吳志遠， 趙桂彬， 曹　帥， 譚志坤， 董曉慶

(1. 裝甲兵工程學院裝備再制造技術(shù)國防科技重點實驗室， 北京 100072；2. 石家莊機械化步兵學院， 河北 石家莊 050083)

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有機物官能團特性對金剛石砂輪堵塞的影響

吳志遠1， 趙桂彬2， 曹帥2， 譚志坤2， 董曉慶2

(1. 裝甲兵工程學院裝備再制造技術(shù)國防科技重點實驗室， 北京 100072；2. 石家莊機械化步兵學院， 河北 石家莊 050083)

砂輪堵塞是金剛石砂輪磨削工程陶瓷過程中經(jīng)常出現(xiàn)的問題，是制約陶瓷高效和經(jīng)濟加工的瓶頸問題之一。根據(jù)有機物化學原理，選用有機物的官能團對砂輪堵塞的影響進行了研究。結(jié)果表明：當官能團不變時，砂輪堵塞比例隨著碳數(shù)的增加呈先增后減的趨勢，并且官能團極性大有機物達到拐點的碳數(shù)較多；官能團位置將影響有機物在陶瓷表面形成油膜厚度，油膜越厚，則砂輪堵塞比例越??；反映有機物與固體表面相親性的HLB值由官能團與碳鏈結(jié)構(gòu)共同決定，砂輪堵塞比例會隨有機物的HLB值呈現(xiàn)規(guī)律性變化。

氮化硅陶瓷； 堵塞； 官能團； 磨削； HLB值

工程陶瓷具有優(yōu)異的物理化學性能，已在各個領(lǐng)域獲得越來越廣泛的應(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)濟性的一個有效手段，但由于發(fā)展歷程較短，該領(lǐng)域仍有許多瓶頸問題有待攻克[3]。金剛石砂輪磨削過程中的砂輪堵塞問題即是該領(lǐng)域的關(guān)鍵問題之一[4]。有機物是各種磨削液的重要組成部分，其作用特征對砂輪堵塞具有決定性的影響。官能團是決定分子化學性質(zhì)的特殊原子或原子團[5]，是有機物外部物理化學特性的核心所在。筆者針對有機物官能團特性對砂輪堵塞的影響進行實驗，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　實驗條件

試件材料：氮化硅。

有機物：碳數(shù)3～9的正構(gòu)有機酸和正構(gòu)有機醇。

實驗設(shè)備：信達XD-250AH型機床。

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價：首先在線采集圖像數(shù)據(jù)；然后利用容差法進行精確評價[6]。

2　官能團特征對堵塞的影響

官能團對有機物外部特性的影響包含多個方面。為了較全面地探索官能團的作用規(guī)律，依據(jù)有機化學基本原理，從官能團的種類、個數(shù)和位置3個角度出發(fā)進行設(shè)計和分析。

2.1官能團種類的影響

選用碳數(shù)3～9的正構(gòu)有機酸和正構(gòu)有機醇2種有機物進行實驗。對比官能團不變時，砂輪堵塞比例隨碳鏈長度增加的變化曲線，如圖1所示。

圖1　砂輪堵塞比例隨碳鏈長度增加的變化曲線

由圖1可以看出：盡管酸和醇的官能團不同，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(正構(gòu)有機醇碳數(shù)小于6，正構(gòu)有機酸碳數(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官能團數(shù)及位置對堵塞的影響

選用官能團個數(shù)及位置不同的丙醇、1,2-丙二醇、1,3-丙二醇和丙三醇進行實驗。砂輪堵塞比例隨官能團特性變化曲線如圖2所示。

圖2　砂輪堵塞比例隨官能團特性變化曲線

由圖2可以看出：隨著有機醇官能團數(shù)的增加，砂輪堵塞呈現(xiàn)增長趨勢；但這一規(guī)律并不嚴格吻合，添加1,3-丙二醇時的金剛石砂輪堵塞比例要遠遠大于添加丙三醇時的堵塞比例。

3　堵塞抑制原因及機理分析

通過對前述所有試劑分子結(jié)構(gòu)、吸附形式以及物質(zhì)特性進行綜合分析，上述實驗結(jié)果的產(chǎn)生原因和機理可以概括為以下2個方面。

3.1油膜厚度對堵塞的影響

有機物的碳鏈為非極性端，官能團為極性端，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。因此，增加油膜厚度有利于減小砂輪堵塞比例。

3.2有機物相親性的影響

添加有機物在陶瓷表面的吸附特性對砂輪堵塞具有較大的影響。引入HLB值的概念來對相關(guān)現(xiàn)象進行研究。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個相反基團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物自身極性的增減以及對固體表面的親和性。實驗所用有機物HLB值可以采用結(jié)構(gòu)因子法[7]進行計算，即HLB=7+∑(親水基的基數(shù))+∑(親油基的基數(shù)) 。

(1)

由式(1)計算上述有機物的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，對于非極性氮化硅陶瓷，有機物抗堵塞效果與其HLB值有明顯的相關(guān)性：1)當物質(zhì)的HLB值小于5.8時，堵塞比例隨HLB值的增加逐漸增大；2)當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??；3)最佳抗堵塞添加劑為低HLB值的有機物，即壬醇和壬酸，其共同特點是擁有所有有機物中最長的碳鏈，這與圖3中的分析結(jié)果一致。因此，對于非極性氮化硅陶瓷，最佳抗堵塞有機物的分子結(jié)構(gòu)特征是盡可能長的碳鏈以及低HLB值(低的有機物分子極性)。這個結(jié)果與吸附中相似相吸的原理相吻合，說明有機物吸附作用對添加劑抗堵塞性能的實現(xiàn)是非常重要的。

采用式(1)計算圖1中2條曲線的拐點物質(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)出官能團差異的影響。這說明：對于特定陶瓷材料，有機物的抗堵塞程度并不取決于有機物官能團的種類，而取決于碳鏈和官能團綜合構(gòu)成的分子的綜合特性。

4　結(jié)論

1)有機酸和有機醇對堵塞的影響都可以分為2個階段：當碳鏈長度較短時，砂輪堵塞比例隨碳鏈長度的增加而增加；當碳鏈長度大于某一值時，砂輪堵塞比例隨碳鏈長度的增加而減小。

2)官能團位置將影響有機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)官能團對堵塞的影響取決于其最終形成的有機物性質(zhì)。當有機物親水性較低時(HLB值小于5.8)，隨著官能團親水性的增加，砂輪堵塞比例增加；超過這一值時，官能團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.有機化學[M].北京: 科學出版社,2013: 8-10.

[6]紀凱文. 陶瓷專用有機磨削液抗堵塞方法及添加物的研究[D].北京:裝甲兵工程學院, 2015.

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

(責任編輯: 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

國家自然科學基金資助項目(51275527)

吳志遠(1973-)，男，講師，博士。

TG580.61+9.3

A

10.3969/j.issn.1672-1497.2016.04.018