ERGEBNISSE UND DISKUSSION

Abbildung 1A zeigt, dass der Beitrag der Triaufladung insbesondere für Maschinen mit Isolatorteilen recht erheblich ist; Ein einfacher Rotor mit Polymerklingen, die auf einer anderen Polymeroberfläche laufen, kann sich aufgrund zunehmender Reibung durch erhöhte Aufladung und elektrostatische Haftung zwischen den beiden Oberflächen erwärmen oder sogar den Betrieb einstellen. Im scharfen Gegensatz dazu werden beim Entfernen der Ladungen durch Verwendung einer Koronaentladungspistole die lokale Erwärmung und die Energiedissipation reduziert und der Energieverbrauch um ca. 66% (Abb. 1B).

Um die Kontaktaufladung, die damit einhergehende Reibung und die beim Entfernen der Ladung zu erwartenden Energieeinsparungen zu quantifizieren, haben wir ein „Lehrbuch“ -Setup verwendet, bei dem ein festes zylinderförmiges Objekt oben auf einer schiefen Ebene platziert wird und frei nach unten gleiten kann. Ein zylindrisches Holzstück mit einer Polyethylenterephthalat (PET) -Folienbasis gleitet auf Cellulose (wie in Abb. 2A; siehe auch Film S2), bei dem in Fig. 2B für eine unterschiedliche Anzahl von Gleitzyklen (Einzelheiten zu Ladungsmessungen finden Sie in den ergänzenden Materialien). Sowohl die Höhe der Ladungen als auch die Gleitzeiten nehmen von Lauf zu Lauf auf der 19. Abfahrt zu, und die Gleitzeit vervierfacht sich im Vergleich zum ersten Lauf. In einer verwandten Demonstration wird zur Veranschaulichung der Erhöhung des Reibungskoeffizienten auch der Neigungswinkel, bei dem das Gleiten beginnt, mit aufeinanderfolgenden Läufen erhöht (Fig. 2C). Wenn jedoch die Triboaufladungen auf den Gleitflächen durch eine Nulstat-Koronaentladungspistole beseitigt werden, kehren sowohl die Gleitzeit als auch der „θ-Offset“ während des ersten Gleitens auf ihre ursprünglichen Werte zurück (Abb. 2, B und C).

Mit diesen anschaulichen Beispielen haben wir dann einen Reibungstester (Hanatek Advanced Friction Tester) verwendet, um die CoF (S) und CoF(D) von Paaren verschiedener häufig verwendeter Polymere (siehe die ergänzenden Materialien für weitere experimentelle Details) für wiederholte horizontale Gleitzyklen aufzuzeichnen. Ladungen an den Gleitstücken wurden ebenfalls nach jedem Lauf aufgezeichnet. Wie wir erwartet hatten, nahmen sowohl die Tribochargedichte als auch der CoF (D) während aufeinanderfolgender Läufe zu (Abb. 3A), wobei die in Fig. S1 und S2. Es ist anzumerken, dass der Grad des Materialtransfers zwischen den beiden Gleitflächen, der mit der Triboaufladung (25) einhergeht, auch den gemessenen CoF (D) beeinflussen kann (Abb. S3). Als nächstes testeten wir verschiedene Methoden zur Ableitung der entwickelten Tribochargen, nämlich das Spülen der Kontaktflächen mit einem Lösungsmittel, die Koronaentladung oder das Abdecken der Rückseite eines oder beider Materialien mit einer Schicht eines leitfähigen Materials, das durch einen Draht geerdet ist (Abb. 3). Für alle diese Ansätze und für alle ausgetragenen Polymerpaare nahm die Reibung bei wiederholten Gleitläufen nicht signifikant zu. Daten für ein repräsentatives PTFE-Gleitmittel auf Cellulose sind in Fig. 3 (C bis E). Bei Erdung mit einem Metallträger (Abb. 3D, rote Punkte) war der CoF(D) während des 35. Gleitzyklus nur um 9% höher als beim ersten Lauf (Abb. 3E, rote Punkte), verglichen mit einem Anstieg von mehr als 50%, wenn das Polymer nicht geerdet ist (Abb. 3E, schwarze Punkte). Wir stellen hier fest, dass, für den praktischen Einsatz, Erdung könnte die wirtschaftlichste und technisch einfachste Methode sein; wir haben jedoch festgestellt, dass die Koronaentladungsmethode die beste Methode ist, um die Reibungskoeffizienten auf einem Minimum zu halten, und dass die Ethanol-Spülmethode die beste Methode ist, um Verschleiß zu verhindern, vermutlich weil diese Methode auch den beim Gleiten gebildeten Schmutz entfernt (Abb. S4). Bemerkenswerterweise ändert sich die Kristallinität von Polymeren zwar nicht wesentlich (Abb. S5) mit oder ohne Tribocharge-Entfernung konnten wir eine Abnahme des Ausmaßes tribochemischer Veränderungen (z., oxidation und Fluorierung) mit kontinuierlicher Entfernung von Triboladungen beim Gleiten, im Vergleich zu den Fällen, in denen sich die Ladungen auf den Polymeroberflächen ansammeln durften (Abb. S6).

Bisher haben wir einige der direkten Reibungskontrollmethoden über Tribocharge Dissipation gezeigt. Tribocharging (und folglich Reibung) kann auch gesteuert werden, indem man externe Faktoren wie Atmosphäre und Feuchtigkeit manipuliert (29-31). Wir zeigen kurz die Wirkung dieser externen Faktoren auf tribocharging und Reibung in Fig. S7 und S8. Wir zeigen auch den Effekt der Nettoladungspolarität (32) auf den CoF (D) in einem separaten Versuchssatz (Abb. S9 und S10).

Wie bereits erwähnt, liegen die wichtigsten Folgerungen dieser Arbeit in den verschiedenen Arten von mechanischen Systemen mit isolierenden Teilen. Um die Reibungsreduzierung in einem solchen System einfach zu demonstrieren, haben wir die Rotation eines Kugellagers mit einem Kunststoffring und Glaskugeln mit und ohne kontinuierliche Entladung überwacht, wie in Abb. 4A. Ohne Entladung nimmt bei 200 U / min der Widerstand des Rings gegen Drehung, der von einer angebrachten Wägezelle gemessen wird, mit der Rotationszeit zu (Abb. 4B; Einzelheiten siehe Fig. S11). Wir haben gezeigt, dass selbst ein einziger „Schuss“ einer Koronaentladungspistole die Reibungskraft bei kontinuierlichem Betrieb des Lagers sofort von 0,0125 auf 0,0060 N verringert (Abb. 4B).

Reibungsbedingter Verschleiß bei polymeren Kontakten kann auch durch den Wegfall von Kontaktladungen reduziert werden: Wenn die erfasste Ladungsdichte an einem dicken (0,5 cm) Stück Polyvinylchlorid (PVC; 2,5 cm × 2,5 cm), das wiederholt auf Cellulose (20 cm × 25 cm, θ = 20°) gleitet, durch kontinuierliche Koronaentladung der Gleitebene unter -0,2 nC/cm 2 gehalten wird, verringert sich nach 35 Durchläufen der Verschleiß an der PVC-Oberfläche im Vergleich zu dem Fall, in dem dasselbe Stück 35 Durchläufe lang ohne Entladung gleiten darf (ca. 100 Verschleißlinien auf der gleichen Fläche) (Abb. 4, C bis F).

Um zu zeigen, wie die Entfernung von Tribochargen letztendlich den reibungsbedingten Energieverbrauch in einem Gerät minimieren kann, konstruierten wir ein einfaches, aber anschauliches System: Wir befestigten 0,2 mm dicke PSU-Schaufeln auf der Welle eines DC-Elektromotors (siehe die ergänzenden Materialien für weitere experimentelle Details). Wenn PSU-Schaufeln mit einer ebenen Zelluloseoberfläche in Kontakt kommen dürfen, erzeugt dieser Kontakt und das Rotationsgleiten schnell Triboaufladungen auf beiden Polymeroberflächen (Abb. 4G und Galaxy S1). Während des normalen Betriebs (bei dem sich die Ladungen auf den Netzteilschaufeln und auf der Zelluloseoberfläche ansammeln dürfen) steigt der vom Gleichstrom-Elektromotor aufgenommene Strom an (in diesem in Film S1 gezeigten Beispiel von 83 auf 220 mA), der Motor verbraucht etwa 440 mW, und aufgrund der erhöhten Triboaufladung und Reibung zwischen den Oberflächen stoppt die Drehung (Abb. 4H). Wenn zu diesem Zeitpunkt die Kontaktflächen koronaentladen waren, wird der Betrieb mit geringerem Energieverbrauch fortgesetzt (83 mA, 166 mW, etwa ein Drittel des für das „Tribocharged“ -Motorsystem gemessenen Wertes). Die minimierte Reibung und der Energieverbrauch können auch durch Wärmebilder des Motors visualisiert werden, der unter kontinuierlicher Entladung arbeitet (Abb. 4, I und J).