有機(jī)物官能團(tuán)特性對(duì)金剛石砂輪堵塞的影響

吳志遠(yuǎn)， 趙桂彬， 曹　帥， 譚志坤， 董曉慶

(1. 裝甲兵工程學(xué)院裝備再制造技術(shù)國(guó)防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 100072；2. 石家莊機(jī)械化步兵學(xué)院， 河北 石家莊 050083)

?

有機(jī)物官能團(tuán)特性對(duì)金剛石砂輪堵塞的影響

吳志遠(yuǎn)1， 趙桂彬2， 曹帥2， 譚志坤2， 董曉慶2

(1. 裝甲兵工程學(xué)院裝備再制造技術(shù)國(guó)防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 100072；2. 石家莊機(jī)械化步兵學(xué)院， 河北 石家莊 050083)

砂輪堵塞是金剛石砂輪磨削工程陶瓷過(guò)程中經(jīng)常出現(xiàn)的問(wèn)題，是制約陶瓷高效和經(jīng)濟(jì)加工的瓶頸問(wèn)題之一。根據(jù)有機(jī)物化學(xué)原理，選用有機(jī)物的官能團(tuán)對(duì)砂輪堵塞的影響進(jìn)行了研究。結(jié)果表明：當(dāng)官能團(tuán)不變時(shí)，砂輪堵塞比例隨著碳數(shù)的增加呈先增后減的趨勢(shì)，并且官能團(tuán)極性大有機(jī)物達(dá)到拐點(diǎn)的碳數(shù)較多；官能團(tuán)位置將影響有機(jī)物在陶瓷表面形成油膜厚度，油膜越厚，則砂輪堵塞比例越小；反映有機(jī)物與固體表面相親性的HLB值由官能團(tuán)與碳鏈結(jié)構(gòu)共同決定，砂輪堵塞比例會(huì)隨有機(jī)物的HLB值呈現(xiàn)規(guī)律性變化。

氮化硅陶瓷； 堵塞； 官能團(tuán)； 磨削； HLB值

工程陶瓷具有優(yōu)異的物理化學(xué)性能，已在各個(gè)領(lǐng)域獲得越來(lái)越廣泛的應(yīng)用[1]。磨削加工是陶瓷加工的主要手段，但加工難度大，加工費(fèi)用高，仍制約著陶瓷材料的大規(guī)模應(yīng)用[2]。磨削液技術(shù)是提高陶瓷加工經(jīng)濟(jì)性的一個(gè)有效手段，但由于發(fā)展歷程較短，該領(lǐng)域仍有許多瓶頸問(wèn)題有待攻克[3]。金剛石砂輪磨削過(guò)程中的砂輪堵塞問(wèn)題即是該領(lǐng)域的關(guān)鍵問(wèn)題之一[4]。有機(jī)物是各種磨削液的重要組成部分，其作用特征對(duì)砂輪堵塞具有決定性的影響。官能團(tuán)是決定分子化學(xué)性質(zhì)的特殊原子或原子團(tuán)[5]，是有機(jī)物外部物理化學(xué)特性的核心所在。筆者針對(duì)有機(jī)物官能團(tuán)特性對(duì)砂輪堵塞的影響進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，探索相關(guān)規(guī)律，以期為新型磨削液的研制奠定理論基礎(chǔ)。

1　實(shí)驗(yàn)條件

試件材料：氮化硅。

有機(jī)物：碳數(shù)3～9的正構(gòu)有機(jī)酸和正構(gòu)有機(jī)醇。

實(shí)驗(yàn)設(shè)備：信達(dá)XD-250AH型機(jī)床。

磨削參數(shù)：乳化液濃度為10%；乳化液流速為500 mL/h；砂輪轉(zhuǎn)速為3 000 r/min。

金剛石砂輪堵塞面積的評(píng)價(jià)：首先在線采集圖像數(shù)據(jù)；然后利用容差法進(jìn)行精確評(píng)價(jià)[6]。

2　官能團(tuán)特征對(duì)堵塞的影響

官能團(tuán)對(duì)有機(jī)物外部特性的影響包含多個(gè)方面。為了較全面地探索官能團(tuán)的作用規(guī)律，依據(jù)有機(jī)化學(xué)基本原理，從官能團(tuán)的種類、個(gè)數(shù)和位置3個(gè)角度出發(fā)進(jìn)行設(shè)計(jì)和分析。

2.1官能團(tuán)種類的影響

選用碳數(shù)3～9的正構(gòu)有機(jī)酸和正構(gòu)有機(jī)醇2種有機(jī)物進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。對(duì)比官能團(tuán)不變時(shí)，砂輪堵塞比例隨碳鏈長(zhǎng)度增加的變化曲線，如圖1所示。

圖1　砂輪堵塞比例隨碳鏈長(zhǎng)度增加的變化曲線

由圖1可以看出：盡管酸和醇的官能團(tuán)不同，但隨著碳數(shù)的增加，二者呈現(xiàn)出相似的作用規(guī)律，即碳數(shù)較低時(shí)(正構(gòu)有機(jī)醇碳數(shù)小于6，正構(gòu)有機(jī)酸碳數(shù)小于7)，砂輪堵塞比例隨著碳數(shù)的增加而增加；大于這一值，砂輪堵塞比例隨著碳數(shù)的增加迅速降低。

2.2官能團(tuán)數(shù)及位置對(duì)堵塞的影響

選用官能團(tuán)個(gè)數(shù)及位置不同的丙醇、1,2-丙二醇、1,3-丙二醇和丙三醇進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。砂輪堵塞比例隨官能團(tuán)特性變化曲線如圖2所示。

圖2　砂輪堵塞比例隨官能團(tuán)特性變化曲線

由圖2可以看出：隨著有機(jī)醇官能團(tuán)數(shù)的增加，砂輪堵塞呈現(xiàn)增長(zhǎng)趨勢(shì)；但這一規(guī)律并不嚴(yán)格吻合，添加1,3-丙二醇時(shí)的金剛石砂輪堵塞比例要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于添加丙三醇時(shí)的堵塞比例。

3　堵塞抑制原因及機(jī)理分析

通過(guò)對(duì)前述所有試劑分子結(jié)構(gòu)、吸附形式以及物質(zhì)特性進(jìn)行綜合分析，上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果的產(chǎn)生原因和機(jī)理可以概括為以下2個(gè)方面。

3.1油膜厚度對(duì)堵塞的影響

有機(jī)物的碳鏈為非極性端，官能團(tuán)為極性端，吸附于非極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圖3所示。

圖3　丙醇、1,2-丙二醇、1，3-丙二醇和丙三醇的吸附形式

如果設(shè)一個(gè)碳原子的高度為1，那么從圖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為3、2、1、1，即油膜厚度越大，砂輪堵塞比例越小，磨削液的抗堵塞能力越強(qiáng)。因此，增加油膜厚度有利于減小砂輪堵塞比例。

3.2有機(jī)物相親性的影響

添加有機(jī)物在陶瓷表面的吸附特性對(duì)砂輪堵塞具有較大的影響。引入HLB值的概念來(lái)對(duì)相關(guān)現(xiàn)象進(jìn)行研究。HLB值為物質(zhì)親水、親油的平衡值，它是分子中親油和親水這2個(gè)相反基團(tuán)的大小和力量的平衡。HLB值的范圍為1～40。HLB值越低，其親油性越好；反之，其親水性越好。因此，HLB值可以一定程度上反映出有機(jī)物自身極性的增減以及對(duì)固體表面的親和性。實(shí)驗(yàn)所用有機(jī)物HLB值可以采用結(jié)構(gòu)因子法[7]進(jìn)行計(jì)算，即HLB=7+∑(親水基的基數(shù))+∑(親油基的基數(shù)) 。

(1)

由式(1)計(jì)算上述有機(jī)物的HLB值，可以得出HLB值與砂輪堵塞比例的關(guān)系曲線如圖4所示。

圖4　HLB值與砂輪堵塞比例的關(guān)系曲線

由圖4可得，對(duì)于非極性氮化硅陶瓷，有機(jī)物抗堵塞效果與其HLB值有明顯的相關(guān)性：1)當(dāng)物質(zhì)的HLB值小于5.8時(shí)，堵塞比例隨HLB值的增加逐漸增大；2)當(dāng)HLB值大于5.8，特別是大于7以后，堵塞比例隨HLB值的增加明顯減小；3)最佳抗堵塞添加劑為低HLB值的有機(jī)物，即壬醇和壬酸，其共同特點(diǎn)是擁有所有有機(jī)物中最長(zhǎng)的碳鏈，這與圖3中的分析結(jié)果一致。因此，對(duì)于非極性氮化硅陶瓷，最佳抗堵塞有機(jī)物的分子結(jié)構(gòu)特征是盡可能長(zhǎng)的碳鏈以及低HLB值(低的有機(jī)物分子極性)。這個(gè)結(jié)果與吸附中相似相吸的原理相吻合，說(shuō)明有機(jī)物吸附作用對(duì)添加劑抗堵塞性能的實(shí)現(xiàn)是非常重要的。

采用式(1)計(jì)算圖1中2條曲線的拐點(diǎn)物質(zhì)可知：己醇和庚酸的HLB值分別為6.0和5.8，兩者非常接近，并未表現(xiàn)出官能團(tuán)差異的影響。這說(shuō)明：對(duì)于特定陶瓷材料，有機(jī)物的抗堵塞程度并不取決于有機(jī)物官能團(tuán)的種類，而取決于碳鏈和官能團(tuán)綜合構(gòu)成的分子的綜合特性。

4　結(jié)論

1)有機(jī)酸和有機(jī)醇對(duì)堵塞的影響都可以分為2個(gè)階段：當(dāng)碳鏈長(zhǎng)度較短時(shí)，砂輪堵塞比例隨碳鏈長(zhǎng)度的增加而增加；當(dāng)碳鏈長(zhǎng)度大于某一值時(shí)，砂輪堵塞比例隨碳鏈長(zhǎng)度的增加而減小。

2)官能團(tuán)位置將影響有機(jī)物在陶瓷表面的吸附形式，不同吸附形式將形成不同的油膜的厚度，油膜厚度越大，則添加后抗堵塞效果越好。

3)官能團(tuán)對(duì)堵塞的影響取決于其最終形成的有機(jī)物性質(zhì)。當(dāng)有機(jī)物親水性較低時(shí)(HLB值小于5.8)，隨著官能團(tuán)親水性的增加，砂輪堵塞比例增加；超過(guò)這一值時(shí)，官能團(tuán)親水性的增加將使砂輪堵塞比例降低。

[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,葛正華.有機(jī)化學(xué)[M].北京: 科學(xué)出版社,2013: 8-10.

[6]紀(jì)凱文. 陶瓷專用有機(jī)磨削液抗堵塞方法及添加物的研究[D].北京:裝甲兵工程學(xué)院, 2015.

[7]肖進(jìn)新,趙振國(guó).表面活性劑應(yīng)用原理[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社, 2003: 217-219.

(責(zé)任編輯: 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

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51275527)

吳志遠(yuǎn)(1973-)，男，講師，博士。

TG580.61+9.3

A

10.3969/j.issn.1672-1497.2016.04.018