RÉSULTATS ET DISCUSSION

La figure 1A illustre que la contribution de la tribochargement est assez importante, en particulier pour les machines avec des pièces isolantes; un rotor simple avec des pales en polymère fonctionnant sur une autre surface en polymère peut chauffer ou même cesser de fonctionner en raison de l’augmentation du frottement par une charge accrue et une adhérence électrostatique entre les deux surfaces. En revanche, lorsque les charges sont éliminées à l’aide d’un pistolet à décharge corona, le chauffage local et la dissipation d’énergie sont réduits et la consommation d’énergie est réduite de ca. 66% (Fig. 1B).

Pour quantifier la charge par contact, les frottements concomitants et les économies d’énergie attendues lors du retrait de la charge, nous avons utilisé une configuration ”manuel » dans laquelle un objet solide en forme de cylindre est placé en haut d’un plan incliné et laissé glisser librement vers le bas, après quoi le corps est ramené à la position de départ et d’autres cycles de glissement sont répétés. Une pièce de bois cylindrique à base de film de polyéthylène téréphtalate (PET) glisse sur de la cellulose (comme le montre la Fig. 2A; voir aussi le film S2), dans le processus d’acquisition de tribocharges quantifiés à la Fig. 2B pour différents nombres de cycles de glissement (voir les Matériaux supplémentaires pour plus de détails sur les mesures de charge). L’ampleur des charges et les temps de glissement augmentent d’une course à l’autre, lors de la 19e descente, et le temps de glissement quadruple par rapport à la première descente. Dans une démonstration connexe, pour illustrer l’augmentation du coefficient de frottement, l’angle d’inclinaison à partir duquel le glissement commence augmente également avec les passages consécutifs (Fig. 2C). Cependant, lorsque les tribocharges sur les surfaces de glissement sont éliminées par un pistolet à décharge corona à Zérostat, le temps de glissement et le « décalage θ” reviennent à leurs valeurs d’origine lors du premier glissement (Fig. 2, B et C).

Avec ces exemples illustratifs, nous avons ensuite utilisé un testeur de friction (Testeur de friction avancé Hanatek) pour enregistrer le CoF(S) et le CoF(D) de paires de divers polymères couramment utilisés (voir les Matériaux supplémentaires pour plus de détails expérimentaux) pour des cycles de glissement horizontaux répétés. Des charges sur les pièces coulissantes ont également été enregistrées après chaque course. Comme nous nous y attendions, la densité de tribocharge et le CoF(D) ont augmenté pendant les séries consécutives (Fig. 3A), avec la relation mutuelle entre ces grandeurs quantifiée aux fig. S1 et S2. On remarque que le degré de transfert de matière entre les deux surfaces de glissement accompagnant le tribochargement (25) peut également affecter le CoF(D) mesuré (fig. S3). Ensuite, nous avons testé différentes méthodes de dissipation des tribocharges développées, à savoir le rinçage des surfaces en contact avec un solvant, une décharge corona, ou le recouvrement de l’arrière d’un ou des deux matériaux avec une couche d’un matériau conducteur mis à la terre à travers un fil (Fig. 3). Pour toutes ces approches et pour toutes les paires de polymères déchargées, le frottement n’a pas augmenté de manière significative lors de glissements répétés. Les données pour un glissement représentatif du PTFE sur la cellulose sont représentées à la Fig. 3 C à E). Lors de la mise à la terre avec un support métallique (Fig. 3D, points rouges), le CoF(D) au cours du 35e cycle de glissement n’était que de 9% supérieur à celui du premier cycle (Fig. 3E, points rouges), par rapport à une augmentation de plus de 50% lorsque le polymère n’est pas mis à la terre (Fig. 3E, points noirs). Nous notons ici que, pour des utilisations pratiques, la mise à la terre pourrait être la méthode la plus économique et la plus simple techniquement; cependant, nous avons constaté que la méthode de décharge corona est la meilleure méthode pour maintenir les coefficients de frottement au minimum, et que la méthode de rinçage à l’éthanol est la meilleure méthode pour éviter l’usure, probablement parce que cette méthode élimine également les débris formés lors du glissement (fig. S4). Notamment, bien qu’il n’y ait pas de changement substantiel de la cristallinité des polymères (fig. S5) avec ou sans élimination de tribocharge, nous avons détecté une diminution de l’étendue des changements tribochimiques (p. ex., oxydation et fluoration) avec élimination continue des tribocharges lors du glissement, par rapport aux cas où les charges étaient autorisées à s’accumuler sur les surfaces polymères (fig. S6).

Jusqu’à présent, nous avons montré certaines des méthodes de contrôle du frottement direct via la dissipation tribocharge. La tribochargement (et donc le frottement) peut également être contrôlé en manipulant des facteurs externes tels que l’atmosphère et l’humidité (29-31). Nous montrons brièvement l’effet de ces facteurs externes sur la tribochargement et le frottement dans les figs. S7 et S8. Nous montrons également l’effet de la polarité de charge nette (32) sur le CoF(D) dans un ensemble distinct d’expériences (fig. S9 et S10).

Comme nous l’avons dit précédemment, les corollaires les plus importants de ce travail se trouvent dans les différents types de systèmes mécaniques à pièces isolantes. Pour fournir une démonstration simple de la réduction des frottements dans un tel système, nous avons surveillé la rotation d’un roulement à billes avec une bague en plastique et des billes de verre avec et sans décharge continue, comme le montre la Fig. 4A. Sans aucune décharge, à 200 tr/ min, la résistance de la bague à la rotation, qui est mesurée par un capteur de pression de piézoélectrique attaché, augmente avec le temps de rotation (Fig. 4B; pour plus de détails, voir fig. S11). Nous avons montré que même un seul « coup” d’un pistolet à décharge corona diminue instantanément la force de frottement de 0,0125 à 0,0060 N lors du fonctionnement continu du roulement (Fig. 4B).

L’usure par frottement des contacts polymères peut également être réduite par l’élimination des charges de contact: Si la densité de charge acquise sur une pièce épaisse (0,5 cm) de chlorure de polyvinyle (PVC ; 2,5 cm × 2,5 cm) glissant à plusieurs reprises sur de la cellulose (20 cm × 25 cm, θ = 20°) est maintenue en dessous de -0,2 nC/cm2 par décharge couronne continue du plan de glissement, après 35 passages l’usure à la surface du PVC est réduite par rapport au cas où on laisse glisser la même pièce pendant 35 passages sans aucune décharge (ca. 100 lignes d’usure sur la même zone) (Fig. 4, C à F).

Enfin, pour montrer comment le retrait des tribocharges peut éventuellement minimiser la consommation d’énergie liée au frottement dans un appareil, nous avons construit un système simple mais illustratif: Nous avons fixé des lames d’alimentation de 0,2 mm d’épaisseur sur l’arbre d’un moteur électrique à courant continu (voir les Matériaux supplémentaires pour plus de détails expérimentaux). Lorsque les lames d’alimentation sont autorisées à entrer en contact avec une surface plane de cellulose, ce contact et ce glissement en rotation génèrent rapidement des tribocharges sur les deux surfaces polymères (Fig. 4G et film S1). En fonctionnement normal (dans lequel les charges sont autorisées à s’accumuler sur les aubes du bloc d’alimentation et sur la surface de la cellulose), le courant tiré par le moteur électrique à courant continu augmente (dans cet exemple illustré dans le film S1, de 83 à 220 mA), le moteur consomme environ 440 mW et, en raison des tribocharges et des frottements accrus entre les surfaces, la rotation s’arrête (Fig. 4H). À ce stade, si les surfaces en contact ont été déchargées corona, l’opération reprend avec une consommation d’énergie plus faible (83 mA, 166 mW, environ un tiers de la valeur mesurée pour un système de moteur « tribochargé”). Le frottement et la consommation d’énergie minimisés peuvent également être visualisés par des images thermiques du moteur fonctionnant en décharge continue (Fig. 4, I et J).