CC BY
43
УДК 621.891
ОЦЕНКА ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ МЕЖДУ НАНОЧАСТИЦАМИ ДИХАЛЬКОГЕНИДОВ ВОЛЬФРАМА В СРЕДЕ ЖИДКОГО СМАЗОЧНОГО МАТЕРИАЛА
А. Д. Бреки, О.В. Толочко, Е.С. Васильева, А.Е. Гвоздев, Н.Е. Стариков, Д.А. Провоторов
Рассмотрены вопросы, связанные с изменением вязкости жидких смазочных композиционных материалов в зависимости от объемной доли антифрикционных наполнителей. С использованием уравнения А. Эйнштейна произведена оценка взаимодействия между полученным методом газофазного синтеза наночастицамидихалько-генидов вольфрама в среде жидкого смазочного материала. Экспериментально определены коэффициенты взаимодействия между частицами наполнителей различной природы и геометрической формы.
Ключевые слова: твёрдый наполнитель, жидкий смазочный материал, коэффициент взаимодействия, наночастицы, дихалькогениды вольфрама.
Известно, что при достаточно малых значениях объемной доли дисперсной фазы в некоторой дисперсионной среде вязкость дисперсной системы может быть найдена из соотношения[1]
т=тдс - (1+2,5 -ф). (1)
где ф- объёмная доля дисперсной фазы (объёмная доля определяется из соотношения ф = Удф / V, где V = Удф + Удс, Удф, Удс - объёмы дисперсной
фазы и дисперсионной среды соответственно); Ддс - вязкость дисперсионной среды; ц- вязкость дисперсной системы.
Формула (1) была выведена А. Эйнштейном (1906) для сферических частиц. При выводе этого уравнения предполагалось, что система несжимаема, отсутствуют скольжение между частицами и жидкостью, турбулентность и взаимодействие между частицами.
Симха распространил метод Эйнштейна на дисперсии с частицами, имеющими форму, отличающуюся от сферической при низких градиентах скорости течения, когда частицы ориентированы длинной осью параллельно течению, и получил уравнение [1]
Ц = Цдс - (1 + «/Ф), (2)
где а у - коэффициент формы и взаимодействия частиц. Физический
смысл уравнения (2), известного как уравнение Симха - Эйнштейна [1], заключается в том [2], что относительное приращение вязкости прямо пропорционально относительному содержанию дисперсной фазы. Чем больше ф , тем сильнее выражено тормозящее влияние частиц (не обладающих внутренней текучестью) на поток. Из теории Эйнштейна следует [3], что
8
разбавленные и устойчивые дисперсные системы являются ньютоновскими жидкостями, их вязкость линейно связана с объёмной долей дисперсной фазы и не зависит от дисперсности.
Коэффициент af для частиц, форма которых отличается от сферической формы, как правило, больше 2,5. Это объясняется тем, что объём вращения частицы несферической формы превышает объём самой частицы.
С учётом соотношений и положений данной теории в границах исследования реализовали измерения вязкости смазочных композиций, содержащих полученные методом газофазного синтеза наноразмерные частицы WS2 и WSe2.
Измерения вязкости производились при условиях t = 25°C = const,
кг
вязкость выбранного смазочного масла марки МС-20 тдс = 0,775-.
м ■ с
При определении вязкости использовали вискозиметр Оствальда -Пинкевича (рис.1).
Рис. 1. Схема вискозиметра Оствальда - Пинкевича
Для наполнения вискозиметра опускают колено с метками в сосуд с нефтепродуктом (смазочным маслом) и засасывают его через колено с сосудом В до метки Ь, следя за тем, чтобы не образовывалось пузырьков воздуха (газообразных дисперсных компонентов масла), разрывов и плёнок.
В тот момент, когда уровень жидкости достигнет метки Ь, вискозиметр вынимают из сосуда и быстро переворачивают его в нормальное положение.
Для расчётов вязкости нефтяного смазочного масла с дисперсными компонентами использовали уравнение Пуазейля [1]
m
%■ R4 ■Dp
t,
(3)
8 • V • I
где V - объём жидкости, вытекающий через капилляр длиной I и радиусом Я за время ? (с) при разности давлений на входе и выходе из капилляра Ар.
Уравнение Пуазейля (3) для каждого конкретного вискозиметра приводится к следующему виду:
v = constv • t, (4)
где constv - константа данного вискозиметра.
Уравнение (4) с учётом соотношения v = m / р записывается так:
m = constv • р • t. (5)
Для дисперсионной среды (базового масла МС-20) можно записать
т^с=constv •рдс • tдс. (6)
Разделив соотношение (5) на (6), получим
m _ р-1
тдс рдс - tдс
(7)
При добавлении небольшого количества дисперсной добавки в смазочное масло его плотность изменяется несущественно, поэтому приближённо можно принять р » Рдс, тогда уравнение (7) упрощается:
Ц = Цдс . (8)
1дс
Соотношение (8) использовалось в границах данного исследования для нахождения динамической вязкости МС-20 с дисперсной добавкой.
Вначале была получена зависимость вязкости жидкой смазочной композиции от объёмной доли порошка наноразмерного дисульфида вольфрама (рис.2).
Если положить а у = 2,5 - К1 - а, то для сферических невзаимодействующих частиц коэффициент взаимодействия К1 = 1 и отношение длинной оси частиц к короткой оси а = 1, то есть будет справедливо уравнение (1)
[5].
Зависимость вязкости смазочной композиции от объёмной доли высокодисперсного дисульфида вольфрама имеет вид
т = 0.775 - (1 + 20 -ф). (9)
В этом случае коэффициент а у = 20 и заметно превышает коэффициент из уравнения Эйнштейна (1). При рассмотрении наночастиц дисульфида вольфрама в микроскоп установлено [3], что они имеют сферическую форму, поэтому такое значение коэффициента а у может быть связано,
прежде всего, с особенностью взаимодействия частиц в данной дисперсионной среде:
а = 1 ^ 2,5К1 = 20 ^ К1 = 8.
Таким образом, коэффициент взаимодействия между наночастица-ми дисульфида вольфрама равен 8.
О^смьдя долт диспсрсного компонента
-I-1-.-1-I-I---1-.-
I) они ЗШ м№ о01 о.иа )№ ЦНе ей?
О&ЪЁЬГНЩ дода днспсрсного КПЬШ^КСНТЗ
Рис. 2. Зависимости динамической вязкости смазочных композиций от объёмной доли дисперсной добавки: 1 - вязкость базового масла;
2 - зависимость, полученная теоретически с использованием уравнения (1); 3 - зависимость, полученная в результате аппроксимации экспериментальных точек уравнением (2)
При использовании разработанной методики была получена зависимость вязкости жидкой смазочной композиции от объёмной доли нано-размерного диселенида вольфрама (рис.2.). Объёмная доля диселенида вольфрама меньше в силу большей плотности, чем у дисульфида вольфрама в случае равных концентраций по массе. Полученная зависимость, как и в предыдущем случае имеющая линейный характер, имеет вид
т = 0.775 • (1 + 42 -ф). (10)
В этом случае коэффициент при объёмной доле дисперсного компонента в масле а у = 42. При рассмотрении частиц диселенида вольфрама
в микроскоп было установлено, что параметр а много больше единицы, поскольку размеры частиц составляли 60х5 нм. В этом случае форма частиц диселенида вольфрама существенно влияет на величину а у.
Рассчитали коэффициент взаимодействия:
а = 60нм / 5нм = 12 ^ 30К = 42 ^ К1 = 1,4. Таким образом, коэффициент взаимодействия между наночастица-миди селенида вольфрама равен 1,4.
На основании проведённого исследования вязкости жидких смазочных композиций с дисперсными добавками и взаимодействия частиц добавок можно сделать следующие выводы [5]:
- обобщённое уравнение А. Эйнштейна справедливо для разбавленных органозолей с дисперсионной средой - нефтяным маслом МС-20 и дисперсными компонентами ЖS2 и Ж8в2;
- чем больше плотность высокодисперсного компонента, тем меньшую объёмную долю в смазочном материале он занимает, что при определённых условиях в меньшей степени способствует ухудшению теплоотво-да из зоны фрикционного контакта;
- плотности высокодисперсных компонентов Ж52 и ЖSe2 равны
соответственно 7,4-^-, 9,22-^-, при этом значения а г для них равны
„ 3 „ 3 ^
см см
соответственно 20, 42; можно предположить, что плотность наряду с другими факторами влияет на коэффициент а у;
- зависимости вязкости смазочных композиций, содержащих Ж52 и Ж&2, от концентрации по массе отличаются незначительно.
- частицы Ж52 в 5,7 раза более интенсивно взаимодействуют в выбранной дисперсионной среде, чем частицы ЖSe2, что может давать дополнительное объяснение их лучшему противоизносному действию в режиме нормального износа и меньшему действию в режиме недопустимого износа.
Работа выполнена при поддержке гранта РФФИ № 13-08-00553
Список литературы
1. Волков В.А. Коллоидная химия. М.: МГТУ им. А.Н. Косыгина, 2001. 640 с.
2. Фридрихсберг Д. А. Курс коллоидной химии: учебник для вузов. 2-е изд., перераб. и доп. Л.: Химия, 1984. 368 с.
3. Фролов Ю.Г. Курс коллоидной химии. Поверхностные явления и дисперсные системы: учебник для вузов. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Химия, 1988. 464 с.
4. Газофазный синтез дисперсных частиц дисульфида вольфрама и их применение / Е.С. Васильева, М.Б. Игнатьев, Е.П. Ковалев, Д.В. Ли // Вестник Новгородского государственного университета. «Физика и механика материалов». 2009. №50. С. 7 - 10.
5. Бреки А. Д. Триботехнические свойства модифицированных смазочных масел: дис. ... канд. техн. наук. Санкт-Петербург, 2011. 161 с.
Бреки Александр Джалюльевич, канд. техн. наук, доц., зам. зав. кафедрой, albreki@yandex.ru, Россия, Санкт-Петербург, Санкт-петербургский политехнический университет Петра Великого,
Толочко Олег Викторович, д-р техн. наук, проф., директор научно-технологического комплекса «Материалы и технологии», plast-ftim@mail.ru, Россия, Санкт-Петербург, Санкт-петербургский политехнический университет Петра Великого,
Васильева Екатерина Сергеевна, канд. техн. наук, доц., katrinfr@inbox.ru, Россия, Санкт-Петербург, Санкт-петербургский политехнический университет Петра Великого,
Гвоздев Александр Евгеньевич, д-р техн. наук, проф., technology@tspu.tula.ru, Россия, Тула, Тульский государственный педагогический университет им. Л.Н. Толстого,
Стариков Николай Евгеньевич, д-р техн. наук, проф., зам., зав., кафедрой, starikov taii@,mail.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Провоторов Дмитрий Алексеевич, канд. техн. наук, доц., prodmyt@rambler.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет
EVALUATION OF THE INTERACTION BETWEEN THE NANOPARTICLES OF TUNGSTEN DICHALCOGENIDES IN THE LIQUID LUBRICANT
A.D. Breki, O.V. Tolochko, E.S. Vasilyeva, A.E. Gvozdev, N.E. Starikov
In the article the questions connected with change of viscosity of the liquid lubricating composite materials depending on the volume fraction of antifriction fillers. Using the equations of Einstein are used to estimate the interaction between obtained by the method of gas-phase synthesis of nanoparticles of tungsten dichalcogenides in the liquid lubricant. Experimentally determined coefficients of interaction between particles offillers of different nature and geometric shapes.
Key words: solid filler, liquid lubricant, the coefficient of interaction, nanoparticles, tungsten dichalcogenides.
Breki Alexander Dzhalyulevich, candidate of technical sciences, docent, deputy, head, of chair, albreki@yandex.ru, Russia, Saint-Petersburg, St.Petersburg Polytechnic Un-iversityof Peter the Great,
Tolochko Oleg Viktorovich, doctor of technical sciences, professor, director of scientific-technological complex "Materials and technologies", plast-ftim@,mail.ru, Russia, Saint-Petersburg, Saint-Petersburg Polytechnic University Peter the Great,
Vasiljeva Ekaterina Sergeevna, candidate of technical sciences, docent, ka-trinfr@,inbox.ru, Russia, Saint-Petersburg, Saint-Petersburg Polytechnic University Peter the Great,
Gvozdyov Alexander Evgenevich, doctor of technical sciences, professor, technolo-gy@tspu. tula.ru, Russia, Tula, Tula State Pedagogical University.named after L.N. Tolstoy,
Starikov Nikolay Evgenevich, doctor of technical sciences, professor, deputy head of chair, starikov_taii@,mail. ru, Russia, Tula, Tula State University,
Provotorov Dmitriy Alekseevich, candidate of technical sciences, docent, prod-myt@,rambler. ru, Russia, Tula, Tula State University
УДК 621.9
МЕТОДОЛОГИЧЕСКОЕ И ТЕХНИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ПРОЦЕССА ПОЛУЧЕНИЯ РЕПРЕЗЕНТАТИВНЫХ ПРОБ
В.Б. Морозов, Т.Г. Морозова
Рассмотрены параметры процесса формирования репрезентативных проб. На основе комплексного эксперимента разработаны и подтверждены соответствующие методологические и технические рекомендации к процессу пробоотбора.
Ключевые слова: пробоотбор, устройства пробоотбора, репрезентативность, моделирование процесса, технологические рекомендации.
Основная цель контроля качества - гарантировать, что продукция (услуга, процесс) соответствует конкретным требованиям и является надежной, удовлетворительной и устойчивой в финансовом отношении. По сути, контроль качества предполагает проверку продукта, услуги или процесса для определения соответствия определенному минимальному уровню качества [1, 2].
Качество продукции пищевой и перерабатывающей промышленности является важнейшим, поскольку именно от него зависит состояние здоровья всех людей и их жизнедеятельности.
Качество продукции относится к числу важнейших показателей деятельности предприятия. Повышение качества пищевых и перерабатывающих производств в значительной степени определяет выживаемость и успех предприятия в условиях рынка, темпы технического прогресса, внедрения инноваций, рост эффективности производства, экономию всех видов ресурсов, используемых на предприятии.
Оценка уровня качества продукции - это совокупность операций, включающая выбор номенклатуры показателей качества оцениваемой продукции (Федеральный закон от 2 января 2000 г. N 29-ФЗ «О качестве и
14
