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(jī)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(shí)，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(xì)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(shí)帶電液滴在電場下受到電場力作用沿著電場線方向移動(dòng)，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(shí)，微量潤滑液以霧滴的形式抵達(dá)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(xì)管滲透進(jìn)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(jìn)行描述，為評價(jià)潤滑液滲透性能的一個(gè)重要指標(biāo)[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(jìn)行測量，并結(jié)合電潤濕仿真，研究了電潤濕機(jī)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(diǎn)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(yàn)與仿真

2.1 電潤濕試驗(yàn)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(shí)物圖。該裝置包括產(chǎn)生負(fù)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(jì)算機(jī)。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(tái)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(fù)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(tái)上的絕緣層上表面，臥式視頻顯微鏡通過USB連接線與計(jì)算機(jī)連接。

2.1.2 納米流體制備與物性測量

試驗(yàn)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?jǐn)?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?jǐn)?shù)需轉(zhuǎn)化為質(zhì)量分?jǐn)?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?jǐn)?shù);φ為納米顆粒體積分?jǐn)?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(shí)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(tuán)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(kuò)展層交界面處的電勢(Zeta電位)。當(dāng)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(xiàn)[15]可知，體積分?jǐn)?shù)為0.1%的多壁碳納米管水基納米流體加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.15%分散劑阿拉伯膠后，Zeta電位達(dá)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?？ㄓ秃捅吐橛妥鳛榛旱亩啾谔技{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(hào)：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(dòng)儀(型號(hào)KQ-100DE，頻率45 kHz，功率：100 W)進(jìn)行超聲振動(dòng)強(qiáng)化分散，振動(dòng)時(shí)間2 h。

采用上海方瑞儀器有限公司制造的NDJ-9S黏度計(jì)和BZY-1型全自動(dòng)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(fù)電壓，通過計(jì)算機(jī)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(yàn)中未加電壓的液滴實(shí)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?jiǎng)澐志W(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(jìn)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(gè)方程并行完成電潤濕仿真。

以不可壓縮Navier-Stokes方程計(jì)算液滴的速度和壓力：

(5)

式中：ρ為密度(kg/m3)；μ為動(dòng)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(jì)算2個(gè)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(dòng)力黏度(Pa·s)；μ1為空氣動(dòng)力黏度(Pa·s)；μ2為潤滑液液滴動(dòng)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(dòng)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??；當(dāng)電壓為-3 kV時(shí)，6種潤滑液的潤濕角較未施加電壓時(shí)變化不大；當(dāng)電壓增加到-7 kV時(shí)，6種潤滑液潤濕角較未加電壓時(shí)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(shí)不同潤滑液潤濕角仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的對比?？梢钥闯?，試驗(yàn)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(yàn)結(jié)果相比，潤濕角仿真結(jié)果的誤差在13%～24%。這是因?yàn)殡姖櫇裨囼?yàn)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?，這使得試驗(yàn)中液滴帶電低于仿真，進(jìn)而導(dǎo)致潤滑液潤濕角試驗(yàn)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(yàn)結(jié)果對比

圖9所示為不同潤滑液潤濕角隨仿真時(shí)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(shí)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(dá)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(shí)間的變化曲線

圖10所示為-5 kV電壓下60 ms時(shí)葵花油基納米流體液滴表面速度場和壓力場?？梢钥闯?，當(dāng)施加電壓時(shí)，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(shí)間100 ms時(shí)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(shí)間100 ms時(shí)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(shí)不同潤滑液的壓力場與速度場?？梢钥闯觯ㄓ?、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(shí)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(shí)，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(jìn)而導(dǎo)致潤濕角減少。