7 不同電壓下各種潤滑液潤濕角對比

表3 不同電壓下各種潤滑液潤濕角減小百分比

3.2 潤濕角仿真結(jié)果

圖8所示為外加電壓為-5 kV時不同潤滑液潤濕角仿真結(jié)果與試驗結(jié)果的對比。可以看出，試驗測得的潤滑液潤濕角比仿真得到的潤滑液潤濕角要稍大；與試驗結(jié)果相比，潤濕角仿真結(jié)果的誤差在13%～24%。這是因為電潤濕試驗中通過電極針電離空氣后使?jié)櫥阂旱螏щ姡抡嬷惺侵苯訉σ旱问┘与妷海@使得試驗中液滴帶電低于仿真，進而導(dǎo)致潤滑液潤濕角試驗值高于仿真值，存在一定的誤差。

圖8 -5 kV條件下不同類型潤滑液潤濕角仿真與試驗結(jié)果對比

圖9所示為不同潤滑液潤濕角隨仿真時間的變化曲線。可以看出，在0～60 ms內(nèi)，潤滑液潤濕角迅速減小，6種潤滑液潤濕角減小百分比在20%左右；60～120 ms內(nèi)，潤滑液潤濕角減小速度較之前明顯降低，與60 ms時相比，減小了大約6%；120 ms后潤滑液潤濕角幾乎不再發(fā)生變化，即潤滑液潤濕角已經(jīng)達到穩(wěn)定狀態(tài)。

圖9 -5 kV仿真條件下不同類型潤滑液潤濕角隨時間的變化曲線

圖10所示為-5 kV電壓下60 ms時葵花油基納米流體液滴表面速度場和壓力場。可以看出，當施加電壓時，液滴中心頂端位置壓力與速度較大且速度方向指向液滴內(nèi)部，而液滴邊緣速度較小，方向指向液滴邊緣，因此液滴逐漸趴平，潤濕角變小。

圖10 -5 kV仿真條件下葵花油基納米流體液滴的速度場與壓力場

圖11所示為仿真時間100 ms時不同電壓下去離子水潤滑液的壓力場與速度場。可以看出，電壓越高，潤滑液液滴表面的速度變化越劇烈，液滴趴平速度越快。

圖11 仿真時間100 ms時不同電壓下去離子水潤滑液的壓力場與速度場

圖12所示為在電壓為-5 kV下仿真100 ms時不同潤滑液的壓力場與速度場。可以看出，葵花油、葵花油基納米流體液滴內(nèi)部的壓力梯度較大，因此其趴平程度大，潤濕角小。

圖12 在電壓為-5 kV下仿真100 ms時不同潤滑液的壓力場與速度場

4 結(jié)論

(1)潤滑液潤濕角受外加電場的影響，在一定范圍內(nèi)，電壓越大，潤滑液潤濕角越小。

(2)在潤滑液中加入納米顆粒后，電潤滑性能提高。

(3)在外加電壓相同時，與去離子水、去離子水基納米流體、蓖麻油、蓖麻油基納米流體、葵花油相比，葵花油基納米流體的潤濕角最小，潤濕性最好。

(4)對潤滑液液滴施加電壓后，液滴各位置壓力場場與速度場發(fā)生變化，其頂部壓力場較大，速度指向液滴內(nèi)部，邊緣壓力場較小，速度指向液滴外部，進而導(dǎo)致潤濕角減少。