十二烷基苯磺酸鈉對磁性復合流體分散性及拋光質量的影響

李佳音，姜晨，王璐璐，管華雙

（上海理工大學 機械工程學院，上海 200093）

磁性復合流體（Magnetic Compound Fluid，MCF）拋光技術作為一種新型超精密表面光整技術，綜合了磁流體（Magnetic Fluid，MF）和磁流變（Magnetorheological Fluid，MRF）加工技術的優勢。MCF的拋光液具有較好的黏度，粒子分布穩定性好，在磁場作用下，能夠產生較大的作用力，具有良好的拋光性能[1]。在磁場作用下，MCF 可保持連續，實現可控性加工[2]，在復雜零件、脆硬性材料等表面拋光方面具有良好的應用前景[3]。

SHIMADA 等[4-6]最早提出MCF 拋光技術的概念，并開展了拋光液成分配比研究。王續躍等[7]研究了以Al2O3為磨粒的MCF 成分配比及拋光性能，發現拋光液的配比會影響最大剪切力，具有大剪切力的MCF，拋光效果較好。陳逢軍等[8]研究了硅油基MCF斜軸拋光方法，拋光后獲得了Ra為0.02 μm 的不銹鋼表面。FURUYA 等[9]提出MCF 在金屬表面無接觸拋光的方法，研究了磁場施加、磨料粒度和濃度對拋光性能的影響。FENG 等[10]使用圈狀拋光工具拋光錐形表面，通過試驗獲得了合適的拋光參數。WANG等[11]研究了用MCF 在無氧銅襯底上拋光線性V 形凹槽表面的可行性。

MCF 中的顆粒成分具有高表面能，極易團聚，在拋光過程中，團聚形成的大顆粒易對工件表面造成劃痕甚至凹坑[12-14]。在流體顆粒團聚研究方面，李娟等[15]采用機械攪拌和超聲分散等物理方式，對水中的納米SiC 顆粒進行分散，并以懸浮液的吸光度來表征，得出超聲分散的最佳工藝條件。李敏等[16]采用機械混合與超聲分散法制備了Al2O3基STP 磨料液，可實現單晶硅片表面的高效拋光。孫玉利等[17]采用表面活性劑對納米CeO2粉體進行分散實驗，佐以超聲振動，研究了不同分散劑對應的最佳超聲時間和最佳濃度。趙元元等[18]研究了乙醇含量對氧化鈰/氧化硅復合磨料分散性的影響，發現乙醇質量分數為92%時，可有效改善團聚現象。宋曉嵐等[19]通過測試Zeta 電位、吸附等溫線以及沉降性能等方式，研究了陰離子型、陽離子型表面活化劑分別與非離子型表面活性劑復配后，對水相介質中納米CeO2顆粒分散穩定性能的影響。陳廣林等[20]采用激光粒度儀研究了多種分散劑的分散效果，制備的納米CeO2拋光液有效提高了石英玻璃的表面質量。

目前，針對MCF 分散性的研究不多，本文在課題組已開展MCF 分散性研究的基礎上[21]，進一步研究了陰離子表面活性劑十二烷基苯磺酸鈉（Sodium Dodecyl Benzene Sulfonate，SDBS）對MCF 顆粒分散作用的影響，測試了SDBS 對MCF 粒徑分布、Zeta電位等重要參數的影響情況，并以304 不銹鋼為加工材料，研究SDBS 含量對MCF 拋光材料去除率和表面粗糙度的影響規律。

1 MCF 的分散性

1.1 MCF 拋光原理

MCF 由羰基鐵粉、Al2O3磨粒、去離子水、α-纖維素組成。無磁場作用時，MCF 呈無序的非牛頓流體狀態，當加入磁場后，磁性顆粒中會產生磁偶極子，牽拉住磁性顆粒，沿磁力線有序排布，形成鏈狀結構，成為具有黏彈性的Bingham 流體。當拋光輪以一定轉速轉動時，將帶動MCF 旋轉，實現工件表面材料去除，如圖1 所示。

圖1 拋光原理Fig.1 Polishing principle: a) polishing schenatic diagram; b) MCF microstractural diagram

1.2 SDBS 的分散原理

SDBS 具有良好的表面活性，可以改善MCF 中磨粒和磁性顆粒（統稱“粒子”）的表面張力，使之形成均勻穩定的分散體系，且具有潤濕等作用，其分散原理如圖2 所示。當SDBS 與MCF 中的去離子水接觸時，會電離出陰離子，被粒子的表面緊密吸附，稱為表面離子。在水介質中，帶相反電荷的離子稱為反離子。一部分反離子被表面離子通過靜電吸附，與粒子及表面離子結合得比較緊密，稱為束縛反離子，形成緊密層，它們在水介質中成為運動整體。另一部分反離子則分散在周圍，稱為自由反離子，形成擴散層。在表面離子和反離子之間，形成雙電層，粒子所帶正電與擴散層所帶負電形成雙電層，稱為動電電位。當加入一定質量分數的SDBS 時，粒子間的靜電斥力變大，動電電位會增高，拋光液體系越穩定，分散效果越好。

圖2 分散原理Fig.2 Dispersion principle

2 分散試驗

2.1 MCF 配制

將MCF 的具體成分按表1 所示的比例依次混合，分別添加質量分數為1%～7%的SDBS，充分攪拌后，以去離子水為基液，再次機械攪拌5 min，使其充分溶解。

表1 MCF 成分Tab.1 Composition of MCF

2.2 粒徑測試

從五組配制的拋光液中，分別吸取2 mL 左右，注入激光粒度分布儀（BT-9300ST）中進行檢測。拋光液中的大粒徑決定了拋光精度的高低，大粒徑占比如圖3 所示。當ω=0%時，大于10 μm 的粒徑占比達43.20%；當ω=1%時，由于離子中和作用，大粒徑所占比例增加至50.91%；當添加了3%～7%的SDBS 時，大粒徑占比急劇減少，降低至22.87%左右。

圖3 大粒徑占比Fig.3 Proportion of large particle size

圖4 為不同SDBS 質量分數下MCF 中的粒徑分布。由圖4a 可知，當ω=0%時，MCF 中的粒徑分布較寬且主要分布在大粒徑處；從圖4b 看出，當ω=1%時，粒徑分布仍舊分散，且集中在大粒徑處；但當ω=3%時，粒徑分布變窄，且集中在小粒徑處（圖4c）；當SDBS 繼續添加至5%、7%時，MCF 中的粒徑分布無明顯變化，分散效果趨于穩定（圖4d、e）。

圖4 不同SDBS 質量分數下MCF 的粒徑分布Fig.4 Particle size distribution in MCF with different SDBS mass fraction

圖5 為加入不同質量分數SDBS 后，MCF 中位粒徑D50的變化。當ω=0%時，MCF 的D50為6.845 μm；當ω=1%時，由于離子中和作用，D50達到10.54 μm。隨著SDBS 質量分數的增大，中位粒徑急劇變小。當SDBS 質量分數達到3%時，D50降至1.640 μm；當SDBS 繼續加至5%、7%時，D50徘徊在1.6 μm 左右，說明此時已經達到拋光液臨界膠束濃度，SDBS 含量變化對MCF 分散性的影響效果趨于穩定。因此，適量的SDBS 能有效地改善MCF 中的團聚現象。

圖5 中位粒徑D50Fig.5 Median particle size D50

2.3 Zeta 電位

Zeta 電位表示顆粒之間相互排斥或吸引的強度。使用納米粒徑電位分析儀（Zatasizer Nano ZS90），利用電泳法測量五組樣品的Zeta 電位。圖6 為添加不同質量分數的SDBS 后，MCF 的電位分布中峰值Zeta 電位。

圖6 Zeta 電位Fig.6 Zeta potential

圖7 為不同SDBS 質量分數下MCF 的Zeta 電位分布。未添加SDBS 時，MCF 的Zeta 電位分布范圍較窄，但集中在絕對值較小處，顆粒間的靜電排斥力較小，分散性較差（圖7a）；當添加1%SDBS 時，Zeta電位的絕對值升高，但電位分布較寬，拋光液仍不穩定（圖7b）；圖7c 為添加了3%SDBS 的MCF，其Zeta 電位分布集中，且峰值對應的絕對值最高，此時顆粒間靜電排斥力最大；圖7d、e 分別為ω=5%、7%時的Zeta 電位分布，分布集中且絕對值保持在較高處，說明此時MCF 分散效果達到極限，跟激光粒度儀的測試結果相仿。因此，適當含量的SDBS 可以增強粒子間的靜電斥力，阻止拋光顆粒團聚，提高MCF的分散效果。

圖7 不同SDBS 質量分數下MCF 的Zeta 電位分布Fig.7 Zeta potential distribution in MCF with different SDBS mass fraction

3 MCF 拋光實驗

MCF 拋光實驗臺如圖8 所示，拋光頭為臥式拋光結構，工件材料為304 不銹鋼，尺寸為50 mm×50 mm×8 mm。在工件表面劃分5 處拋光點，加工參數如表2所示。每輪拋光后，清洗并干燥處理，使用粗糙度儀（Mitutoyo SJ201）測量工件表面粗糙度，并取平均值；使用電子秤稱取工件質量，計算材料去除率。

圖8 臥式拋光頭Fig.8 Horizontal polishing head

表2 加工參數Tab.2 Machining parameters

4 拋光實驗結果及分析

4.1 材料去除率MRR

圖9 為SDBS 質量分數不同的MCF 拋光材料去除率（MRR）變化情況。MRR 隨著SDBS 質量分數的增大而增加，與未添加SDBS 相比，當添加3%SDBS時，MRR 從3.11 mg/min 增加至3.25 mg/min，當SDBS 繼續增加到5%、7%時，材料去除率保持在3.27 mg/min 左右。

圖9 SDBS 對材料去除率MRR 影響Fig.9 Influence of SDBS on material removal rate MRR

通過SDBS 的靜電穩定作用，提高了粒子間的靜電斥力，使粒徑分布更集中，參與拋光的有效磨粒增多，拋光能力提高；而分散性較好的MCF 中，大粒徑顆粒減少，拋光速率變慢，最終MRR 只是小幅增大。

4.2 表面粗糙度Ra

表面粗糙度Ra隨SDBS 含量的變化如圖10 所示。工件初始粗糙度為3.27 μm，隨著SDBS 質量分數不斷增加，工件表面粗糙度逐步減小。未加入SDBS時，工件經過MCF 拋光后的Ra為0.27 μm；當ω=1%時，由于離子中和作用，拋光液的粒徑分布較寬，大粒徑顆粒略有增加，Ra保持在0.25 μm；當SDBS 繼續增加，工件的表面粗糙度迅速下降，達到0.09 μm左右。可見MCF 分散性越好，拋光后的表面粗糙度越低。

圖10 SDBS 對表面粗糙度的影響Fig.10 Influence of SDBS on surface roughness

4.3 工件表面形貌

圖11 為含有不同質量分數SDBS 的MCF 拋光后獲得的工件表面。未添加SDBS 時，由于拋光液分散性差，大粒徑顆粒較多，工件表面劃痕和凹坑明顯（圖11a）。圖11b 為ω=1%時的MCF 拋光表面，由2.3 節的分散性實驗可知，此時的Zeta 電位得到一定增加，拋光液的分散性得到一定改善，工件表面劃痕和凹坑略有減少。ω=3%時的MCF 拋光表面質量獲得較大改善（圖11c），由圖7 中的Zeta 電位變化可知，MCF的分散效果進一步提升，顆粒粒徑進一步降低，使表面劃痕明顯減少。當SDBS 添加量為5%、7%時，工件表面形貌依然保持良好，無明顯劃痕和凹坑。因此，從MCF 拋光表面質量以及與Zeta 電位吻合的變化情況來看，SDBS 能夠提高MCF 的分散性，進而提高拋光表面光潔度。

圖11 含不同質量分數SDBS 的MCF 拋光表面Fig.11 Surfaces polished by MCF with different SDBS mass fracture

5 結論

本文研究了陰離子表面活性劑SDBS 對 MCF分散性的影響，并進一步分析了SDBS 對MCF 拋光的材料去除率和表面粗糙度的影響規律，得到以下結論：

1）MCF 的中位粒徑D50隨SDBS 質量分數增加而降低，Zeta 電位絕對值隨SDBS 質量分數增加而升高。當SDBS 質量分數從0%增至3%時，D50從6.845 μm 降低至1.640 μm，Zeta 電位絕對值由13.2 mV升高至53.8 mV。SDBS 進一步添加至7%時，MCF的D50和Zeta 電位趨于穩定。

2）MCF 拋光的材料去除率隨SDBS 質量分數增加而提高，表面粗糙度隨SDBS 質量分數增加而降低。當SDBS 質量分數從0%增至3%時，材料去除率從3.11 mg/min 增加至3.25 mg/min，表面粗糙度Ra由0.27 μm 降低至0.09 μm。SDBS 進一步添加至7%時，材料去除率和表面粗糙度Ra趨于穩定。

3）綜合MCF 的分散性和拋光實驗結果可知，SDBS 質量分數對中位粒徑、Zeta 電位、材料去除率和表面粗糙度的影響規律極為相近。SDBS 可以通過提高MCF 分散性，進而提升拋光效率和表面質量。