有机物官能团特性对金刚石砂轮堵塞的影响

吴志远， 赵桂彬， 曹　帅， 谭志坤， 董晓庆

(1. 装甲兵工程学院装备再制造技术国防科技重点实验室， 北京 100072；2. 石家庄机械化步兵学院， 河北 石家庄 050083)



有机物官能团特性对金刚石砂轮堵塞的影响

吴志远1， 赵桂彬2， 曹帅2， 谭志坤2， 董晓庆2

(1. 装甲兵工程学院装备再制造技术国防科技重点实验室， 北京 100072；2. 石家庄机械化步兵学院， 河北 石家庄 050083)

砂轮堵塞是金刚石砂轮磨削工程陶瓷过程中经常出现的问题，是制约陶瓷高效和经济加工的瓶颈问题之一。根据有机物化学原理，选用有机物的官能团对砂轮堵塞的影响进行了研究。结果表明：当官能团不变时，砂轮堵塞比例随着碳数的增加呈先增后减的趋势，并且官能团极性大有机物达到拐点的碳数较多；官能团位置将影响有机物在陶瓷表面形成油膜厚度，油膜越厚，则砂轮堵塞比例越小；反映有机物与固体表面相亲性的HLB值由官能团与碳链结构共同决定，砂轮堵塞比例会随有机物的HLB值呈现规律性变化。

氮化硅陶瓷； 堵塞； 官能团； 磨削； HLB值

工程陶瓷具有优异的物理化学性能，已在各个领域获得越来越广泛的应用[1]。磨削加工是陶瓷加工的主要手段，但加工难度大，加工费用高，仍制约着陶瓷材料的大规模应用[2]。磨削液技术是提高陶瓷加工经济性的一个有效手段，但由于发展历程较短，该领域仍有许多瓶颈问题有待攻克[3]。金刚石砂轮磨削过程中的砂轮堵塞问题即是该领域的关键问题之一[4]。有机物是各种磨削液的重要组成部分，其作用特征对砂轮堵塞具有决定性的影响。官能团是决定分子化学性质的特殊原子或原子团[5]，是有机物外部物理化学特性的核心所在。笔者针对有机物官能团特性对砂轮堵塞的影响进行实验，探索相关规律，以期为新型磨削液的研制奠定理论基础。

1　实验条件

试件材料：氮化硅。

有机物：碳数3～9的正构有机酸和正构有机醇。

实验设备：信达XD-250AH型机床。

磨削参数：乳化液浓度为10%；乳化液流速为500 mL/h；砂轮转速为3 000 r/min。

金刚石砂轮堵塞面积的评价：首先在线采集图像数据；然后利用容差法进行精确评价[6]。

2　官能团特征对堵塞的影响

官能团对有机物外部特性的影响包含多个方面。为了较全面地探索官能团的作用规律，依据有机化学基本原理，从官能团的种类、个数和位置3个角度出发进行设计和分析。

2.1官能团种类的影响

选用碳数3～9的正构有机酸和正构有机醇2种有机物进行实验。对比官能团不变时，砂轮堵塞比例随碳链长度增加的变化曲线，如图1所示。

图1　砂轮堵塞比例随碳链长度增加的变化曲线

由图1可以看出：尽管酸和醇的官能团不同，但随着碳数的增加，二者呈现出相似的作用规律，即碳数较低时(正构有机醇碳数小于6，正构有机酸碳数小于7)，砂轮堵塞比例随着碳数的增加而增加；大于这一值，砂轮堵塞比例随着碳数的增加迅速降低。

2.2官能团数及位置对堵塞的影响

选用官能团个数及位置不同的丙醇、1,2-丙二醇、1,3-丙二醇和丙三醇进行实验。砂轮堵塞比例随官能团特性变化曲线如图2所示。

图2　砂轮堵塞比例随官能团特性变化曲线

由图2可以看出：随着有机醇官能团数的增加，砂轮堵塞呈现增长趋势；但这一规律并不严格吻合，添加1,3-丙二醇时的金刚石砂轮堵塞比例要远远大于添加丙三醇时的堵塞比例。

3　堵塞抑制原因及机理分析

通过对前述所有试剂分子结构、吸附形式以及物质特性进行综合分析，上述实验结果的产生原因和机理可以概括为以下2个方面。

3.1油膜厚度对堵塞的影响

有机物的碳链为非极性端，官能团为极性端，吸附于非极性的氮化硅陶瓷表面。丙醇、1,2-丙二醇、1，3-丙二醇和丙三醇的吸附形式如图3所示。

图3　丙醇、1,2-丙二醇、1，3-丙二醇和丙三醇的吸附形式

如果设一个碳原子的高度为1，那么从图3中可以看出：丙醇、1,2-丙二醇、1,3-丙二醇和丙三醇形成的油膜厚度依次为3、2、1、1，即油膜厚度越大，砂轮堵塞比例越小，磨削液的抗堵塞能力越强。因此，增加油膜厚度有利于减小砂轮堵塞比例。

3.2有机物相亲性的影响

添加有机物在陶瓷表面的吸附特性对砂轮堵塞具有较大的影响。引入HLB值的概念来对相关现象进行研究。HLB值为物质亲水、亲油的平衡值，它是分子中亲油和亲水这2个相反基团的大小和力量的平衡。HLB值的范围为1～40。HLB值越低，其亲油性越好；反之，其亲水性越好。因此，HLB值可以一定程度上反映出有机物自身极性的增减以及对固体表面的亲和性。实验所用有机物HLB值可以采用结构因子法[7]进行计算，即HLB=7+∑(亲水基的基数)+∑(亲油基的基数) 。

(1)

由式(1)计算上述有机物的HLB值，可以得出HLB值与砂轮堵塞比例的关系曲线如图4所示。

图4　HLB值与砂轮堵塞比例的关系曲线

由图4可得，对于非极性氮化硅陶瓷，有机物抗堵塞效果与其HLB值有明显的相关性：1)当物质的HLB值小于5.8时，堵塞比例随HLB值的增加逐渐增大；2)当HLB值大于5.8，特别是大于7以后，堵塞比例随HLB值的增加明显减小；3)最佳抗堵塞添加剂为低HLB值的有机物，即壬醇和壬酸，其共同特点是拥有所有有机物中最长的碳链，这与图3中的分析结果一致。因此，对于非极性氮化硅陶瓷，最佳抗堵塞有机物的分子结构特征是尽可能长的碳链以及低HLB值(低的有机物分子极性)。这个结果与吸附中相似相吸的原理相吻合，说明有机物吸附作用对添加剂抗堵塞性能的实现是非常重要的。

采用式(1)计算图1中2条曲线的拐点物质可知：己醇和庚酸的HLB值分别为6.0和5.8，两者非常接近，并未表现出官能团差异的影响。这说明：对于特定陶瓷材料，有机物的抗堵塞程度并不取决于有机物官能团的种类，而取决于碳链和官能团综合构成的分子的综合特性。

4　结论

1)有机酸和有机醇对堵塞的影响都可以分为2个阶段：当碳链长度较短时，砂轮堵塞比例随碳链长度的增加而增加；当碳链长度大于某一值时，砂轮堵塞比例随碳链长度的增加而减小。

2)官能团位置将影响有机物在陶瓷表面的吸附形式，不同吸附形式将形成不同的油膜的厚度，油膜厚度越大，则添加后抗堵塞效果越好。

3)官能团对堵塞的影响取决于其最终形成的有机物性质。当有机物亲水性较低时(HLB值小于5.8)，随着官能团亲水性的增加，砂轮堵塞比例增加；超过这一值时，官能团亲水性的增加将使砂轮堵塞比例降低。

[1]Lee M, Wang B, Li K, et al. New Designs of Ceramic Hollow Fibers toward Broadened Applications[J]. Journal of Membrane Science, 2016, (503):48-58.

[2]Agarwal S. Optimizing Machining Parameters to Combine High Productivity with High Surface Integrity in Grinding Silicon Carbide Ceramics[J]. Ceramics International, 2016, 42(5):6244-6262.

[3]Hsu T. Methods for Machining Hard Materials Using Alcohols: USA， 6206764[P]. 2001-03-27.

[4]Wu Z Y, Wang S H, Tian X L. The Blocking Mechanisms and Chemical Modification for Alkane Grinding Fluid Applied for Si3N4Ceramic Grinding[J].Advanced Materials Research, 2011,(154/155):569-572.

[5]吉卯祉,彭松,葛正华.有机化学[M].北京: 科学出版社,2013: 8-10.

[6]纪凯文. 陶瓷专用有机磨削液抗堵塞方法及添加物的研究[D].北京:装甲兵工程学院, 2015.

[7]肖进新,赵振国.表面活性剂应用原理[M].北京:化学工业出版社, 2003: 217-219.

(责任编辑: 尚菲菲)

Effects of Organic Functional Groups on the Clogging of Diamond Grinding Wheel

WU Zhi-yuan1, ZHAO Gui-bin2, CAO Shuai2, TAN Zhi-kun2, DONG Xiao-qing2

(1. National Defense Key Laboratory for Remanufacturing Technology, Academy of Armored Force Engineering, Beijing 100072, China;2. Shijiazhuang Mechanized Infantry Academy, Shijiazhuang 050083, China)

The clogging is a common problem of ceramic grinding, and is also a key problem to restrain effective ceramics and economic machining. According to the basic principles of organic chemistry, functional groups of organic compounds are chosen and studied for the effects on clogging. The experimental results indicate that with the same function group, the clogging proportion changes in the law of first increase and later decrease with the increase of carbon number, and long carbon chain organic matter is more; oil film thickness will be affected by location of functional groups. The thicker the oil film is, the smaller the wheel clogging proportion is; the block size will vary regularly in accordance with the final formation of hydrophilic and lipophilic characteristics (HLB value),which is determined together by function group and carbon chain.

Si3N4ceramic; clogging; functional group; grinding; HLB value

1672-1497(2016)04-0091-03

2016-05-01

国家自然科学基金资助项目(51275527)

吴志远(1973-)，男，讲师，博士。

TG580.61+9.3

A

10.3969/j.issn.1672-1497.2016.04.018