水溶性稠化剂的流变性及成膜性能试验研究*

(华南理工大学机械与汽车工程学院 广东广州 510640)

本文作者选用一种水溶性稠化剂，首先利用流变仪对不同含量的稠化剂水溶液进行流变性试验研究，再利用自制的点接触弹流润滑实验台，对稠化剂水溶液进行成膜性能研究，研究水溶液的流变特性对其成膜能力的影响，以及成膜能力与卷吸速度、载荷的关系，从而得到提高成膜能力的影响因素。

1 试验部分

1.1 试验材料

试验所用的水溶性稠化剂为聚氧乙烯(PEO，上海伊卡生物技术生产)，PEO为白色易流动的高聚物，其结构式为(-CH2-CH2-O-)n，是环氧乙烷经多相催化开环聚合而成的一种水溶性高分子均聚物[6]，相对分子质量为60万。

1.2 试验设备与方案

试验中使用HAAKE Rheo Win Mars40流变仪进行润滑剂的流变性测量。根据测量得到的润滑剂的剪应变率-剪应力曲线，采用Ostwrld模型进行拟合得到其流变特性本构方程。

成膜性能是考察PEO水溶液润滑性能的一个重要指标，试验利用自行研制的点接触弹流润滑实验台对润滑接触区的膜厚进行测量[7]。该试验台是根据光干涉原理设计的，它利用杠杆加载方式加载，电机带动玻璃盘转动从而与钢球形成相对运动，在接触区形成弹流薄膜；外光源通过斜置的半反半透镜投射在玻璃盘的半反半透膜和钢球表面，反射向上的两束光形成干涉，通过体式显微镜放大，经单色仪分光被CCD接受，最后送至计算机图像采集卡获得干涉图像；再利用相对光强原理最终得到膜厚的曲面图。

试验前用去离子水分别配制质量分数为0.2%、0.5%、1%的PEO水溶液，充分搅拌溶解，溶液静置24 h未出现沉淀。

利用砝码并通过杠杆对装有待测液体的油杯进行加载。试验温度为(25±1 ℃)，摩擦副材料为镀铬玻璃盘和GCr15钢球，运动方式为纯滚动。试验采用1、2和5 N 3种载荷，分别对应的最大接触压力为0.182、0.230和0.312 GPa。利用电动机改变主轴转速，使得每种载荷下润滑接触点的卷吸速度在0.1～1.0 m/s范围内线性变化。

2 试验结果及分析

2.1 流变性试验结果及分析

2.1.1 PEO含量对PEO水溶液流变性能的影响

在温度为25 ℃，剪切应变率为10～200 s-1试验条件下，分别对质量分数为0.2%、0.5%、1%的3种PEO水溶液的流变性能进行测量，结果如图1所示。采用Ostwald模型进行拟合得到其流变特性本构方程，表1给出了其本构方程及物理特性参数。

图1 3种PEO水溶液在25 ℃时的流变曲线

质量分数拟合得到的本构方程折射率k0.2%τ=0.013 5γ·0.81.335 30.5%τ=0.16γ·0.621.336 21.0%τ=0.73γ·0.51.336 5

从图1中可以明显看出：随着剪应变率的增加，3种PEO水溶液剪应力的增量均有减小的趋势，说明黏度随着剪应变率的提高而减小，即均呈现出剪切变稀的非牛顿流体特性。从表1可看出：随着PEO质量分数的增大，流变指数n越来越小，说明非牛顿性越来越强。

2.1.2 温度对PEO水溶液流变性能的影响

在剪切应变率为10～200 s-1，温度为25、40、60 ℃的试验条件下，对质量分数为0.5%的PEO水溶液的流变性能进行测量，结果如图2所示。可以看出：PEO水溶液的黏度随着温度的升高而降低；另外，随着温度的升高，其流变指数n越来越大，即水溶液的非牛顿性越来越弱。

图2 质量分数0.5%PEO水溶液在不同温度下的流变曲线

2.2 成膜性能试验结果及分析

图3给出了一幅典型的质量分数为0.2%的PEO水溶液在卷吸速度为0.2 m/s、载荷为0.230 GPa时的润滑膜厚干涉图。可见：接触区的干涉图较清晰，并没有出现明显的磨损痕迹。因此，认为点接触润滑试验台能很好地对这种稠化剂水溶液的润滑成膜性能进行评价。

图3 质量分数0.2%的PEO水溶液的干涉图像

2.2.1 卷吸速度、载荷对成膜性能的影响

利用自制的点接触弹流润滑实验台，分别测得质量分数为0.2%、0.5%和1.0%的3种PEO水溶液在不同载荷下中心区膜厚与卷吸速度的关系曲线，如图4、5、6所示。图中同时给出了载荷为0.230 GPa时的Dowson-Harmrock理论预测曲线，其计算公式[8]为

图4 质量分数0.2%的PEO的水溶液在不同载荷下中心膜厚 与卷吸速度的关系

图5 质量分数0.5%的PEO的水溶液在不同载荷下中心膜厚 与卷吸速度的关系

图6 质量分数1.0%的PEO水溶液在不同载荷下中心膜厚 与卷吸速度的关系

从图中对数坐标系中的Dowson-Harmrock(D-H)膜厚预测曲线可知：随着卷吸速度的增大，理论计算膜厚呈现线性增加。从图4中可以看出：在卷吸速度大于0.3 m/s时，载荷为0.230 GPa时膜厚的实测值和理论计算值变化趋势基本一致，可知此时润滑状态为弹流润滑状态；随着速度不断降低，膜厚实测值随速度的变化程度减弱，即试验测得的膜厚值比理论计算值偏高，而且载荷越小，其膜厚值越大。这表明此时进入了薄膜润滑区域[9]。

许多研究人员在研究卷吸速度及载荷对牛顿流体型润滑剂成膜特性的影响时，也得出了在较高卷吸速度、较低载荷时，润滑剂的成膜特性与理论研究结果基本吻合，但在较低卷吸速度时，润滑剂的成膜特性与理论研究结果并不一致的结论[10-12]。

从图5、6能得出相似的结论，只是临界卷吸速度的范围不同，当卷吸速度大于0.4 m/s时，载荷为0.230 GPa时膜厚的实测值和理论计算值较一致。从图4、5、6中还可以看出：载荷越大，PEO水溶液的膜厚越小，但3种载荷下的膜厚相差不大，即载荷的改变对润滑剂成膜的影响不显著。

2.2.2 PEO含量对成膜性能的影响

选取载荷为2 N(对应的最大Hertz接触压力为0.230 GPa)，质量分数分别为0.2%、0.5%和1.0%的PEO水溶液，卷吸速度为0～1.0 m/s，试验得到了不同质量分数PEO水溶液的中心膜厚与卷吸速度的关系，结果如图7所示。

图7 3种PEO水溶液中心膜厚与卷吸速度的关系 (0.230 GPa)

PEO质量分数会影响润滑剂的黏度以及非牛顿性，由润滑剂流变性试验可知，水溶液中PEO质量分数越大，其黏度越大，非牛顿性也越强，从而影响其成膜性能。由图7可知：PEO质量分数为0.2%时，水溶液的中心膜厚在10 nm左右，表明PEO质量分数较低时水溶液成膜性能较差。但在质量分数为0.5%、1.0%时，相比于0.2%的水溶液，其膜厚均有所增大，成膜能力明显提高，说明较低质量分数的PEO水溶液成膜能力更佳。图7的结果表明，在相同的压力下，PEO质量分数越大，其水溶液中心膜厚反而越小。这是由于PEO质量分数越大，剪切变稀的非牛顿性越严重，要使在相同工况下提供同样的承载能力，须通过减小膜厚来实现。

3 结论

通过试验考察了聚氧乙烯水溶液的流变性及在不同压力下的成膜性能，得到如下几点结论。

(1)聚氧乙烯水溶液的黏度随着剪应变率的提高而减小，即呈现出剪切变稀的非牛顿流体特性；聚氧乙烯水溶液的非牛顿性随着聚氧乙烯含量的增大越来越显著，而随着温度的升高，其非牛顿性逐渐减弱。

(2)在卷吸速度较高时，聚氧乙烯水溶液的润滑行为符合弹流润滑规律，而在较低卷吸速度时符合薄膜润滑规律，且不同聚氧乙烯含量的润滑液的临界速度不同，聚氧乙烯含量越高，其临界速度越高。

(3)载荷越大，PEO水溶液的膜厚越小，但载荷的改变对其成膜的影响不太显著；PEO水溶液的质量分数越大，其中心膜厚越大。这对于提高PEO水溶液的成膜能力有一定的指导意义。