液壓支架用不同液壓液的混合性能研究

白飛飛，葉 雷，李碩林

（1.煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司 礦用材料分院，北京 100013；2.煤炭資源高效開采與潔凈利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100013）

1 概 況

因液壓支架在出廠、安裝、使用和維修過程中面臨不同的主體，導(dǎo)致液壓支架中的高含水液壓液來源于不同的乳化油[1]或濃縮液[2]廠家，不同廠家的乳化液（液壓液）相互接觸可能發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生析油、析皂或沉淀等現(xiàn)象堵塞液壓支架過濾器[3-4]，尤其是采用電液控技術(shù)的液壓支架，對(duì)乳化液使用過程中的管理提出了更高的要求[5]。若日常維護(hù)中發(fā)現(xiàn)乳化液混濁不清，應(yīng)立即采取有針對(duì)性的措施[6]，否則液壓支架動(dòng)作的靈活性[7]直接下降，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成支架的癱瘓，影響到煤礦的安全、高效和高產(chǎn)。目前煤礦和支架維修廠采取置換的辦法避免不同廠家的乳化液發(fā)生接觸，即先將液壓支架系統(tǒng)中的原有高含水液壓液排空，再用清水進(jìn)行沖洗[8-9]，隨后再注入新廠家的高含水液壓液。高含水液壓液的置換工作相對(duì)繁瑣且需要一定的時(shí)間，同時(shí)造成了資源的浪費(fèi)。為降低不同廠家的高含水液壓液接觸反應(yīng)造成的危害，保障液壓支架動(dòng)作的精準(zhǔn)性，提高生產(chǎn)和維修效率，本文采用自行制備的高含水液壓液分別與其它3 個(gè)典型的高含水液壓液進(jìn)行不同比例的混合，考察混合前后的室溫穩(wěn)定性、70 ℃下的穩(wěn)定性（熱穩(wěn)定性）、電導(dǎo)率、Zeta 電位、表面張力和濁度，分析相關(guān)指標(biāo)變化，對(duì)混合液的穩(wěn)定性進(jìn)行預(yù)測(cè)，以期為生產(chǎn)和維修過程中高含水液壓液的使用提供指導(dǎo)。

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 實(shí)驗(yàn)器材

馬爾文帕納科顆粒粒度和Zeta 電位分析儀（Zetasizer Lab Blue Label），Zeta 電位采用相位分析光散射(M3-PALS)模式，要求樣品電導(dǎo)率≤260 mS/cm。JYW-200 全自動(dòng)界面張力儀，測(cè)量范圍為0～180.00 mN/m。WZT-2AS 型濁度儀，采用90°散射光測(cè)定濁度，測(cè)量范圍為0～100.00 NTU。

選用各項(xiàng)性能指標(biāo)均符合MT/T 76-2011《液壓支架用乳化油、濃縮液及其高含水液壓液》技術(shù)要求的A、B、C 和T 四個(gè)配方，各配方含油量從高到底依次為C＞B＞A＞T，除T 配方為自行配制外，其它配方均為市售產(chǎn)品，其關(guān)鍵技術(shù)數(shù)據(jù)如表1 所示。

表1 不同配方的關(guān)鍵性數(shù)據(jù)Table 1 Key data of different formulations

2.2 實(shí)驗(yàn)步驟

（1）用500 mg·L-1的人工硬水，將A、B、C和T 四個(gè)配方按質(zhì)量比5%各配稀釋液，標(biāo)記為A1、B1、C1 和T1，將A1、B1 和C1 分別與T1 混合，依次得到T1＋A1、T1＋B1、T1＋C1 三類混合液；T1 在三類混合液中的占比均存在0，20%，40%，50%，60%，80%，100%七個(gè)濃度梯度。

（2）考察各比例混合液的室溫穩(wěn)定性、70 ℃穩(wěn)定性，168 h 后觀察混溶后的樣品狀態(tài)。當(dāng)溶液無絮狀物、無沉淀物、無分層、液面析出物體積含量≤0.1%時(shí)，檢驗(yàn)結(jié)果判斷為合格，記錄為“√”；若有異常情況，直接填寫異常狀態(tài)。

（3）對(duì)A1、B1、C1 和T1 混合前后的電導(dǎo)率、zeta 電位、表面張力和濁度分別進(jìn)行測(cè)定，混合之后24 h 內(nèi)完成項(xiàng)目測(cè)試。

3 結(jié)果與討論

3.1 液體混合前后的穩(wěn)定性

混合液放置在室溫和70 ℃的環(huán)境中168 h 后，樣品的狀態(tài)見表2，當(dāng)T1 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0 和100%時(shí)，A1、B1、C1 和T1 四個(gè)稀釋液，在室溫和70℃下的穩(wěn)定性均符合MT/T 76 的技術(shù)要求，說明各配方體系單獨(dú)存在時(shí)，自身穩(wěn)定性相對(duì)較好；當(dāng)T1 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%～80%時(shí)，即稀釋液T1 分別與A1、B1 和C1 共存時(shí)，發(fā)現(xiàn)T1＋A1 混合液，在T1 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40%～80%時(shí)，70 ℃條件下，混合液均出現(xiàn)絮狀物，說明溫度較高時(shí)，不利于T1＋A1 混合液的穩(wěn)定。A1、B1 和C1 分別與T1在其它混合比例下，室溫和70 ℃的條件下，穩(wěn)定無異常情況出現(xiàn)，說明T1 對(duì)B1 和C1 具有一定的兼容性。

表2 混合液的室溫和70 ℃穩(wěn)定性Table 2 Stability of the room temperature and 70 ℃mixture

3.2 液體混合前后的電導(dǎo)率

混合液的電導(dǎo)率隨著T1 質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化對(duì)應(yīng)的結(jié)果如圖1 所示，當(dāng)T1 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0 和100%時(shí)，即各配方稀釋液?jiǎn)为?dú)存在時(shí)，電導(dǎo)率從高到低的順序?yàn)锳1＞B1＞C1＞T1，電導(dǎo)率越高，說明體系含有導(dǎo)電的游離離子含量越高，當(dāng)對(duì)液體施加一定的電壓時(shí)，更易受到電場(chǎng)的影響。

圖1 不同混合比例下混合液的電導(dǎo)率變化Fig.1 Electrical conductivity changes of the mixture at different mixing ratios

T1＋A1、T1＋B1、T1＋C1 三類混合液的電導(dǎo)率主要在單獨(dú)配方稀釋液的電導(dǎo)率之間波動(dòng)，當(dāng)T1 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在50%左右時(shí)，T1＋B1 和T1＋C1混合液的電導(dǎo)率略增加，原因是混合液中表面活性劑相互作用，導(dǎo)致被絡(luò)合金屬離子釋放，游離離子含量增加。

3.3 液體混合前后的Zeta 電位

混合液的Zeta 電位隨著T1 質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化對(duì)應(yīng)的結(jié)果如圖2 所示，當(dāng)T1 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0 和100%時(shí)，即各配方稀釋液?jiǎn)为?dú)存在時(shí)，Zeta 電位從高到低的順序?yàn)镃1＞B1＞T1＞A1，綜合圖1 電導(dǎo)率的變化可知，電導(dǎo)率較大的A1 其Zeta 電位較小，說明其更容易受到外界的影響，不利于產(chǎn)品的整體穩(wěn)定性；T1＋A1、T1＋B1、T1＋C1 三類混合液的zeta 電位主要在單獨(dú)配方稀釋液的zeta 電位之間波動(dòng)，當(dāng)T1 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40%～60%時(shí)，三類混合液的Zeta 電位波動(dòng)相對(duì)較大，與各配方中的添加劑相互接觸頻率增大，相互作用強(qiáng)度較大有關(guān)，此比例范圍內(nèi)T1＋A1 混合液Zeta 電位整體低于T1＋B1 和T1＋C1 混合液的Zeta 電位，綜合表2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果，說明Zeta 電位和70 ℃下混合液的穩(wěn)定性具有一定的關(guān)聯(lián)性。

圖2 不同混合比例下混合液的Zet a 電位變化Fig.2 Zeta potential changes of the mixture at different mixing ratios

3.4 液體混合前后的表面張力

混合液的表面張力隨著T1 質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化對(duì)應(yīng)的結(jié)果如圖3 所示，當(dāng)T1 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0 和100%時(shí)，即各配方稀釋液?jiǎn)为?dú)存在時(shí)，表面張力從高到低的順序?yàn)镃1＞A1＞T1＞B1；T1＋A1 混合液的表面張力均介于對(duì)應(yīng)單獨(dú)配方稀釋液的表面張力之間；T1＋B1 和T1＋C1 混合液的表面張力均出現(xiàn)低于單獨(dú)配方稀釋液表面張力下限的情況，當(dāng)T1 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40%至50%時(shí)，T1＋B1 和T1＋C1 混合液的表面張力波動(dòng)相對(duì)較大，該現(xiàn)象與混合液中添加劑的相互作用和布朗運(yùn)動(dòng)的強(qiáng)度有關(guān)。

圖3 不同混合比例下混合液的表面張力變化Fig.3 Surface tension changes of the mixture at different mixing ratios

3.5 液體混合前后的濁度

對(duì)不同混合比例和不同混合體系的液體進(jìn)行濁度測(cè)定，T1 在三類混合液中，隨著T1 質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化對(duì)應(yīng)混合液的濁度如圖4 所示。

圖4 不同混合比例下混合液的濁度變化Fig.4 Turbidity changes of the mixture at different mixing ratios

混合液的濁度隨著T1 質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化對(duì)應(yīng)的結(jié)果，當(dāng)T1 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0 和100%時(shí)，即各配方稀釋液?jiǎn)为?dú)存在時(shí)，濁度從高到低的順序?yàn)锽1＞C1＞A1＞T1，該現(xiàn)象是各配方中油和乳化劑的類型及含量綜合作用的結(jié)果，濁度是指水中懸浮物或膠態(tài)物對(duì)光線透過時(shí)所發(fā)生的阻礙程度，通常濁度越高，溶液越渾濁，這類懸浮物或膠態(tài)物影響到產(chǎn)品使用過程中的過濾性。T1＋A1、T1＋B1、T1＋C1 三類混合液的濁度主要在單獨(dú)配方稀釋液的濁度之間波動(dòng)，其中T1＋B1 混合液呈現(xiàn)降低趨于平穩(wěn)再快速下降的趨勢(shì)；T1＋C1 和T1＋A1 混合液，在T1 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為50%時(shí)，濁度出現(xiàn)了反彈現(xiàn)象，該現(xiàn)象與混合液的膠束變化和布朗運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度有關(guān)。

4 結(jié) 論

（1）不同液壓液接觸時(shí)，在混合比例為1∶1附近，出現(xiàn)異常情況的幾率較大，混合液的電導(dǎo)率、Zeta 電位、表面張力和濁度，以介于對(duì)應(yīng)單獨(dú)配方稀釋液的數(shù)值之間為主，部分?jǐn)?shù)值出現(xiàn)波動(dòng)，與混合液中表面活性劑相互作用導(dǎo)致被絡(luò)合金屬離子釋放，游離離子含量增加有關(guān)。

（2）不同液壓液在同一比例混合下，當(dāng)混合液的電導(dǎo)率高且Zeta 電位低時(shí)，混合液的熱穩(wěn)定性相對(duì)較差。

（3）表面張力和濁度與混合液熱穩(wěn)定性的關(guān)聯(lián)性相對(duì)較弱，與表面張力和濁度受混合液中添加劑的相互作用和布朗運(yùn)動(dòng)的強(qiáng)度有關(guān)。