納米SiC水基液壓介質(zhì)基液的分析研究

朱穎智+吳張永+王航+胡臻尚

摘要：本文對納米SiC水基液壓介質(zhì)的基液進(jìn)行研究，參考生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)及水基液壓介質(zhì)工作性質(zhì)，從適合的基液（自來水、納濾膜處理水、滲透膜處理水、蒸餾水、去離子水）中選出對納米SiC水基液壓介質(zhì)分散效果較優(yōu)的基液種類，探討了基液的種類對于納米SiC水基液壓介質(zhì)分散穩(wěn)定性的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：分散劑為羧甲基纖維素鈉，基液為去離子水時(shí)，所配置的納米SiC水基液的分散穩(wěn)定性較好。

Abstract： In this paper， the basal liquid of nano-SiC water-based hydraulic medium is studied. Based on the hygienic standard of drinking water and the working properties of water-based hydraulic medium， from the appropriate base liquid （tap water， nanofiltration membrane water， osmotic membrane treated water， distilled water and deionized water）， the effect of the type of the base liquid on the dispersion stability of the nano-SiC water-based hydraulic medium was discussed. The experimental results show that the dispersion stability of nano-SiC water-based liquid is better when the dispersant is sodium carboxymethyl cellulose and the base liquid is deionized water.

關(guān)鍵詞：納米SiC；水基液；分散劑；分散穩(wěn)定性

Key words： nano SiC；water-based liquid；dispersant；dispersion stability

中圖分類號：TH137 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1006-4311（2017）23-0164-03

0 引言

隨著水液壓傳動的發(fā)展，以水基液壓介質(zhì)（含有添加劑的水作為基礎(chǔ)液，以下簡稱基液）取代以往的礦物型油基液壓工作介質(zhì)的研究得到了人們普遍關(guān)注?；鹤鳛橹苽渌簤航橘|(zhì)的載體，主要作用是將固體顆粒與添加劑均勻地混合在其中。在對水基液壓介質(zhì)的研究中，基液的選擇對液壓元件和系統(tǒng)的可靠性和壽命有很大影響。在實(shí)際應(yīng)用中，往往容易忽略基液對水基液壓介質(zhì)性能的影響，在現(xiàn)有的文獻(xiàn)中對適用于液壓系統(tǒng)的基液研究很少見報(bào)道。為改善水壓元件及系統(tǒng)工作時(shí)的可靠性及壽命，需要有效的控制基礎(chǔ)液的質(zhì)量。

本文通過水基液壓介質(zhì)對基液提出的要求，結(jié)合納米SiC的特有理化性能，選出能夠較好與納米SiC顆?；旌系幕?，為納米SiC水基液壓介質(zhì)的制備奠定基礎(chǔ)。

1 納米SiC水基液壓介質(zhì)的基液

1.1 納米SiC水基液壓介質(zhì)對基液的要求

參照相關(guān)部門提出的一些指標(biāo)，取生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)（GB5749-2006）為參考標(biāo)準(zhǔn)，再依據(jù)前人研究的水基液壓介質(zhì)的工作性質(zhì)，我們認(rèn)為水基礎(chǔ)液應(yīng)該滿足如下要求。

1.1.1 離子要求

①為了滿足綠色環(huán)保的要求，我們需要對水基礎(chǔ)液中的離子進(jìn)行控制，例如Cl、S、P這一類元素排放到環(huán)境中會使水質(zhì)富營養(yǎng)化，進(jìn)而破壞生態(tài)平衡，污染環(huán)境，且影響人體健康[1]。關(guān)于Cl離子的含量可以引用飲用純凈水標(biāo)準(zhǔn)（GB17323-1998），Cl≤6mg/L；S、P元素在水中絕大多數(shù)都是以SO42-、PO43-離子的形式存在，PO43-離子的含量可引用飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)（GB5749-2006），PO43-≤5mg/L；SO42-離子的含量也可引用飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)（GB5749-2006），即SO42-≤5mg/L。

②硬度要求。水的硬度取決于其中Ca、Mg離子的含量，如果水基礎(chǔ)液硬度過高則會在工作時(shí)產(chǎn)生結(jié)垢，為了避免這種情況發(fā)生，應(yīng)該嚴(yán)格控制水中鈣、鎂離子的含量。參照工業(yè)用水硬度標(biāo)準(zhǔn)，硬度<10mg/L的水稱為軟水，硬度在10-100mg/L之間的水稱為硬水，硬度>100mg/L的水稱為高硬水。水基礎(chǔ)液的硬度應(yīng)該符合軟水的標(biāo)準(zhǔn)。

③水與離子與添加劑相溶性。目前已知的納米顆粒有許多種類，不同的納米顆粒擁有不同的理化性質(zhì)，因此與水的兼容性也不相同。為保證納米SiC顆粒在水基液壓傳動介質(zhì)中的性能穩(wěn)定，備選納米顆粒應(yīng)滿足如下條件：1在水中擁有良好的穩(wěn)定性，不與水發(fā)生理化反應(yīng)，這樣才能穩(wěn)定存在于水中。2納米SiC顆粒與水基礎(chǔ)液中的離子不會發(fā)生氧化反應(yīng)3在水基礎(chǔ)液中不與其中離子發(fā)生吸附團(tuán)聚沉淀。

1.1.2 固體顆粒要求

液壓介質(zhì)中固體顆粒粒徑過大會導(dǎo)致元件的堵塞，使液壓系統(tǒng)出現(xiàn)故障，精密的液壓元器件要求液壓介質(zhì)中顆粒不得大于1um。參考液壓傳動中精密伺服閥對液壓介質(zhì)中顆粒的大小要求，水基礎(chǔ)液里的固體顆粒直徑應(yīng)不大于1um。此外，固體顆粒直徑還會嚴(yán)重干擾納米顆粒的抗磨性，所以必須對水基礎(chǔ)液里固體顆粒的最大直徑進(jìn)行限制。由納米-微米復(fù)合理論可知：母粒子和子粒子粒徑比需不低于10：1，最小也需在5：1，其差值與復(fù)合效果成正比[2]。根據(jù)實(shí)際條件取最低值，對固體顆粒要求其粒徑處于250～500nm。

1.1.3 微生物要求

水中主要的微生物有四類：分別是致病菌、大腸桿菌、酵母菌和霉菌。在儲存、提取和運(yùn)輸?shù)倪^程中水中無機(jī)及有機(jī)營養(yǎng)物質(zhì)會顯著增加，這種現(xiàn)象會導(dǎo)致微生物大量繁殖，進(jìn)而引發(fā)水的變質(zhì)，使液壓系統(tǒng)中介質(zhì)環(huán)境惡化，影響整個(gè)液壓系統(tǒng)各個(gè)元件的壽命。在水基液中存在的微生物的排泄物會導(dǎo)致工作介質(zhì)變質(zhì)，污染工作環(huán)境，影響水基液壓介質(zhì)工作性能，因此必須對水基液里的微生物保有量進(jìn)行限制[3]。這里參考飲用純凈水國家標(biāo)準(zhǔn)（GB17323-1998），微生物在基液中的含量不能高于20CFU/mL。

1.2 適合作為納米SiC水基液壓介質(zhì)的基液

蒸餾水和去離子水的成分進(jìn)行分析，由表1所示。

蒸餾水中Ca等離子含量極少可忽略，Cl離子的含量少于2.5mg/L，可以達(dá)到之前對水基礎(chǔ)液提出的離子要求；蒸餾水通過蒸餾水器獲得，可以除去原先所有粒徑的顆粒雜質(zhì)和微生物，因此滿足前文提出的顆粒及微生物要求，綜上所述，蒸餾水可以用作水基礎(chǔ)液。

去離子水中Cl、Ca等離子含量極少可忽略。滿足前文提出的離子要求及固體顆粒要求以及微生物含量要求，因此去離子水也適用于水基礎(chǔ)液。

將自來水經(jīng)納濾膜（NF）處理和滲透膜（RO）處理后的成分分析由表2所示。

經(jīng)NF處理后的自來水中鈣、鎂離子含量已滿足軟水的標(biāo)準(zhǔn)，Cl- SO42-離子等去除率達(dá)89%、97.2%[4]，同時(shí)顆粒雜質(zhì)直徑和微生物含量也滿足前文所提的要求，因此經(jīng)過NF處理后的自來水滿足水基礎(chǔ)液要求。

經(jīng)過RO處理的自來水已滿足硬度<10mg/L，Cl離子及SO4離子等清除率達(dá)到95%、99%[5]，因此經(jīng)過RO處理后的自來水也滿足作為水基礎(chǔ)液的要求。

2 基液種類對納米SiC水基液壓介質(zhì)分散穩(wěn)定性的影響

取分散劑為羧甲基纖維素鈉，自來水、膜處理水、去離子水、蒸餾水為基液，測試配置的納米SiC水基溶液的分散穩(wěn)定性（測量其上層清液體積）。

取5ml納米SiC水基溶倒入刻度試管中靜置并且將試管口密封，分別在一定的時(shí)間內(nèi)讀取試管上層清液的體積V，沉降體積為（5-V）mL，沉降體積數(shù)值越大表示分散液的分散穩(wěn)定性越好。

如圖1所示為基液種類與沉降穩(wěn)定性的關(guān)系曲線（橫坐標(biāo)：Time（d），縱坐標(biāo)：Volume（mL）），曲線1是自來水、曲線2是納濾膜處理水、曲線3是滲透膜處理水、曲線4是蒸餾水、曲線5是去離子水，圖1（A）、（B）、（C）表示分散劑含量分別為0.1%、0.3%、0.5%。

由圖1可知，基液不同分散效果也有差異，在分散劑的投入量一定時(shí)，隨著時(shí)間推移，納米SiC水基溶液的上層清液呈遞增趨勢，則納米SiC水基溶液的沉降體積呈遞減趨勢，分散效果按從優(yōu)到劣排名依次為去離子水、蒸餾水、滲透膜處理水、納濾膜處理水、自來水。當(dāng)分散劑的投入量加大時(shí)，納米SiC水基溶液上層清液減少，體現(xiàn)了沉降體積的增大，分散穩(wěn)定性也隨之變優(yōu)。分散劑投入量為0.5%，基液為去離子水時(shí)，納米SiC水基溶液的上層清液體積經(jīng)測量為0.11ml左右，這時(shí)沉降體積最大，分散穩(wěn)定性最優(yōu)?；豪锏娜ルx子水、滲透膜處理水、納濾膜處理水都是由自來水處理后得到的，它們的區(qū)別是每種基液里包含的離子含量有差異，這體現(xiàn)了水中離子含量對分散劑的分散性能有影響。經(jīng)過分析可知，自來水中的Ca、Mg、Cl、SO4等離子含量比較多時(shí)，會與羧甲基纖維素鈉發(fā)生吸附結(jié)合，進(jìn)而影響分散劑的分散性能。

3 小結(jié)

因?yàn)樗臉O性較大，而SiC粉體同樣具有極性，易與水潤濕及吸附，因此SiC可以分散在水中。但因SiC粒子的表面存在大量的吸附水、配位水、橋-OH基及非橋-OH基，而且水中也難免含有某些陽離子（Ca2+、Mg2+、Al3+等）和某些陰離子（Cl-、SO42-、PO43-等），這些離子會壓縮雙電層，使粉體Zeta電位降低，不利于粉體的分散，因此為了實(shí)現(xiàn)顆粒的充分分散，需要消除水中的有害離子。

自來水中含有二氯化物和Ca2+、Mg2+和Cl-，也會影響懸浮體中顆粒的團(tuán)聚行為；

蒸餾水中根據(jù)蒸餾的程度也許會含有少量的氫離子和氧離子，能形成氫鍵，對SiC懸浮體中顆粒的團(tuán)聚有一定的分散作用，但蒸餾水作為電解質(zhì)的成本過高；

經(jīng)膜處理后的自來水，Mn2+、Fe2+、Cl-等帶電離子減少，但減少量取決于過濾的程度。

去離子水中僅有H+和OH-，只需加入不同分散劑即可吸附水中的H+或OH-，使分散劑中其他帶電離子被SiC離子吸附，從而使得懸浮體里顆粒團(tuán)聚的行為降低。

綜合考慮，并經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，以上幾種備選納米SiC水基液壓介質(zhì)基液中去離子水是最佳選擇。

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