RESULTADOS Y DISCUSIÓN

La figura 1A ilustra que la contribución de la carga de tributos es bastante sustancial, especialmente para máquinas con partes aislantes; un rotor simple con cuchillas de polímero que funcionan en otra superficie de polímero puede calentarse o incluso dejar de funcionar debido al aumento de la fricción a través de una mayor carga y adhesión electrostática entre las dos superficies. En contraste agudo, cuando las cargas se eliminan mediante el uso de una pistola de descarga de corona, la disipación de energía y el calentamiento local se reducen, y el consumo de energía se reduce en aprox. 66% (Fig. 1B).

Para cuantificar la carga por contacto, la fricción concomitante y el ahorro de energía esperado al retirar la carga, utilizamos una configuración de» libro de texto » en la que se coloca un objeto sólido en forma de cilindro en la parte superior de un plano inclinado y se le permite deslizarse libremente hacia la parte inferior, después de lo cual el cuerpo se mueve de nuevo a la posición inicial y se repiten más ciclos de deslizamiento. Una pieza de madera cilíndrica con una base de película de tereftalato de polietileno (PET) se desliza sobre celulosa (como se muestra en la Fig. 2A; véase también la película S2), en el proceso de adquisición de tribocompresores cuantificados en la Fig. 2B para diferentes números de ciclos de deslizamiento (consulte los Materiales suplementarios para obtener detalles sobre las mediciones de carga). Tanto la magnitud de las cargas como los tiempos de deslizamiento aumentan de carrera en carrera, en el tobogán cuesta abajo 19, y el tiempo de deslizamiento se cuadruplica en comparación con la primera carrera. En una demostración relacionada, para ilustrar el aumento del coeficiente de fricción , el ángulo de inclinación en el que comienza el deslizamiento también aumenta con carreras consecutivas (Fig. 2C). Sin embargo, cuando los tribocargadores en las superficies deslizantes son eliminados por una pistola de descarga de corona Zerostat, tanto el tiempo de deslizamiento como el «desplazamiento θ» vuelven a sus valores originales durante el primer deslizamiento (Fig. 2, B y C).

Con estos ejemplos ilustrativos, utilizamos un comprobador de fricción (Comprobador de fricción avanzado de Hanatek) para registrar el CoF(S) y el CoF(D) de pares de varios polímeros de uso común (consulte los Materiales Suplementarios para obtener más detalles experimentales) para ciclos de deslizamiento horizontales repetidos. Las cargas en las piezas deslizantes también se registraron después de cada carrera. Como esperábamos, tanto la densidad de tribocarga como el CoF(D) aumentaron durante corridas consecutivas (Fig. 3A), con la relación mutua entre estas cantidades cuantificada en figs. S1 y S2. Observamos que el grado de transferencia de material entre las dos superficies deslizantes que acompañan al tribocompresor (25) también puede afectar al CoF(D) medido (fig. S3). A continuación, probamos varios métodos para disipar los tribocargadores desarrollados, a saber, enjuagar las superficies de contacto con un solvente, una descarga de corona o cubrir la parte posterior de uno o ambos materiales con una capa de un material conductor conectado a tierra a través de un cable (Fig. 3). Para todos estos acercamientos y para todos los pares de polímeros descargados, la fricción no aumentó significativamente en los recorridos de deslizamiento repetidos. Los datos de un deslizamiento representativo de PTFE sobre celulosa se muestran en la Fig. 3 C a E). Al poner a tierra con un respaldo de metal (Fig. 3D, puntos rojos), el CoF(D) durante el ciclo de deslizamiento 35 fue solo un 9% más alto que durante la primera carrera (Fig. 3E, puntos rojos), en comparación con un aumento de más del 50% cuando el polímero no está conectado a tierra (Fig. 3E, puntos negros). Observamos aquí que, para usos prácticos, la conexión a tierra podría ser el método más económico y técnicamente sencillo; sin embargo, encontramos que el método de descarga de corona es el mejor método para mantener los coeficientes de fricción al mínimo, y que el método de enjuague con etanol es el mejor método para evitar el desgaste, presumiblemente porque este método también elimina los residuos formados durante el deslizamiento (fig. S4). En particular, aunque no hay cambios sustanciales en la cristalinidad de los polímeros (fig. S5) con o sin eliminación de tribocarga, se detectó una disminución en el alcance de los cambios triboquímicos (p. ej., oxidación y fluoración) con eliminación continua de tribocompresores al deslizarse, en comparación con los casos en que se permitió que las cargas se acumularan en las superficies de polímero (fig. S6).

Hasta ahora, mostramos algunos de los métodos de control de fricción directa a través de disipación tribocargada. La carga de tributos (y, por lo tanto, la fricción) también se puede controlar manipulando factores externos como la atmósfera y la humedad (29-31). Mostramos brevemente el efecto de estos factores externos en la carga de tributos y la fricción en higos. S7 y S8. También mostramos el efecto de la polaridad de carga neta (32) en el CoF(D) en un conjunto separado de experimentos (figs. S9 y S10).

Como dijimos anteriormente, los corolarios más importantes de este trabajo están en los diferentes tipos de sistemas mecánicos con piezas aislantes. Para proporcionar una demostración sencilla de la reducción de la fricción en un sistema de este tipo, monitorizamos la rotación de un rodamiento de bolas con un anillo de plástico y bolas de vidrio con y sin descarga continua, como se muestra en la Fig. 4A. Sin ninguna descarga, a 200 rpm, la resistencia del anillo contra la rotación, que se mide mediante una celda de carga adjunta, aumenta con el tiempo de rotación (Fig. 4B; para más detalles, véase la fig. S11). Mostramos que incluso un solo «disparo» de una pistola de descarga de corona disminuye instantáneamente la fuerza de fricción de 0,0125 a 0,0060 N al operar de forma continua el rodamiento (Fig. 4B).

El desgaste iniciado por fricción en los contactos poliméricos también se puede reducir mediante la eliminación de las cargas de contacto: Si la densidad de carga adquirida en una pieza gruesa (0,5 cm) de cloruro de polivinilo (PVC; 2,5 cm × 2,5 cm) que se desliza repetidamente sobre celulosa (20 cm × 25 cm, θ = 20°) se mantiene por debajo de -0,2 nC/cm2 mediante descarga continua de corona del plano deslizante, después de 35 corridas, el desgaste en la superficie de PVC se reduce en comparación con el caso en el que se permite que la misma pieza se deslice durante 35 corridas sin descarga (ca. 100 líneas de desgaste en la misma zona) (Fig. 4, C a F).

Por último, para mostrar cómo la eliminación de los tribocargadores puede minimizar el consumo de energía relacionado con la fricción en un dispositivo, construimos un sistema simple pero ilustrativo: Fijamos cuchillas de fuente de alimentación de 0,2 mm de espesor en el eje de un motor eléctrico de CC (consulte los Materiales suplementarios para obtener más detalles experimentales). Cuando se permite que las cuchillas de la fuente de alimentación entren en contacto con una superficie plana de celulosa, este deslizamiento de contacto y rotación genera rápidamente tribocompresores en ambas superficies de polímero (Fig. 4G y movie S1). Durante el funcionamiento normal (en el que se permite que las cargas se acumulen en las hojas de la fuente de alimentación y en la superficie de celulosa), la corriente extraída por el motor eléctrico de CC aumenta (en este ejemplo que se muestra en la película S1, de 83 a 220 mA), el motor consume aproximadamente 440 mW y, debido al aumento de los tribocargadores y la fricción entre las superficies, la rotación se detiene (Fig. 4 H). En este punto, si las superficies de contacto se descargaron con corona, la operación se reanuda con un menor consumo de energía (83 mA, 166 mW, aproximadamente un tercio del valor medido para el sistema de motor «tribocargado»). La fricción y el consumo de energía minimizados también se pueden visualizar mediante imágenes térmicas del motor que funciona bajo descarga continua (Fig. 4, I y J).