纳米SiC水基液压介质基液的分析研究
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摘要：本文对纳米sic水基液压介质的基液进行研究，参考生活饮用水卫生标准及水基液压介质工作性质，从适合的基液（自来水、纳滤膜处理水、渗透膜处理水、蒸馏水、去离子水）中选出对纳米SiC水基液压介质分散效果较优的基液种类，探讨了基液的种类对于纳米SiC水基液压介质分散稳定性的影响。实验结果表明：分散剂为羧甲基纤维素钠，基液为去离子水时，所配置的纳米SiC水基液的分散稳定性较好。
Abstract： In this paper， the basal liquid of nano-SiC water-based hydraulic medium is studied. Based on the hygienic standard of drinking water and the working properties of water-based hydraulic medium， from the appropriate base liquid （tap water， nanofiltration membrane water， osmotic membrane treated water， distilled water and deionized water）， the effect of the type of the base liquid on the dispersion stability of the nano-SiC water-based hydraulic medium was discussed. The experimental results show that the dispersion stability of nano-SiC water-based liquid is better when the dispersant is sodium carboxymethyl cellulose and the base liquid is deionized water.
P键词：纳米SiC；水基液；分散剂；分散稳定性
Key words： nano SiC；water-based liquid；dispersant；dispersion stability
中图分类号：TH137 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2017）23-0164-03
0 引言
随着水液压传动的发展，以水基液压介质（含有添加剂的水作为基础液，以下简称基液）取代以往的矿物型油基液压工作介质的研究得到了人们普遍关注。基液作为制备水基液压介质的载体，主要作用是将固体颗粒与添加剂均匀地混合在其中。在对水基液压介质的研究中，基液的选择对液压元件和系统的可靠性和寿命有很大影响。在实际应用中，往往容易忽略基液对水基液压介质性能的影响，在现有的文献中对适用于液压系统的基液研究很少见报道。为改善水压元件及系统工作时的可靠性及寿命，需要有效的控制基础液的质量。
本文通过水基液压介质对基液提出的要求，结合纳米SiC的特有理化性能，选出能够较好与纳米SiC颗粒混合的基液，为纳米SiC水基液压介质的制备奠定基础。
1 纳米SiC水基液压介质的基液
1.1 纳米SiC水基液压介质对基液的要求
参照相关部门提出的一些指标，取生活饮用水卫生标准（GB5749-2006）为参考标准，再依据前人研究的水基液压介质的工作性质，我们认为水基础液应该满足如下要求。
1.1.1 离子要求
①为了满足绿色环保的要求，我们需要对水基础液中的离子进行控制，例如Cl、S、P这一类元素排放到环境中会使水质富营养化，进而破坏生态平衡，污染环境，且影响人体健康[1]。关于Cl离子的含量可以引用饮用纯净水标准（GB17323-1998），Cl≤6mg/L；S、P元素在水中绝大多数都是以SO42-、PO43-离子的形式存在，PO43-离子的含量可引用饮用水卫生标准（GB5749-2006），PO43-≤5mg/L；SO42-离子的含量也可引用饮用水卫生标准（GB5749-2006），即SO42-≤5mg/L。
②硬度要求。水的硬度取决于其中Ca、Mg离子的含量，如果水基础液硬度过高则会在工作时产生结垢，为了避免这种情况发生，应该严格控制水中钙、镁离子的含量。参照工业用水硬度标准，硬度100mg/L的水称为高硬水。水基础液的硬度应该符合软水的标准。
③水与离子与添加剂相溶性。目前已知的纳米颗粒有许多种类，不同的纳米颗粒拥有不同的理化性质，因此与水的兼容性也不相同。为保证纳米SiC颗粒在水基液压传动介质中的性能稳定，备选纳米颗粒应满足如下条件：1在水中拥有良好的稳定性，不与水发生理化反应，这样才能稳定存在于水中。2纳米SiC颗粒与水基础液中的离子不会发生氧化反应3在水基础液中不与其中离子发生吸附团聚沉淀。
1.1.2 固体颗粒要求
液压介质中固体颗粒粒径过大会导致元件的堵塞，使液压系统出现故障，精密的液压元器件要求液压介质中颗粒不得大于1um。参考液压传动中精密伺服阀对液压介质中颗粒的大小要求，水基础液里的固体颗粒直径应不大于1um。此外，固体颗粒直径还会严重干扰纳米颗粒的抗磨性，所以必须对水基础液里固体颗粒的最大直径进行限制。由纳米-微米复合理论可知：母粒子和子粒子粒径比需不低于10：1，最小也需在5：1，其差值与复合效果成正比[2]。根据实际条件取最低值，对固体颗粒要求其粒径处于250～500nm。
1.1.3 微生物要求
水中主要的微生物有四类：分别是致病菌、大肠杆菌、酵母菌和霉菌。在储存、提取和运输的过程中水中无机及有机营养物质会显著增加，这种现象会导致微生物大量繁殖，进而引发水的变质，使液压系统中介质环境恶化，影响整个液压系统各个元件的寿命。在水基液中存在的微生物的排泄物会导致工作介质变质，污染工作环境，影响水基液压介质工作性能，因此必须对水基液里的微生物保有量进行限制[3]。这里参考饮用纯净水国家标准（GB17323-1998），微生物在基液中的含量不能高于20CFU/mL。
1.2 适合作为纳米SiC水基液压介质的基液
蒸馏水和去离子水的成分进行分析，由表1所示。
蒸馏水中Ca等离子含量极少可忽略，Cl离子的含量少于2.5mg/L，可以达到之前对水基础液提出的离子要求；蒸馏水通过蒸馏水器获得，可以除去原先所有粒径的颗粒杂质和微生物，因此满足前文提出的颗粒及微生物要求，综上所述，蒸馏水可以用作水基础液。
去离子水中Cl、Ca等离子含量极少可忽略。满足前文提出的离子要求及固体颗粒要求以及微生物含量要求，因此去离子水也适用于水基础液。
将自来水经纳滤膜（NF）处理和渗透膜（RO）处理后的成分分析由表2所示。
经NF处理后的自来水中钙、镁离子含量已满足软水的标准，Cl- SO42-离子等去除率达89%、97.2%[4]，同时颗粒杂质直径和微生物含量也满足前文所提的要求，因此经过NF处理后的自来水满足水基础液要求。
经过RO处理的自来水已满足硬度
2 基液种类对纳米SiC水基液压介质分散稳定性的影响
取分散剂为羧甲基纤维素钠，自来水、膜处理水、去离子水、蒸馏水为基液，测试配置的纳米SiC水基溶液的分散稳定性（测量其上层清液体积）。
取5ml纳米SiC水基溶倒入刻度试管中静置并且将试管口密封，分别在一定的时间内读取试管上层清液的体积V，沉降体积为（5-V）mL，沉降体积数值越大表示分散液的分散稳定性越好。
如图1所示为基液种类与沉降稳定性的关系曲线（横坐标：Time（d），纵坐标：Volume（mL）），曲线1是自来水、曲线2是纳滤膜处理水、曲线3是渗透膜处理水、曲线4是蒸馏水、曲线5是去离子水，图1（A）、（B）、（C）表示分散剂含量分别为0.1%、0.3%、0.5%。
由图1可知，基液不同分散效果也有差异，在分散剂的投入量一定时，随着时间推移，纳米SiC水基溶液的上层清液呈递增趋势，则纳米SiC水基溶液的沉降体积呈递减趋势，分散效果按从优到劣排名依次为去离子水、蒸馏水、渗透膜处理水、纳滤膜处理水、自来水。当分散剂的投入量加大时，纳米SiC水基溶液上层清液减少，体现了沉降体积的增大，分散稳定性也随之变优。分散剂投入量为0.5%，基液为去离子水时，纳米SiC水基溶液的上层清液体积经测量为0.11ml左右，这时沉降体积最大，分散稳定性最优。基液里的去离子水、渗透膜处理水、纳滤膜处理水都是由自来水处理后得到的，它们的区别是每种基液里包含的离子含量有差异，这体现了水中离子含量对分散剂的分散性能有影响。经过分析可知，自来水中的Ca、Mg、Cl、SO4等离子含量比较多时，会与羧甲基纤维素钠发生吸附结合，进而影响分散剂的分散性能。
3 小结
因为水的极性较大，而SiC粉体同样具有极性，易与水润湿及吸附，因此SiC可以分散在水中。但因SiC粒子的表面存在大量的吸附水、配位水、桥-OH基及非桥-OH基，而且水中也难免含有某些阳离子（Ca2+、Mg2+、Al3+等）和某些阴离子（Cl-、SO42-、PO43-等），这些离子会压缩双电层，使粉体Zeta电位降低，不利于粉体的分散，因此为了实现颗粒的充分分散，需要消除水中的有害离子。
自来水中含有二氯化物和Ca2+、Mg2+和Cl-，也会影响悬浮体中颗粒的团聚行为；
蒸馏水中根据蒸馏的程度也许会含有少量的氢离子和氧离子，能形成氢键，对SiC悬浮体中颗粒的团聚有一定的分散作用，但蒸馏水作为电解质的成本过高；
经膜处理后的自来水，Mn2+、Fe2+、Cl-等带电离子减少，但减少量取决于过滤的程度。
去离子水中仅有H+和OH-，只需加入不同分散剂即可吸附水中的H+或OH-，使分散剂中其他带电离子被SiC离子吸附，从而使得悬浮体里颗粒团聚的行为降低。
综合考虑，并经实验验证，以上几种备选纳米SiC水基液压介质基液中去离子水是最佳选择。
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