RISULTATI E DISCUSSIONE

la Figura 1A mostra che il contributo tribocharging è abbastanza consistente, soprattutto per le macchine con isolante parti; un semplice rotore con polimero lame in esecuzione su un’altra superficie di polimero può riscaldare o anche smettere di funzionare a causa del maggiore attrito attraverso una maggiore carica elettrostatica di adesione tra le due superfici. In netto contrasto, quando le cariche vengono rimosse utilizzando una pistola a scarica corona, il riscaldamento locale e la dissipazione dell’energia vengono ridotti e il consumo di energia viene abbassato di ca. 66% (Fig. 1 TER).

Per quantificare il contatto di ricarica, concomitante, l’attrito e il risparmio previsto sulla neutralizzazione, abbiamo utilizzato un “libro di testo” il programma di installazione in cui un solido a forma di cilindro oggetto è posto alla sommità di un piano inclinato e ha permesso di scorrere liberamente verso il basso, dopo che il corpo è spostato indietro alla posizione di partenza e più scorrevole di cicli ripetuti. Un pezzo di legno cilindrico con una base di pellicola di polietilene tereftalato (PET) scorre su cellulosa (come mostrato in Fig. 2 BIS; vedere anche film S2), nel processo di acquisizione tribocharges quantificati in Fig. 2B per diversi numeri di cicli di scorrimento (vedere i materiali supplementari per i dettagli sulle misure di carica). Sia l’entità delle cariche che i tempi di scorrimento aumentano da corsa a corsa, sulla 19a discesa, e il tempo di scorrimento quadruplica rispetto alla prima corsa. In una dimostrazione correlata , per illustrare l’aumento del coefficiente di attrito, l’angolo di inclinazione con cui inizia lo scorrimento aumenta anche con corse consecutive (Fig. 2 QUATER). Tuttavia, quando i tribocharges sulle superfici di scorrimento vengono eliminati da una pistola a scarica corona Zerostat, sia il tempo di scorrimento che il “θ offset” ritornano ai loro valori originali durante il primo scorrimento (Fig. 2, lettere B e C).

Con questi esempi, poi abbiamo usato un tester di attrito (Hanatek Avanzate di Attrito Tester) per registrare il CoF(S) e CoF(D) di coppie di varie comunemente utilizzati polimeri (vedi Materiali Supplementari per ulteriori dettagli sperimentali) per ripetute a scorrimento orizzontale cicli. Anche le cariche sui pezzi scorrevoli sono state registrate dopo ogni corsa. Come ci aspettavamo, sia la densità tribocharge che il CoF (D) sono aumentati durante le esecuzioni consecutive (Fig. 3A), con il rapporto reciproco tra queste quantità quantificate in fichi. S1 e S2. Notiamo che il grado di trasferimento del materiale tra le due superfici di scorrimento che accompagnano il tribocharging (25) può anche influenzare il COF misurato(D) (fig. S3). Successivamente, abbiamo testato vari metodi per dissipare i tribocharges sviluppati, vale a dire, risciacquare le superfici di contatto con un solvente, una scarica a corona o coprire il retro di uno o entrambi i materiali con uno strato di un materiale conduttivo messo a terra attraverso un filo (Fig. 3). Per tutti questi approcci e per tutte le coppie di polimeri scaricate, l’attrito non è aumentato in modo significativo a seguito di ripetute corse di scorrimento. I dati per un PTFE rappresentativo scorrevole su cellulosa sono mostrati in Fig. 3 (da C a E). Dopo la messa a terra con un supporto metallico (Fig. 3D, punti rossi), il CoF (D) durante il 35 ° ciclo di scorrimento era solo del 9% superiore rispetto alla prima corsa (Fig. 3E, punti rossi), rispetto ad un aumento di oltre il 50% quando il polimero non è collegato a terra (Fig. 3E, punti neri). Notiamo qui che, per usi pratici, la messa a terra potrebbe essere il metodo più economico e tecnicamente semplice; tuttavia, abbiamo scoperto che il metodo di scarica corona è il metodo migliore per mantenere i coefficienti di attrito al minimo e che il metodo di risciacquo con etanolo è il metodo migliore per prevenire l’usura, presumibilmente perché questo metodo rimuove anche i detriti formati durante lo scorrimento (fig. S4). In particolare, sebbene non vi sia alcun cambiamento sostanziale nella cristallinità dei polimeri (fig. S5) con o senza rimozione tribocharge, abbiamo rilevato una diminuzione nella misura cambiamenti tribochemical (ad esempio, ossidazione e fluorurazione) con rimozione continua di tribocharges a scorrimento, rispetto ai casi in cui le cariche sono state lasciate accumulare sulle superfici polimeriche (fig. S6).

Finora, abbiamo mostrato alcuni dei metodi di controllo dell’attrito diretto tramite dissipazione tribocharge. Il tribocharging (e quindi l’attrito) può anche essere controllato manipolando fattori esterni come atmosfera e umidità (29-31). Mostriamo brevemente l’effetto di questi fattori esterni sul tribocharging e sull’attrito nei fichi. S7 e S8. Mostriamo anche l’effetto della polarità di carica netta (32) sul CoF(D) in una serie separata di esperimenti (fig. S9 e S10).

Come abbiamo detto prima, i corollari più importanti di questo lavoro sono nei diversi tipi di sistemi meccanici con parti isolanti. Per fornire una semplice dimostrazione della riduzione dell’attrito in un tale sistema, abbiamo monitorato la rotazione di un cuscinetto a sfere con un anello di plastica e sfere di vetro con e senza scarico continuo, come mostrato in Fig. 4A. Senza alcuna scarica, a 200 giri / min, la resistenza dell’anello contro la rotazione, misurata da una cella di carico collegata, aumenta con il tempo di rotazione (Fig. 4B; per i dettagli, vedere fig. S11). Abbiamo dimostrato che anche un singolo” colpo ” di una pistola a scarica corona riduce istantaneamente la forza di attrito da 0,0125 a 0,0060 N durante il funzionamento continuo del cuscinetto (Fig. 4 TER).

L’usura da attrito nei contatti polimerici può anche essere ridotta eliminando le cariche di contatto: Se la densità di carica acquisita su un pezzo di polivinilcloruro di spessore (0,5 cm) (PVC; 2,5 cm × 2,5 cm) che è scivolato ripetutamente sulla cellulosa (20 cm × 25 cm, θ = 20°) viene mantenuta al di sotto di -0,2 nC / cm2 mediante scarico continuo a corona del piano di scorrimento, dopo 35 cicli l’usura sulla superficie del PVC è ridotta rispetto al caso in cui lo stesso pezzo è lasciato scorrere per 35 cicli senza alcuna scarica (ca. 100 linee di usura sulla stessa area) (Fig. 4, da C a F).

Infine, per mostrare come la rimozione di tribocharges possa eventualmente ridurre al minimo il consumo energetico correlato all’attrito in un dispositivo, abbiamo costruito un sistema semplice ma illustrativo: abbiamo attaccato lame PSU spesse 0,2 mm sull’albero di un motore elettrico a corrente continua (vedere i Materiali supplementari per ulteriori dettagli sperimentali). Quando le lame PSU possono entrare in contatto con una superficie di cellulosa piatta, questo contatto e lo scorrimento rotazionale generano rapidamente tribocharges su entrambe le superfici polimeriche (Fig. 4G e film S1). Durante il funzionamento normale (in cui le cariche possono accumularsi sulla PSU lame e sulla cellulosa superficie), la corrente assorbita dai motori elettrici a corrente continua aumenta (in questo esempio illustrato nel filmato S1, da 83 a 220 mA), il motore consuma circa 440 mW, e, a causa dell’aumento tribocharges e l’attrito tra le superfici, la rotazione si ferma (Fig. 4H). A questo punto, se le superfici di contatto sono state scaricate a corona, l’operazione riprende con un minor consumo energetico (83 mA, 166 mW, circa un terzo del valore misurato per il sistema motorio “tribocharged”). L’attrito ridotto al minimo e il consumo di energia possono essere visualizzati anche da immagini termiche del motore che lavora in scarico continuo (Fig. 4, I e J).