Реология моторных масел с

ТРУДЫ МФТИ. — 2010. — Том 2, № 2
Прикладная механика, динамика жидкости и газа
101
УДК 539.2: 541.18
С.В. Кириян, Б.А. Алтоиз
Одесский национальный университет им. И.И. Мечникова
Реология моторных масел с квазижидкокристаллическими слоями
в триаде трения
В микронных прослойках моторных масел экспериментально наблюдается оптическая анизотропия и повышенная вязкость по отношению к её значению в «объеме». Эти особенности связываются со структурной неоднородностью прослоек — организацией на подложках,
ограничивающих прослойку, приповерхностных эпитропных жидкокристаллических слоев.
Такие прослойки и слои в них исследованы в модельной триаде трения оптической и реологической методиками. Проведена оценка величины двулучепреломления и толщины слоя,
которая с ростом скорости сдвигового течения уменьшается. Рассмотрена роль присадок
ПАВ как сурфактанта, способствующего организации структурированного слоя.
Ключевые слова: прослойка моторного масла, триада трения, вязкость, реология, оптическая анизотропия, пристенные структурированные слои, эпитропные жидкие кристаллы.
I. Введение
Свойства смазочных масел в микронных прослойках триад трения отличаются [1--4] от их
«объемных» характеристик. Обусловлено это тем,
что в таких тонких прослойках уже существенно
сказывается наличие на твёрдых подложках триады полимолекулярных структурированных —
«граничных» слоёв жидкости с иной вязкостью [2,
5, 6]. Эти слои играют значительную роль в процессах диссипации энергии в узлах трения, работающих в режимах смешанной смазки, препятствуя сухому трению. Ряд авторов [2] полагали, что помимо вида поверхности подложки и её
материала, определяющих характер и интенсивность взаимодействия на границе раздела твёрдое
тело–жидкость, явлению структурирования жидкости способствуют вводимые в масла присадки
поверхностно-активных веществ (ПАВ), как известно, повышающие противоизносные свойства
смазки. Однако и длина молекул ПАВ (∼ нм),
обычно жирных кислот (олеиновой, стеариновой),
и интенсивность поля поверхностных сил (затухающих на расстоянии в несколько молекулярных длин) не объясняют значительных микронных толщин полимолекулярных ориентационно
упорядоченных, как в жидких кристаллах, слоев.
Наличие таких полимолекулярных мезоморфных
эпитропно-жидкокристаллических (ЭЖК) [7] слоёв в прослойке тесно взаимосвязано с противоизносными характеристиками триботехнических узлов [2, 4]. Молекулярная ориентация анизометричных молекул в ЭЖК слоях приводит к изменению оптических [3, 5] и реологических [5,
6] свойств прослойки. Это определяет ряд экспериментальных методик изучения как собственно
ЭЖК состояния (его структурных параметров:
степень упорядоченности, толщину слоя, оптическую анизотропию и вязкость), так и влияние на
структурно-вязкие свойства прослоек масла (его
основы), содержания добавок (механических при-
месей, воды), температуры, материала подложки,
качества её поверхности и пр.
II. Постановка задачи и объекты
исследования
Разработать методики исследования оптических и реологических свойств прослоек смазочных масел в триаде трения и предложить возможные дополнительные эксплуатационные характеристики смазочного материала, учитывающие влияние структурной неоднородности прослойки (с ЭЖК слоями) в триаде трения.
Ввиду того, что в настоящее время все большее
предпочтение отдается синтетическим маслам, по
целому ряду признаков превосходящих минеральные, исследовалось моторное масло класса вязкости SAE 5W40 (продукции одного из ведущих производителей масел на синтетической основе) и для
сравнения минеральное SAE 15W40.
III. Методика измерения оптической
анизотропии прослоек
Для экспериментального определения толщины ds ЭЖК слоёв измерялось [3, 8] двулучепреломление (ДЛП) в масляных прослойках модельной триады трения — «щелевом световоде».
Этим сравнительно простым методом можно установить и величину оптической анизотропии Δn,
определяемую степенью ориентационной упорядоченности молекул.
Подложки
триады
—
прямоугольные
(4 × 10 мм) стальные пластинки (рис. 1) — закреплялись на микрометре, образуя «щелевой
световод». За счёт использования в качестве подложек образцовых конечных мер (с микрошероховатостями ∼ 0,05 мкм, степень непараллельности
< 10 ) расчёты прохождения света в световоде в
диапазоне его толщин 5--100 мкм проводились в
приближении лучевой оптики.
102
Прикладная механика, динамика жидкости и газа
ТРУДЫ МФТИ. — 2010. — Том 2, № 2
Рис. 1. а — схема измерения оптической анизотропии в тонких прослойках жидкости методом щелевого
световода переменной толщины и б — структурная модель прослойки жидкости с анизотропными слоями
в щели световода с геометрией прохождения света в нём в приближении лучевой оптики
Схема поляризационного прибора, структурная модель прослойки жидкости (с оптически
анизотропными слоями и изотропной жидкостью
между ними) в щели световода и геометрия прохождения света в нём представлены на рис. 1.
На рис. 1а изображены: А — анализатор, С —
пластинки, образующие щелевой зазор световода,
К — компенсатор Сенармона, П — поляризатор;
И — лазерный источник света, l — длина световода, D = 2d — ширина зазора, ds — толщина
оптически анизотропных (с Δn = n е −n о) слоёв в прослойке препарата, n о, n е — показатели
преломления для обыкновенного и необыкновенного лучей. Для измерения зазора и определения
азимута угла погасания использовался бинокулярный микроскоп (не показан) с окулярным микрометром (цена деления — 0,6 мкм) и веб-камерой.
Для анализа результатов оптических измерений рассматривалась структурная модель прослойки: однородные приповерхностные ориентационно упорядоченные (и потому оптически анизотропные, одноосные) ЭЖК слои, отделенные
резкой фазовой границей от изотропной прослойки жидкости между ними (рис. 1б). Для такой модели упрощённая (в рамках геометрической оптики) формула взаимосвязи измеряемого «азимута
угла погасания» — поворота компенсатора и рассчитываемого по нему сдвига фаз δ (между компонентами эллиптически поляризованного света) со
структурными характеристиками слоя имеет, как
следует из [8], вид
δ=
1
2π
· l · (2ds · Δn) · ,
λ
2d
(1)
где l — длина световода, λ — длина волны в вакууме монохроматического светового зонда, ds —
толщина ЭЖК слоя, 2d — расстояние между подложками, Δn — величина ДЛП в слое ЭЖК. Очевидно, что Δn — средняя по толщине 2d прослойки величина ДЛП в ней Δn = (2ds /Δn)/2d.
С учётом принятой модели зависимость (1)
представима в виде
1
при 2d > 2ds , где k = 4π
δ = k · 2d
λ · l · ds · Δn и
δ = δmax при 2d 2ds , где
δmax =
2π
· l · Δn.
λ
(2)
Искомые значения толщин ds ЭЖК слоёв и
Δn в них определялись из анализа экспериментально установленных зависимостей сдвига фаз δ
от обратной толщины световода 1/2d.
IV. Результаты оптических
измерений
Результаты оптических измерений в прослойках исследуемых образцов масел 5W40 (а) и
15W40 (б) представлены на рис. 2 в форме зависимости сдвига фаз δ от обратной толщины световода 1/2d. Из рисунка 2 видно, что величина сдвига
ТРУДЫ МФТИ. — 2010. — Том 2, № 2
Прикладная механика, динамика жидкости и газа
фаз δ в обоих случаях в области «толстых» прослоек при их утоньшении (с увеличением 1/2d)
сначала почти линейно возрастает, а затем при
толщине прослойки 2d ∼ 14 мкм становится мак-
103
◦
симальной (δmax ∼ 32 для масла 5W40 и δmax
∼ 39◦ для масла 15W40). В области меньших толщин прослоек величина сдвига фаз в них, а потому и Δn, уже не изменяется.
Рис. 2. Экспериментальные зависимости сдвига фаз δ от обратной ширины световода 1/2d в прослойках
масел 5W40 (а) и 15W40 (б). T = 295--298 К
Рис. 3. Схема ротационного вискозиметра: 1 — шкивы, 2 — ремень, 3 — грузы (противовесы), 4 — лимб,
5 — стакан (место посадки внешнего цилиндра), 6 — внешний цилиндр ротационной пары, 7 — внутренний
цилиндр ротационной пары, 8 — зеркало, 9 — лазер, 10 — электродвигатель
Очевидно, что установленное свойство двулучепреломления, которое проявляется в тонких
прослойках, обусловлено наличием в них оптически анизотропных и, значит, ориентационно упорядоченных слоев. Отметим, что, как было установлено в [9], в области перехода (по толщине) от
этих слоёв к изотропной жидкости зависимость δ
(1/2 d) уже не линейна. Это указывает на «размытость» границы (более 2 мкм), отделяющей
каждый из слоёв от изотропной прослойки масла
между ними, и потому — на существенную структурную неоднородность слоев. Пренебрегая отмеченной нелинейностью в области перехода и полагая слой однородным по величине Δn, можно
в соответствии с принятой структурной моделью
прослойки аппроксимировать полученные экспериментальные данные двумя прямыми (2). В принятом приближении точка пересечения этих линий определяет удвоенную толщину ЭЖК слоёв
и величину их оптической анизотропии Δn. Математическая обработка результатов экспериментов
в представлении указанной простейшей структурной модели прослойки слоя дала близкие для обоих масел значения Δn ∼ (1,3--1,5) · 10−5 и средней
толщины этих слоёв ds ∼ 7 мкм. С учётом же отмеченной их неоднородности в области границы
толщина слоя меньше и составляет 5--6 мкм.
Методика измерения вязкости прослоек.
Для установления реологических отличий микронных прослоек моторных масел от их харак-
104
Прикладная механика, динамика жидкости и газа
ТРУДЫ МФТИ. — 2010. — Том 2, № 2
ствие
структурированных
приповерхностных слотеристик в «объеме» использовался ротационный
ёв
этой
жидкости
на
поверхности
стали. На рис. 4
вискозиметр (рис. 3), особенностью которого являпредставлена
экспериментальная
зависимость коется возможность измерения вязкости жидкости
эффициента
относительной
эффективной
вязков зазорах толщиной D = 1--50 мкм в диапазоне
2
4 −1
=
η
/η
)
двух
прослоек
этой
жидкости
(η
отн
эфф 0
скоростей деформаций γ = 10 --10 с .
сти от скорости сдвиговой деформации γ (с−1 ) в
Работа вискозиметра основана на определении
них.
момента Мтр сил вязкого трения, действующего
на внутренний «неподвижный» цилиндр 7, коаксиальный внешнему 6, и возникающих в прослойке жидкости при вращении последнего в стакане
5 с приводом от электродвигателя 10 через ременную передачу 2 системы шкивов 1.
Измерителем крутящего момента сил вязкого
трения являлась в применяемом варианте прибора система противовесов 3, обеспечивающая при
повороте цилиндра 7 действие на него момента
Мкомп , компенсирующего Мтр . Величина момента Мкомп определялась по углу ϕ поворота цилиндра 7 (фиксируемого по положению на шкале 4
отражённого от зеркала 8 луча лазера 9). Возможность варьирования массой противовесов опредеРис. 4. Зависимость вязкости ηотн прослоек вазелиноляет значительный диапазон измерений по веливого масла от скорости деформации γ, с −1 . Толщина
чине вязкости препаратов (0,001--1 Па · с).
прослоек D: ♦ — 1,5 мкм и — 4,5 мкм. T = 300 К
Ширина зазора между цилиндрами — толщиКак видно из рис. 4, ηотн практически не завина прослойки препарата — задается варьированисит
от γ, что указывает на ньютоновский харакем диаметра внутреннего цилиндра. Температутер
течения прослойки, следовательно, на отсутра контролируется при помощи термометра сопроствие
заметного структурирования в ней. Об этом
тивления Rt , и её изменение за время изотермичеже
свидетельствует
и отсутствие отличия вязкоского опыта не превышало ΔT ∼ 0,05 К.
сти
микронных
прослоек
масла от его вязкости
Моделью триады трения являлась система из
≈
1).
Из
этого следует, что есв
«объеме»
(η
отн
исследуемой прослойки (толщиной D от ∼ 1 до
ли
структурированные
пристенные
слои на под∼ 50 мкм) жидкости и ограничивающими её подложках,
ограничивающих
прослойку,
и существуложками — стальными поверхностями коаксиальнастолько
мала,
что они не
ют,
то
их
толщина
d
s
ных цилиндров ротационной пары вискозиметсказываются
на
реологии
прослойки
вазелинового
ра. В куэттовском течении структурно неодномасла.
родной прослойки устанавливалась её «эффективная» вязкость ηэфф [6], то есть вязкость такой однородной прослойки жидкости, в которой таким
же сдвиговым напряжениям σ, Н/м отвечают те
же скорости деформации γ, с−1 .
Устанавливаемая зависимость коэффициента
вязкости ηэфф (V ; D) жидкой прослойки различной толщины D от сдвиговой скорости V (или скорости деформации γ) и использовалась для оценки реологических характеристик ЭЖК слоя.
Так, отличие величины структурно чувствительного коэффициента вязкости ηэфф микронной
прослойки жидкости от его значения η0 в объёРис. 5. Зависимость вязкости ηотн прослоек вазелиноме (получаемого в капиллярных ∅ = 2,62; 1,31 и
вого
масла, легированного олеиновой кислотой (∼ 1%)
0,99 мм вискозиметрах) свидетельствовало о налиот
скорости
деформации γ, с −1 . Толщина прослоек
чии в ней структуры, а зависимость ηэфф от γ —
D:? — 1,5 мкм, ♦ — 4,5 мкм, Δ — 7 мкм. T = 302 К
о характере последней.
Влияние ПАВ на вязкие свойства вазелиновоV. Результаты реологических
го масла исследовалось его легированием олеиноисследований
вой кислотой (ч) объёмной концентрацией ∼ 1%.
Раннее в оптических измерениях ДЛП для вазеВ наших контрольных вискозиметрических
линового масла с добавкой олеиновой кислоты
опытах с тщательно очищенным (не легирован(∼ 1%) на металлической подложке было установным ПАВ) вазелиновым маслом подтвердилось
лено образование ЭЖК слоёв толщиной ∼ 5 мкм.
ранее установленное [5, 10] практическое отсутЭкспериментальные реологические зависимости
ТРУДЫ МФТИ. — 2010. — Том 2, № 2
Прикладная механика, динамика жидкости и газа
ηотн = f (γ) для прослоек толщиной D = 1, 5; 4,5
и 7 мкм вазелинового масла с добавкой 1% олеиновой кислоты в сдвиговом течении представлены
на рис. 5.
Как следует из рис. 5, при добавлении олеиновой кислоты вязкость прослоек толщиной D = 1,5
и 4,5 мкм увеличивается по отношению к её «объемному» значению (ηотн ∼ 1,3 и 1,2 при γ → 0 с−1
для прослоек толщиной 1,5 и 4,5 мкм соответственно); с ростом скорости деформации уменьшается и стремится к «объемному» значению
(ηотн → 1 при γ ∼ 4000 и 1500 с−1 для 1,5 и
4,5 мкм). Для прослойки толщиной 7 мкм такие
закономерности отсутствовали. Возрастание вязкости микронных прослоек вазелинового масла
вследствие его легирования олеиновой кислотой
указывает на наличие в них молекул жидкости,
ориентированных преимущественно ортогонально
течению, которые и образуют гомеотропно структурированный пристенный слой ЭЖК.
Организации его способствуют молекулы
ПАВ, играя, как и в нематических ЖК, роль
сурфактанта, образуя затравочный гомеотропно
ориентированный монослой. Задаваемая им ориентация в поле убывающих поверхностных сил
подложки межмолекулярным анизотропным взаимодействием транслируется, образуя пространственно ограниченный слой ЭЖК. Повышенная
вязкость прослоек толщиной 1,5 мкм и даже
4,5 мкм свидетельствует о конечной толщине
(ds ∼ 1--2 мкм) этого слоя в них, а уменьшение
эффективной вязкости прослойки с увеличением
скорости деформации — о разрушении сдвиговым
течением образовавшегося структурированного
слоя ЭЖК.
Для исследуемых моторных масел 5W40 и
15W40 те же реологические зависимости эффективной вязкости ηотн = f (γ) в прослойках
толщиной D = 1,5 мкм и более «толстых»
(D = 5--50 мкм) представлены на рис. 6.
Рис. 6. Зависимости коэффициента относительной
вязкости ηотн от скорости деформации γ, с −1 для
моторных масел 5W40 () и 15W40 (♦) в прослойке толщиной D = 1,5 мкм и в прослойках толщиной
D = 5--50 (Δ) мкм. T = 295--302 К
105
Как видно из рис. 6, эффективная вязкость
тонких (D = 1,5 мкм) прослоек обоих масел при
малых скоростях деформаций выше величины их
вязкости в «объеме», которая указывается в паспортных данных (ηотн ∼ 1,35 при γ → 0). С увеличением скорости сдвиговой деформации вязкость
таких прослоек уменьшается и стремится к «объемному» значению (ηотн → 1 при γ ∼ 4000 с−1 ).
Это может быть связано с разрушением структурно неоднородных пристенных слоёв — их перехода
в изотропную жидкость. В прослойках толщиной
D > 5 мкм такие реологические особенности отсутствуют даже при малых сдвиговых напряжениях (ηотн ≈ 1 при γ = 102 --103 с−1 ). Очевидно,
тонкие структурированные слои, в силу их малой
относительной доли в таких «толстых» прослойках, не оказывают заметного влияния на их реологию.
Повышенная (на ∼ 35% при γ → 0) эффективная вязкость для обоих масел по сравнению
с их «объемными» значениями также свидетельствует о преимущественно гомеотропной ориентации молекул граничной фазы. Совпадение результатов для базовых моторных масел, в которых
уже имеется набор присадок, одной из которых
являются ПАВ, с результатами для вазелинового масла с ПАВ, подтверждает предполагаемую
роль присадки в масляной прослойке триады. Отличие вязкости микронных прослоек масел от её
«объемного» значения, указываемого в паспортных данных, свидетельствует о недостаточной информативности последних, не учитывающих влияния структурированных пристенных слоёв в прослойках на их реологию.
VI. Заключение
При изучении оптических и реологических
свойств моторных масел между металлическими
подложками триады трения установлено наличие
в микронных прослойках смазки структурированных пристенных ЭЖК слоёв с преимущественно гомеотропной молекулярной ориентацией. На
примере сравнительной реологии вазелинового и
моторных масел показано, что образованию таких слоёв способствуют присадки ПАВ, выполняющие роль сурфактантов. В результате трансляции анизотропным межмолекулярным взаимодействием ориентации, задаваемой монослоем ПАВ,
толщина таких слоёв может достигать нескольких микрон. В ряде случаев эти слои определяют
противоизносные свойства смазки в узлах трения.
Приводимые в паспортных данных масла его вязкостные характеристики, в силу структурированности прослойки смазки в триаде трения, могут
не соответствовать реальным.
Литература
1. Ахматов А.С. Молекулярная физика граничного трения. — М.: Наука, 1964.
106
Прикладная механика, динамика жидкости и газа
2. Фукс Г.И. Вязкость и пластичность нефтепродуктов. — М.; Ижевск, 2003.
3. Алтоиз Б.А., Поповский Ю.М. Физика приповерхностных слоёв жидкости. — Одесса: Астропринт, 1996.
4. Поповский Ю.М., Сагин С.В., Гребенюк М.Н. Влияние ориентационной упорядоченности в граничных смазочных слоях на триботехнические характеристики узлов трения // Судовые энергетические установки: научно-техн. сб. —
1998. — № 1. С.102--104.
5. Дерягин Б.В., Чураев Н.В., Муллер В.М.
Поверхностные силы. — М.: Наука, 1985.
6. Алтоиз Б.А., Асланов С.К., Бутенко А.Ф.
Ротационный вискозиметр для исследования микронных прослоек // Физика аэродисперсных систем. — 2005. — № 42. — С. 53--65.
7. Дерягин Б.В., Поповский Ю.М., Алтоиз Б.А. Открытие CCCP «Явление образования гомогенной граничной жидкокристаллической фазы немезогенной жидкости». Диплом
ТРУДЫ МФТИ. — 2010. — Том 2, № 2
№ 388. Открытия и изобретения. — 1991. —
№ 12. — С. 1--2.
8. Поповский А.Ю., Кириян С.В., Алтоиз Б.
А, Бутенко А.Ф. Методика исследования оптической анизотропии неоднородных микронных
прослоек // Физика аэродисперсных систем. —
2006. — № 43. — С. 45--54.
9. Алтоиз Б.А., Кириян С.В., Поповский А.Ю. Структурированные приповерхностные слои синтетических и полусинтетических
масел на подложке с профилированным микрорельефом // Физика аэродисперсных систем. —
2007. — В. 44. — С. 48--56.
10. Алтоиз Б.А., Поповский Ю.М. Капиллярный вискозиметр для исследования тонких неоднородных жидких прослоек // Вестник Одесского национального университета. — 2001. — Т. 6,
вып. 3. — С. 191--198.
Поступила в редакцию 02.10.2009.