層狀液晶在高速環(huán)-塊摩擦副中的潤滑作用

層狀液晶在高速環(huán)-塊摩擦副中的潤滑作用

表面活性劑的分子、脂肪醇和極性溶劑可以形成一個(gè)由面板組成的分子狀結(jié)構(gòu)。由于其獨(dú)特的涂層結(jié)構(gòu)，該層板對(duì)鋁和其他材料具有一定的潤滑性。shah等人報(bào)道，石油磺酸鹽系統(tǒng)的層析成像可以降低表面之間的摩擦系數(shù)。gunsel等人的研究表明，經(jīng)過化學(xué)實(shí)踐，界面活性劑的結(jié)構(gòu)與滑移性的關(guān)系。1試驗(yàn)部分1.1材料和試劑所用TritonX-100和n-C10H21OH均為分析純?cè)噭?水為2次蒸餾水,5-羥基硬脂酸(5-DXSA)為Sigma公司金標(biāo)簽試劑,其結(jié)構(gòu)式為:1.2測(cè)試方法1.2.1層析成像區(qū)域的確定按不同組成配樣,充分振蕩混合后置于25℃±0.1恒溫水浴中恒溫12h以上,采用偏振光顯微鏡判斷溶致液晶單相的種類.1.2.2毛細(xì)管細(xì)胞度的測(cè)定將試樣按比例放入具塞試管中,混合均勻后離心分離20min(轉(zhuǎn)速為5000r/min)以驅(qū)除氣泡,然后吸入直徑為0.7mm的專用毛細(xì)管中,用石蠟密封兩端后進(jìn)行測(cè)定.測(cè)定過程中使用Ni濾波片和Cu陽極靶(λ=0.1542nm),管壓為50kV,管流180mA.1.2.3esr波譜的測(cè)定首先移取100μL濃度為2×10-3mol/L的5-DXSA的乙醇溶液置于1mL的具塞試管中,然后往試管中通入氮?dú)獯党掖?再加入一定量的TritonX-100/n-C10H21OH/H2O體系層狀液晶樣品,充分振蕩混合后置于恒溫(25℃±0.1)水浴中恒溫12h以上,再將樣品注入扁平管在VarianE-115EPR型波譜儀上測(cè)定ESR波譜.1.2.4鋼環(huán)的硬度和強(qiáng)度用高速環(huán)-塊摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)考察層狀液晶對(duì)鋁合金-鋼摩擦副的潤滑作用,所用試環(huán)為AISI52100鋼環(huán),其硬度為59～61HRC,外徑為49mm;試塊為Al-Si合金(Si的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為12%～15%)塊;轉(zhuǎn)速800r/min,試驗(yàn)時(shí)間1200s;環(huán)境溫度25℃.試驗(yàn)結(jié)束后用讀數(shù)顯微鏡測(cè)出鋁合金試塊的磨痕寬度.楊漢民男,31歲,在讀博士生,目前主要從事分子有序組合體及其功能研究.2結(jié)果與討論2.1溶劑在金屬環(huán)境中的滲透劑為金屬酶載體的sscTritonX-100/n-C10H21OH/H2O體系的部分相圖及其結(jié)構(gòu)詳見文獻(xiàn).層狀液晶的結(jié)構(gòu)可由小角X射線衍射確定,以其層間距對(duì)溶劑(水)含量與非溶劑組分含量的比R作圖得直線(見圖1),將直線外推至含水量為0處,即可得到層狀液晶兩親雙層的厚度d0.由圖1可見:當(dāng)n-C10H21OH/TritonX-100的質(zhì)量比為17/83時(shí),d0=3.55nm;當(dāng)n-C10H21OH/TritonX-100的質(zhì)量比為23/77時(shí),d0=3.60nm.表明層狀液晶中表面活性劑與助表面活性劑質(zhì)量比的變化對(duì)兩親雙層厚度基本無影響.層狀液晶層間距de隨含水量的變化與層狀液晶中水層厚度dw的變化有關(guān),在固定n-C10H21OH/TritonX-100條件下,隨含水量增加,水層厚度dw增加,導(dǎo)致層間距de值增大.當(dāng)水含量固定時(shí),隨n-C10H21OH/TritonX-100質(zhì)量比的增大,層狀液晶溶劑厚度dw減小,導(dǎo)致層間距de減小.溶劑在層狀液晶中以2種狀態(tài)分布,其既可以滲透進(jìn)入兩親雙層,又可在表面活性劑極性基團(tuán)之間形成溶劑層.層狀液晶溶劑層的厚度與溶劑在層狀液晶兩親雙層中的滲透作用有關(guān).溶劑的滲透性越強(qiáng),進(jìn)入兩親雙層的溶劑量越多,留在溶劑層的溶劑量越少,層狀液晶溶劑層厚度dw則越小;反之亦然.顯然,溶劑在層狀液晶兩親雙層中的滲透與兩親雙層的穩(wěn)定性有關(guān).滲透量太大或太小,兩親雙層均會(huì)被破壞,從而導(dǎo)致層狀液晶失穩(wěn).溶劑在層狀液晶兩親雙層中的滲透率α可表示為:α=1??d/?Rd0.(1)α=1-?d/?Rd0.(1)計(jì)算表明,當(dāng)n-C10H21OH/TritonX-100的質(zhì)量比為17/83時(shí),α=52.7%;當(dāng)C10H21OH/TritonX-100的質(zhì)量比為23/77時(shí),α=54.7%.表(1和2)給出了由ESR波譜計(jì)算得到的TritonX-100/n-C10H21OH/H2O層狀液晶的有序參數(shù)S和超精細(xì)偶合常數(shù)AN.可以看出,不同組分的TritonX-100/n-C10H21OH/H2O體系層狀液晶的AN基本相同,表明層狀液晶中的微極性是一致的.不同組分TritonX-100/n-C10H21OH/H2O體系層狀液晶的有序參數(shù)S約為0.5,表明在層狀液晶區(qū)域內(nèi),層狀液晶基本保持了長程有序結(jié)構(gòu).因此,相對(duì)于固體(S=1)和液體(S=0)而言,層狀液晶是一類兼具固體和液體2種特性的物質(zhì),它一方面象液體一樣具有可流動(dòng)性,另一方面其分子具有明顯的各向異性和有序性.據(jù)此推測(cè)TritonX-100/n-C10H21OH/H2O體系層狀液晶可能具有一定的潤滑性.由表1可見,隨著水含量的增加,層狀液晶的有序度趨于降低.這是因?yàn)楫?dāng)液晶體系中的n-C10H21OH/TritonX-100的質(zhì)量比固定時(shí),隨著水含量的增加,滲透到兩親雙層中的水量增加,使得兩親雙層中分子的排列變得疏松;同時(shí)溶劑層厚度增大,使得層與層之間的作用力變?nèi)?有序度降低.由表2可見,隨著液晶體系中表面活性劑含量的增加,有序度逐漸增加.這是因?yàn)殡S著表面活性劑含量的增加,滲透到兩親雙層中溶劑的量相對(duì)減少,兩親雙層中分子的排列較為緊密,從而使得有序度逐漸增加.2.2不同tri能力下的納米熱值與納米測(cè)試塊磨痕寬度的關(guān)系圖(2和3)分別示出了在載荷200N下鋁合金試塊磨痕寬度隨層狀液晶中的溶劑水和表面活性劑TritonX-100含量的變化關(guān)系.由圖2可見,隨著層狀液晶中水含量的增加,鋁合金試塊的磨痕寬度逐漸增大,表明隨著水含量的增加和層狀液晶有序度的降低,其潤滑性能變差.由圖3可見,在層狀液晶區(qū)域內(nèi),隨TritonX-100含量的增加,鋁合金試塊的磨痕寬度逐漸降低,表明隨著TritonX-100/n-C10H21OH/H2O體系層狀液晶中TritonX-100含量和層狀液晶有序度的增加,其潤滑性能提高.2.3復(fù)合面為復(fù)合面的摩擦學(xué)性能圖4給出了TritonX-100/n-C10H21OH/H2O體系層狀液晶潤滑下(載荷200N,試驗(yàn)時(shí)間20min)鋁合金試塊磨損表面的電子探針分析結(jié)果.可以看出,鋁合金試塊磨損表面存在大量分布均勻的碳和氧,這表明在磨損表面形成了TritonX-100和n-C10H21OH分子的吸附或化學(xué)反應(yīng)膜.應(yīng)該指出的是,層狀液晶的結(jié)構(gòu)對(duì)其潤滑性能具有相當(dāng)大的影響.層狀液晶的結(jié)構(gòu)越穩(wěn)定,TritonX-100和n-C10H21OH分子的排列越有序,越有利于其在摩擦副表面吸附并形成潤滑膜,相應(yīng)的潤滑性能越好;反之,層狀液晶的結(jié)構(gòu)越不穩(wěn)定,TritonX-100和n-C10H21OH分子的排列越混亂,越不利于其在摩擦副表面吸附,相應(yīng)的潤滑性能越差.3tri頓x-100/n-c30h21hs/ho體系表面活性劑分子排列的有序度a.隨著TritonX-100/n-C10H21OH/H2O體系層狀液晶中水含量的增加,水層厚度增大,層間距增大;隨著水含量的降低,水層的厚度減小,層間距亦減小.b.隨著TritonX-100/n-C1