RESULTATEN EN DISCUSSIE

Figuur 1A laat zien dat de bijdrage van tribocharging is heel groot, vooral voor machines met isolator delen; een eenvoudige rotor met kunststof schoepen worden uitgevoerd op een ander polymeer oppervlak kan de warmte of zelfs stoppen met werken omdat er steeds meer wrijving door meer opladen en elektrostatische ontlading tussen de twee oppervlakken. In scherp contrast, wanneer de ladingen worden verwijderd met behulp van een Corona-ontladingspistool, worden de lokale verwarming en energiedissipatie verminderd en wordt het energieverbruik met ca. 66% (Fig. 1 ter).

om het opladen van contact, gelijktijdige wrijving en de verwachte vermogensbesparingen bij het verwijderen van de lading te kwantificeren, gebruikten we een” leerboek ” -opstelling waarin een massief cilindervormig object boven in een hellend vlak wordt geplaatst en vrij naar de bodem kan glijden, waarna het lichaam terug naar de startpositie wordt verplaatst en meer glijcycli worden herhaald. Een cilindrisch stuk hout met een polyethyleentereftalaat – (PET -) folie-basisglaasjes op cellulose (zoals afgebeeld in Fig. 2A; zie ook film S2), in het proces verwerven tribocharges gekwantificeerd in Fig. 2B voor verschillende aantallen schuifcycli (zie de aanvullende materialen voor details over ladingsmetingen). Zowel de omvang van de ladingen en de glijdende tijden stijgen van run naar run, op de 19e afdaling glijbaan, en de glijdende tijd verviervoudigt in vergelijking met de eerste run. In een verwante demonstratie, om de toename van de wrijvingscoëfficiënt te illustreren, neemt de hellingshoek waarbij het glijden begint ook toe met opeenvolgende runs (Fig. 2C). Echter, wanneer de tribocharges op de glijvlakken worden geëlimineerd door een zerostat corona ontlading Pistool, zowel de glijtijd en de “θ offset” terug naar hun oorspronkelijke waarden tijdens de eerste glijden (Fig. 2, B en C).

Met deze illustratieve voorbeelden gebruikten we een wrijvingstester (Hanatek Advanced Friction Tester) om de CoF(S) en CoF(D) van paren van verschillende veelgebruikte polymeren op te nemen (zie de aanvullende materialen voor verdere experimentele details) voor herhaalde horizontale glijcycli. De ladingen op de glijstukken werden ook geregistreerd na elke run. Zoals we verwacht hadden, namen zowel tribocharge dichtheid als CoF(D) toe tijdens opeenvolgende runs (Fig. 3A), waarbij de onderlinge verhouding tussen deze hoeveelheden in vijgen wordt gekwantificeerd. S1 en S2. Wij merken op dat de mate van materiaaloverdracht tussen de twee glijvlakken bij tribocharging (25) ook van invloed kan zijn op de gemeten CoF(D) (fig. S3). Vervolgens hebben we verschillende methoden getest om de ontwikkelde tribocharges af te voeren, namelijk het spoelen van de contactvlakken met een oplosmiddel, corona-ontlading of het bedekken van de achterkant van een of beide materialen met een laag geleidend materiaal geaard door een draad (Fig. 3). Voor al deze benaderingen en voor alle afgevoerde polymeerparen nam de wrijving niet significant toe bij herhaalde glijbanen. De gegevens voor een representatieve PTFE die op cellulose schuift, zijn weergegeven in Fig. 3 (C tot en met E). Bij aarding met metaal backing (vijg. 3D, red dots), was de CoF (D) tijdens de 35ste glijcyclus slechts 9% hoger dan tijdens de eerste run (Fig. 3E, rode stippen), vergeleken met een toename van meer dan 50% wanneer het polymeer niet geaard is (Fig. 3E, zwarte stippen). Wij merken hier op dat, Voor praktisch gebruik, aarding de meest economische en technisch eenvoudige methode zou kunnen zijn; we vonden echter dat de corona-ontladingsmethode de beste methode is om wrijvingscoëfficiënten tot een minimum te beperken en dat de ethanol-spoelmethode de beste methode is om slijtage te voorkomen, vermoedelijk omdat deze methode ook het tijdens het glijden gevormde puin verwijdert (fig. S4). Met name, hoewel er geen wezenlijke verandering is in de kristalliniteit van polymeren (fig. S5) met of zonder tribocharge-verwijdering, ontdekten we een afname in de mate van tribochemische veranderingen (bijv. oxidatie en fluorering) met continue verwijdering van tribocharges bij het glijden, in vergelijking met de gevallen waarin de ladingen zich op de polymeeroppervlakken mochten ophopen (fig. S6).

tot nu toe hebben we enkele van de directe wrijvingsbesturingsmethoden via tribocharge dissipatie laten zien. Tribocharging (en dus wrijving) kan ook worden geregeld door het manipuleren van externe factoren zoals atmosfeer en vochtigheid (29-31). We tonen kort het effect van deze externe factoren op tribocharging en wrijving in vijgen. S7 en S8. We tonen ook het effect van de netto ladingspolariteit (32) op het CoF(D) in een aparte reeks experimenten (Fig. S9 en S10).

zoals we eerder hebben gezegd, zijn de belangrijkste corollaries van dit werk in de verschillende soorten mechanische systemen met isolerende delen. Om een eenvoudige demonstratie van het verminderen van wrijving in een dergelijk systeem te bieden, hebben we de rotatie van een kogellager met een plastic ring en glazen ballen met en zonder een continue ontlading gecontroleerd, zoals weergegeven in Fig. 4A. zonder enige ontlading, bij 200 rpm, neemt de weerstand van de ring tegen rotatie, die wordt gemeten door een aangehechte ladingcel, toe met rotatietijd (Fig. 4B; zie fig. S11). We toonden aan dat zelfs een enkel “schot” van een Corona-afvoerpistool de wrijvingskracht onmiddellijk vermindert van 0,0125 tot 0,0060 N bij continu gebruik van het lager (Fig. 4B).

door wrijving veroorzaakte slijtage in polymere contacten kan ook worden verminderd door het elimineren van contactladingen: Als de verkregen ladingsdichtheid op een dik (0,5 cm) stuk polyvinylchloride (PVC; 2,5 cm × 2,5 cm) dat herhaaldelijk gleed op cellulose (20 cm × 25 cm, θ = 20°) wordt gehouden onder -0,2 nC/cm2 door continue corona ontlading van het glijvlak, na 35 runs de slijtage aan het PVC-oppervlak wordt verminderd in vergelijking met het geval waarin hetzelfde stuk mag glijden voor 35 runs zonder enige ontlading (ca. 100 slijtlijnen op hetzelfde gebied) (vijg. 4, C tot en met F).om te laten zien hoe het verwijderen van tribocharges uiteindelijk het wrijvingsgerelateerde energieverbruik in een apparaat kan minimaliseren, hebben we een eenvoudig maar illustratief systeem geconstrueerd: we hebben 0,2 mm dikke PSU-bladen op de as van een DC-elektromotor bevestigd (zie de aanvullende materialen voor verdere experimentele details). Wanneer PSU-bladen in contact mogen komen met een vlak celluloseoppervlak, genereert dit contact en rotatieverschuiving snel tribocharges op beide polymeeroppervlakken (Fig. 4G en film S1). Bij normaal bedrijf (waarbij de ladingen zich op PSU-bladen en op het celluloseoppervlak mogen ophopen) neemt de stroom die door de DC-elektromotor wordt getrokken toe (in dit voorbeeld in film S1, van 83 tot 220 mA), verbruikt de motor ongeveer 440 mW en, vanwege de verhoogde tribocharges en wrijving tussen de oppervlakken, stopt de rotatie (Fig. 4H). Op dit punt, als de contactvlakken corona werden ontladen, dan wordt de operatie hervat met een lager energieverbruik (83 mA, 166 mW, ongeveer een derde van de waarde gemeten voor “tribocharged” motorsysteem). De geminimaliseerde wrijving en het energieverbruik kunnen ook worden gevisualiseerd door thermische beelden van de motor die onder continu ontladen werkt (Fig. 4, I en J).