SHMP與CMC復合分散劑液體磁性磨具性能研究

李唯東，楊勝強，李文輝，李秀紅，張 再

(太原理工大學 機械工程學院，精密加工山西省重點實驗室，太原 030024)

水基液體磁性磨具是一種新型的精密光整加工磨具，它將液體的流動性和磁性材料的磁流變特性統(tǒng)一在一種物質(zhì)中，使之具有形狀適應性強、加工表面質(zhì)量高等優(yōu)點，在復雜表面精密光整加工方面具有廣闊的前景[1]。因此，它的制備和性能的研究都有重要的科學意義。水基液體磁性磨具主要是將微米級的磁性顆粒及磨料粒子分散于水中，形成穩(wěn)定的懸浮液，其復雜性體現(xiàn)在系統(tǒng)內(nèi)的固相顆粒本身的特性決定不了懸浮液整體的物理性質(zhì)，系統(tǒng)整體的物理性質(zhì)是由局域固體顆粒之間產(chǎn)生不確定性、復雜的耦合后才體現(xiàn)出來的[2-3]。

水基液體磁性磨具由于固相顆粒與水基載液之間較大的密度差以及顆粒的高表面能等客觀存在的特征，隨著時間的變化成為熱力學不穩(wěn)定體系，顆粒容易發(fā)生團聚，進而引起沉降，導致其物理、化學性質(zhì)的改變，降低、甚至失去對零件表面光整加工的能力，所以抗沉降穩(wěn)定性是制約其發(fā)展的一大難題[4]。液體磁性磨具中固相顆粒保持分散和懸浮狀態(tài)、不發(fā)生沉降的性質(zhì)稱為磨具的穩(wěn)定性，是評價液體磁性磨具品質(zhì)優(yōu)劣的一個重要指標，用來衡量磨具中固相顆粒發(fā)生團聚和產(chǎn)生沉降的難易程度。

為了提高水基液體磁性磨具的穩(wěn)定性，目前是通過選用單一分散劑來提高固相顆粒的分散能力即抗團聚能力，進而提升穩(wěn)定性。然而研究發(fā)現(xiàn)，當按照一定的比例，將兩種或幾種分散劑復合使用時，得到的穩(wěn)定性指標優(yōu)于使用單一分散劑[5-6]。

通過對單一分散劑的機理分析[7-8]，本文確定同時使用SHMP和CMC作為復合分散劑，并使用納米SiO2作為助劑，分析復合分散劑分散機理，通過使用極端頂點設計法進行各試劑的配比實驗，以同時達到低沉降率及適合的零場黏度為研究目標，得出各試劑最佳配比，并進行加工實驗。

1 復合分散劑分散機理

如圖1所示，在堿性溶液中，SHMP在懸浮液中的作用是通過靜電排斥作用，SHMP的羧酸根離子通過特征吸附方式吸附于固相顆粒表面[9-10]，使固相顆粒周圍形成一層帶負離子的雙電層；隨著雙電層厚度的增加，固相顆粒周圍的Zeta電位上升，增加了顆粒間的排斥力；納米SiO2顆粒因粒徑小，可以分散于固相顆粒的縫隙處，部分的SHMP也會吸附于納米SiO2上，使納米SiO2上吸附較多的負離子，增加了兩固相顆粒間的排斥作用，同時也改善了固相顆粒與液相之間的密度差，減少了固相顆粒下降的趨勢。CMC屬于纖維素的一種鈉鹽，與水分子結合，在溶液中會形成具有一定穩(wěn)定性的類似網(wǎng)狀結構，在固相顆粒的周圍形成位阻層；同時其羧酸根離子也吸附于固相顆粒表面，防止固相顆粒因布朗運動而團聚，增加了空間穩(wěn)定作用三者的共同作用使得液體磁性磨具的穩(wěn)定性得以提升。

圖1 復合分散劑的分散機理Fig.1 Schematic of the action mechanism of the compound dispersant

圖2 CMC用量小、SHMP用量大時的分散作用Fig.2 Schematic of dispersion in condition of shortage of CMC and overweight of SHMP

如圖3所示，CMC用量過量、SHMP用量不足。當固相顆粒周圍吸附的CMC量達到飽和時，多余的CMC會溶解在固相顆粒的周圍；當濃度達到一定程度時，CMC的長鏈就會相互纏繞，形成更加牢固的立體網(wǎng)狀結構。從一方面看，這種結構對固相顆粒形成空間位阻作用，有阻止固相顆粒的下沉趨勢；但另一方面，其使得磨具整體的流動性能大幅度降低，而且固相顆粒不易被再次分散，這是不利于加工的。

圖3 CMC用量大、SHMP用量小時的分散作用Fig.3 Schematic of dispersion in condition of overweight of CMC and shortage of SHMP

由以上分析可知，研究SHMP、CMC及納米SiO2配比具有重要意義。

2 SHMP、CMC及納米SiO2配比實驗

2.1 液體磁性磨具配制工藝及性能評價指標

2.1.1 配制工藝

配制液體磁性磨具按以下步驟進行：1) 將稱量的SHMP與CMC均勻分散到去離子水中；2) 將一定數(shù)量亞硝酸鈉和丙三醇加入到混合溶液中，通過添加無水碳酸鈉調(diào)節(jié)pH值至9；3) 稱量納米SiO2，加入容器中；4) 稱量一定數(shù)量的羰基鐵粉和綠碳化硅，加入容器中；5) 超聲波強力分散；6) 將所配置的混合溶液倒入封閉式滾動攪拌機中，如圖4所示，充分攪拌6 h[11].其中，SHMP、CMC及納米SiO2的配比為本實驗研究對象，其余試劑配比依據(jù)經(jīng)驗獲得。

圖4 純滾動攪拌裝置Fig.4 Stirring device for pure roll

2.1.2 性能評價指標

1) 沉降率。液體磁性磨具內(nèi)固體顆粒的沉降率直接表征出磨具的穩(wěn)定性，沉降率越低，穩(wěn)定性越好。采用靜置觀察法，將配置好的100 mL液體磁性磨具置于250 mL量筒中，間隔一段時間測量其清液層的高度百分比變化，記錄不同時間下上層析出的清液層的高度a，總的液體磁性磨具的高度b.由式(1)計算磁流變液的沉降率：

(1)

2) 零場粘度。粘度是常見的評價懸浮液分散性優(yōu)劣的指標，具有合適粘度的液體磁性磨具既有助于保持穩(wěn)定性，也具備足夠的流動性。本實驗用SV-10粘度計測定充分攪拌后的液體磁性磨具的粘度。

本文的研究目標，就是得到同時能達到最低沉降率及合適零場粘度的各試劑的配比。

2.2 配比實驗設計

采用Minitab軟件中的DOE實驗設計模塊進行實驗設計[12-13]。以m1、m2、m3分別代表SHMP、CMC和納米SiO2的使用量，以沉降率和零場粘度作為水基液體磁性磨具的評價指標。采用極端頂點設計法并通過軸點增強設計選取實驗點，進行混料設計，共選取13個觀察實驗點，如表1所示。

在液體磁性磨具的配方中，根據(jù)經(jīng)驗，SHMP、CMC和納米SiO2的總量為6 g，而SHMP、CMC的共同用量需要根據(jù)磁性微粒和磨料粒子的比例確定，約束條件如下：

(2)

在約束條件下，建立回歸模型如下：

y=b1x1+b2x2+b3x3+b12x1x2+b13x1x3+b23x2x3 . (3)

式中:y為響應指標；b1,b2,b3,b12,b13,b23為線性和非線性項的系數(shù)；x1,x2,x3表示m1,m2,m3的數(shù)值。

2.3 實驗結果分析

2.3.1 沉降率分析

對沉降率實驗結果回歸擬合，通過方差分析，去掉式(3)中的非顯著項[14]，得到沉降率二次回歸方程模型如下：

y1=1.306 44x1-1.222 93x2+
0.065 487 7x3+0.233 854x1x3.

(4)

其中，y1為沉降率的數(shù)值。

從圖5中可以看出3種成分對沉降率的影響。如圖5(a)所示，混合曲面圖是一平面，說明三者之間的交互作用不明顯；隨著SHMP與納米SiO2使用量的增大，沉降率在逐步增大；但隨著CMC使用量的增加，沉降率逐漸減小，因其傾斜率最大，所以，CMC對沉降率的影響最大。如圖5(b)所示，當CMC的使用量確定時，增加納米SiO2的用量，則沉降率降低；增加SHMP的量，則沉降率會上升。由此可見，如要獲得較小的沉降率，則其用量的使用應該是：m(CMC)>m(納米SiO2)>m(SHMP).

圖5 沉降率的混合曲面圖和混合等值線圖Fig.5 Mixed contour map and mixed surface diagram of the sedimentation rate

2.3.2 零場黏度分析

對表1中的零場黏度實驗結果回歸擬合，通過方差分析，去掉式(3)中的非顯著項，得到零場黏度二次回歸方程模型如下：

y2=23.920 7x1+4 298.57x2+66.209 1x3-
791.386x1x2-792.366x2x3.

(5)

其中，y2為零場黏度的數(shù)值。

從圖6中可以看出3種成分對零場黏度的影響。零場黏度的混合曲面圖為一曲面(見圖6(a))，說明三者之間對零場黏度的影響有一定的交互作用，且隨著羧甲基纖維素鈉使用量的增減，零場黏度上升得越快。如圖6(b)所示，當CMC使用量一定時，液體磁性磨具的零場黏度基本不變，說明三者對零場黏度的影響中，CMC的影響最大。

圖6 零場黏度的混合曲面圖與混合等值線圖Fig.6 Mixed contour map and mixed surface diagram of zero field viscosity

2.3.3 最佳配比

以液體磁性磨具的沉降率和零場黏度為優(yōu)化指標，獲得同時達到沉降率小、零場黏度合適的SHMP、CMC和納米SiO2最佳配比。響應優(yōu)化參數(shù)如表2所示；響應優(yōu)化圖如圖7所示。

表2 響應優(yōu)化參數(shù)設置Table 2 Response optimization parameter settings

圖7 響應優(yōu)化圖Fig.7 Response optimization diagram

得到的用量最佳結果是SHMP 1.35 g，CMC 0.33 g，納米SiO24.32 g.將結果分別代入式(4)及式(5)中，得到：

y1=2.996 5%，y2=254.84 mPa·s .

做驗證實驗，結果為沉降率3.34%，零場黏度265.07 mPa·s.驗證實驗的結果與預測的結果相差不超過1%，這說明采用此法優(yōu)化得到的液體磁性磨具的配方準確可靠，按照建立的模型進行預測在實踐中是可行的。

3 加工實驗

加工實驗的裝置如圖8所示，主要由磁場發(fā)生與控制裝置、工件運動驅(qū)動裝置及液體磁性磨具容器三大部分組成。直徑為20 mm的圓柱體工件(材料為硬鋁YL12)通過三爪卡盤固定在鉆銑床上，由主驅(qū)動軸產(chǎn)生回轉(zhuǎn)運動。磁場裝置通電后產(chǎn)生外部磁場，液體磁性磨具發(fā)生流變效應，形成類固體，實現(xiàn)光整加工。

圖8 實驗裝置Fig.8 Experimental device

加工參數(shù)設置為加工時間15 min，轉(zhuǎn)速660 r/min，加工時的電流為2.3 A.采用德國MAHR公司的PERTHOMETER M2粗糙度測量儀，對工件的表面粗糙度值進行測量。實驗工件加工前后的表面粗糙度值如表3所示。

通過以上數(shù)據(jù)可以看出，通過最佳配比配置出的液體磁性磨具對零件的表面光整加工加工效果良好，加工前后表面明顯改善，其表面平滑程度、光亮程度等都有顯著的提高，如圖9所示，其鏡面效果有明顯的改善。

表3 表面粗糙度值加工前后數(shù)值對照表Table 3 Surface roughness value μm

圖9 加工前(a)后(b)鏡面效果對比Fig.9 Mirror effect comparison before and after processing

加工后的液體磁性磨具在經(jīng)過長時間靜置后，仍能在很短的時間內(nèi)再次被攪拌均勻，其壽命得到了很大的提升。

4 結論

通過以上對復合分散劑和納米顆粒的配比實驗研究及分散機理分析，得出以下結論：

1) 液體磁性磨具中加入復合分散劑SHMP和CMC有很好的改善穩(wěn)定性的效果。通過實驗，最佳配方為m(SHMP)∶m(CMC)∶m(納米SiO2)=0.225∶0.055∶0.72.

2) 分散機理為：在堿性條件下，CMC通過羧基形式吸附于固相顆粒表面，部分的SHMP以羧酸根形式吸附于固相顆粒表面，這兩者在固相顆粒之間形成雙電層，增強了顆粒間的靜電斥力作用；CMC的支鏈在水溶液中形成了網(wǎng)狀結構，阻礙了固相顆粒間的運動；還有部分SHMP顆粒吸附于納米SiO2表面，使其帶上負電荷，三者共同作用，提高了液體磁性磨具的穩(wěn)定性。

3) 通過最佳配比的加工實驗證明，其加工效果良好，且再分散性良好，其壽命得到很大的提升。