剪切稳定性指数

剪切稳定性指数（精选3篇）

剪切稳定性指数 篇1

随着发动机向高效率、宽跨度、大功率等方面的发展, 对油品的要求也越来越严格, 作为改进油品粘温性能的重要添加剂——黏度指数改进剂也有了更高、更严格的要求[1]。其中乙丙共聚物黏度指数改进剂 (OCP) 以其较高的稠化能力、稳定的剪切性能, 较好的低温性能等一系列条件得到了广泛应用[2]。

虽然乙丙共聚物黏度指数改进剂 (OCP) 的发展取得了一定成绩, 但是其部分性能已不能满足日趋进步的发动机发展要求了, 特别是剪切稳定性已成为制约乙丙共聚物黏度指数改进剂 (OCP) 发展的重要因素[3]。目前改善黏度指数改进剂剪切稳定性的方法主要有两种:一是化学方法, 通过降低橡胶分子量来实现, 如在加工过程中通入氧气、氮气、加入添加剂等改变高聚物分子量及组成[4], 但是, 技术实现困难, 投资较大, 对环境造成一定危害。二是物理方法, 是通过改善黏度指数改进剂的结构稳定性来提高剪切稳定性, 不仅可以使OCP保持较高的稠化能力而且具有较好的剪切稳定性[5]。

为了实现乙丙共聚物黏度指数改进剂 (OCP) 的剪切稳定性得到进一步改进, 减小投资及对环境依赖, 寻求安全、简单、稳定的改进技术[6], 我们研究在其生产工艺中采用均质机在较高均质压力下将乙丙共聚物黏度指数改进剂 (OCP) 胶液进行均质, 所得产品进行数据测量, 剪切稳定性得到了改善, 质量符合国家标准[7], 满足工业生产需求。

1 原料性质及实验仪器

本实验采用的原材料主要为乙丙胶和基础油两大类, 乙丙胶来自国内外, 基础油来自兰州石化, 具体指标见表1～2。

实验仪器:JZG型均质机, 上海嘉格轻工机械设备有限公司;10m3热偶反应釜, 莱州新金化工机械厂。

2 实验方案

2.1 实验原理

溶于基础油的乙丙胶大分子在较高的温度下分子链处于伸展状态, 并且在高压下进入均质机的间隙阀件时获得了极高的流速, 因此在均质阀里形成一个巨大的压力跌, 在空穴效应、湍流和剪切力的多种作用下, 过长链大分子被作用力加工成较短的、均匀的分子从而形成均匀稳定的油溶性分子[8], 表现在黏度的下降及剪切稳定性的优化方面。

2.2 实验方法

将乙丙胶切成50mm×50mm×250mm的胶条, 按照不同的橡胶配比及基础油比例, 见表3, 加入到注有基础油的热偶反应釜中, 降解反应温度控制在160℃, 搅拌6h, 得到不同黏度的乙丙共聚物黏度指数改进剂 (OCP) 胶液, 再经过不同压力下的均质机均质后, 用HVI150基础油进行调制, 测量均质前后柴油喷嘴剪切稳定性数据, 对比剪切稳定性变化情况。

3 结果与讨论

3.1 均质机应用对低黏度产品剪切稳定性的影响

低黏度乙丙共聚物黏度指数改进剂 (OCP) 对油品的黏度性能影响较小, 应用较为广泛。因此, 考察温度为130℃, 100℃运动黏度为986mm2/s, 稠化能力0.5, 剪切稳定性指数24.58的胶液样品经过不同均质压力均质后产品剪切稳定性的变化, 见表4。

由表4可以看出, 随着均质机均质压力的升高, 剪切稳定性指数呈下降趋势, 向有利方向发展, 且均质压力越大下降幅度越大, 产品剪切稳定性越优良, 同时黏度及稠化能力也呈下降趋势, 向不利方向发展。剪切稳定性随着压力的增加, 下降幅度较小。这是因为胶液中乙丙橡胶大分子在均质机均质阀内多种作用力下, 大分子被剪切成为较小的分子, 但是由于黏度较小, 分子通过均质阀速度较快, 因此虽然剪切等数据下降, 但是幅度较小, 剪切效果作用不明显。当压力大于40MPa时, 产品的黏度及稠化能力下降严重, 稠化能力就不能满足产品性能需求。因此, 对低黏度乙丙共聚物黏度指数改进剂 (OCP) 最佳均质压力为40MPa, 此时剪切稳定性指数下降1.45个单位。

3.2 均质机应用对中黏度产品剪切稳定性的影响

中黏度乙丙共聚物黏度指数改进剂 (OCP) 黏度较大, 剪切稳定性相对较差, 因此, 考察温度为130℃, 100℃运动黏度为1334mm2/s, 稠化能力0.55, 剪切稳定性指数30.21的胶液样品经过不同均质压力均质后产品剪切稳定性的变化, 见表5。

由表5可以看出, 随着均质压力的增加, 剪切稳定性呈下降趋势, 且下降幅度逐步增大, 这是由于胶液中乙丙胶分子在均质阀内各种作用力下被剪切为较整齐的分子, 而且随着压力的增加, 作用力增大, 分子剪切的深度也随之增大, 导致测量指标下降。但是, 当均质压力大于40MPa时, 稠化能力下降, 产品质量不合格, 因此, 最佳均质压力为40MPa, 此时剪切下降约2.08个单位, 满足产品性能。

3.3 均质机应用对高黏度产品剪切稳定性的影响

高黏度乙丙共聚物黏度指数改进剂 (OCP) 以其高效的性能得到了市场的青睐。因此, 考察温度为130℃, 100℃运动黏度为4036mm2/s, 稠化能力0.91, 剪切稳定性指数20.89的胶液样品经过不同均质压力均质后产品剪切稳定性的变化, 见表6。

由表6可以看出, 随着均质压力的升高, 剪切稳定性呈下降趋势, 且下降幅度不断增加, 是因为高分子的长链被均质压力破坏, 导致分子长链变短且更加均匀, 剪切稳定性良好。但在60MPa时下降幅度有所缓和, 说明均质机对剪切稳定性作用是有条件的, 分子本身是决定增粘剂的剪切稳定性的根本因素, 同时在60MPa时, 稠化能力小于0.85, 达不到国家标准。因此, 对高黏度产品均质压力应控制在50MPa, 此时剪切稳定性指数下降3.83个单位。

4 结论

1) 均质机作用的对象为高分子聚合物, 均质机的高压均质改变了高分子的分子链长度, 从而优化了剪切稳定性能。

2) 均质机对低、中、高黏度胶液作用剪切稳定性指数分别下降1.45、2.09、3.83个单位, 说明均质机对高黏度增粘剂的作用效果较佳。

3) 均质机对乙丙共聚物黏度指数改进剂 (OCP) 胶液均质后, 产品黏度及稠化能力也有所下降, 说明均质机对黏度及稠化能力有反作用, 但对改进剪切稳定性指数的积极作用价值更高。

4) 采用均质机改善产品性能为生产选胶、降低成本提供数据保障, 同时该方法操作简单, 易于推广, 在工业上具有较大应用前景。

参考文献

[1]张景河, 韩长宁.现代润滑与添加剂[M].北京:中国石化出版社, 1991:236-278.

[2]赵兴发.乙丙共聚物制润滑油粘度指数改进剂的研究[J].应用化学, 1998.

[3]向文成.分散型乙丙共聚物粘度指数改进剂[J].润滑油, 2003, 16 (3) :22-25.

[4]乔红斌.润滑油用乙丙共聚物粘度指数改进剂的制备[J].润滑与密封, 2009 (9) .

[5]陈德宏.乙丙共聚物粘度指数改进剂产品行业标准的新发展[J].润滑油, 2003, 18 (3) :22-23.

[6]王国金.粘度指数改进剂结构与性能之间的关系[J].石油商技, 1997, 15 (3) :9-4.

[7]潘祖仁.高分子化学[M].化学工业出版社, 2005.

[8]蓝立文.高分子物理.西安:西北工业大学出版社, 1993:14-204.

剪切稳定性指数 篇2

现代民用飞机机翼盒段翼肋腹板上, 由于系统设备管路的通过, 必不可少的会有一些开孔。有些开孔的尺寸比较大, 甚至达到了宽度的80%。现代工艺上, 翼肋多采用整体机加制造而成, 开孔也采用整体机加的环形加强。

而现有的资料上, 仅仅针对采用铆钉将环形加强板连接到开孔周边的加强形式有计算方法, 对整体机加上去的开孔环形板加强, 尚无公开发表的方法。

本文从腹板剪切稳定性角度出发, 采用有限元计算分析方法, 对剪切屈曲系数Ks进行修正。K0为不带孔的板剪切屈曲系数, K为开孔加强后的剪切屈曲系数, 为保证开孔加强后稳定性与不开孔的板保持一致, 要求K>K0。

无开孔肋腹板的稳定性计算

肋腹板主要承受剪切载荷, 在肋腹板材料的弹性范围内, 其临界失稳应力按矩形平板在均匀剪切载荷作用下失稳临界应力计算, 按公式 (1) 计算。

式中:

(τcr) e—弹性屈曲临界应力, MPa;

Ks—剪切屈曲系数, 是h/d (h、d分别为肋缘条形心之间的肋高度与支柱间距, 即所计算腹板的长和宽, d为小值) 比值和由支柱及凸缘提供的边缘约束的函数;

μ—肋腹板材料的弹性泊松比;

t—肋腹板厚度, mm;

E—肋腹板材料的弹性模量, MPa。

四边简支矩形平板的剪切屈曲系数Ks见表1, 如果实际结构的h/d值与表中给出的比值不对应, 可在表中相邻的比值间按线性插值确定其剪切屈曲系数Ks。

若按公式 (1) 求得的临界应力超过肋腹板材料的剪切比例极限, 须按照公式 (2) 进行塑性修正。

式中:

η—塑性修正系数;

(τcr) p—塑性屈曲临界应力, MPa。

3.边界约束方式的校对

对未开孔板施加四边简支约束后进行有限元分析, 得到弹性屈曲临界应力计算值, 与按照公式 (1) 、 (2) 计算得到的理论值进行比较, 结果见表2。

由表2可以看出, 边界约束与力的施加方式可以接受。

开孔剪切板环形加强方案分析

采用上个章节中的边界约束与力的施加方式, 分析开孔加强后, 为保证K>K0, 所需要的环形加强边宽度w与环形加强边厚度H的关系。

现对参数进行说明, 参见图1所示。

H:环形加强边的厚度;

w:环形加强边的宽度;

t:肋腹板厚度;

D:开孔直径;

b:肋腹板宽度;

h:肋腹板高度。

考虑腹板厚度的变化对结果的影响。t=1mm及t=2mm时, 结果见表3和表4。

结果表明, 腹板自身厚度的变化对结果影响可以忽略。

考虑腹板高度h与宽度b的关系对结果的影响。h=2b与h=b时, 结果见表5和表6。

结果表明, 腹板长宽比的变化对结果影响可以忽略。

根据以上分析, 腹板的长宽比与自身厚度对结果影响可以忽略, 因此本文以h=b=100mm, t=1mm的正方形板为分析模型。

分析开孔直径D是腹板宽度b的40%、50%、60%、80%时, 为保证K>K0, 所需要的环形加强边宽度w与环形加强边厚度H的关系。具体分析结果见表7~表10所示。

当确定H与腹板厚度t的关系时, 查询w所需要的最小值, 加强边的宽度必须要大于等于这个值。反之, 当确定了加强板的宽度w时, 查询H/t所需要的最小比值, 厚度必须要大于等于这个值。

数据表明, 开孔环形加强的厚度H对剪切稳定性的贡献比宽度w要大。

对40%开孔及60%开孔的腹板剪切稳定性进行制表, 并考虑重量的变化, 有减轻孔需要时, 可以进行参考, 见图2~图5所示。纵坐标为H/t, 横坐标为w/D。

结语

分析了开孔直径D是腹板宽度b的40%、50%、60%、80%时, 为保证K>K0, 所需要的环形加强边宽度w与环形加强边厚度H的关系。对分析结果进行了列表, 供结构设计参考使用。

剪切稳定性指数 篇3

随着生活水平的提高和环保意识的加强,人们越来越关注自己的生活、学习和工作环境的质量。但在我们生存的环境空间中,客观地存在着一种看不见、摸不着、嗅不到的由原子核自发地放射各种射线的现象,称为放射性。能自发地放射各种射线的核素称为放射性核素,也叫不确定的核素。放射性物质广泛存在于地球各处,各种建筑材料或多或少都含有放射性,人体长期受小剂量放射性照射,尤其是过量照射可能会有一定的损伤。为了保护我国人民健康,国家标准GB 6566-2001《建筑材料放射性核素限量》规定了建筑材料中3种天然放射性核素镭-226、钍-232、钾-40的放射性比活度限量、测量比活度的试验方法以及对测量不确定度的要求。并通过内照射指数、外照射指两项指标反映其危害性大小[1,2]。

实验表明,在建筑材料中对放射性物质加温、加压或加磁场,都不能抑制或显著地改变射线的发射。为了减少放射性对人体的伤害[3],目前最有效的方式就是远离内照射指数、外照射指数高的物质。从现有的文献来看,对建筑材料的放射性研究很少,因此对其内照射指数、外照射指数理论进行表述和测量具有重要意义[4]。

1 放射性衰变的基本规律

1.1 放射性衰变的指数衰减规律

原子核是一个量子体系,核衰变是一个量子跃迁过程,对一个特定的放射性核素,其衰变的精确时间是无法预测的,但对足够多的放射性核素的集合,其衰变规律是确定的,并服从量子力学的统计规律。实验和统计理论表明放射性衰变服从指数衰减规律,即

式中N0表示t=0时刻样品中放射性原子核的数目,N表示经过t时间后样品中剩下的未衰变的放射性原子核数目。λ是衰变常数;对任何放射性核素,不管发生何种衰变,放射性原子核数目的减少都服从指数衰减规律。所不同的只是衰变常数不同。任何一种确定的放射性核素都有自己确定的衰变常数数值,这个数值的大小只取决于放射性核素本身的性质,与外界条件无关。衰变常数的物理意义可说明如下:

dN/N表示每个放射性原子核在dt时间内发生衰变的几率,所以λ表示在单位时间内一个放射性原子核发生衰变的几率。λ数值大的放射性核素衰变得快,λ数值小的放射性核素衰变得慢。

由于测量放射性的数目很不方便,而且往往没有必要,我们感兴趣的又便于测量的是:在单位时间内有多少核发生衰变,即放射性核素衰变率或叫放射性活度A。由式(1),当t=0时,则有:

当核素具有多种分支衰变时,按衰变常数的物理意义,总的应是相当于各种衰变方式的部分衰变常量之和:

第i种分支衰变的部分放射性活度为:

总放射性活度为

可见部分放射性活度在任何时候都是与总放射性活度成正比的。

1.2 递次衰变规律

原子核的衰变往往是一代又一代地连续进行,直至最后达到稳定为止,这种衰变叫做递次衰变,或叫连续衰变。

对于递次衰变系列A1→A2→A3→…→An→…,当开始只有母体A1时,可得第n个放射体An的原子核随时间的变化为

式中

λn为An的衰变常量。An的放射性活度为

由(8)、(9)式可知,递次衰变规律不再是简单的指数衰规律了,其中任一子体随时间的变化不仅和本身的衰变常量有关,而且和前面所有放射体的衰变常量都有关。只要各个放射体的衰变常量已知,则任一放射体随时间的变化可由两式算出。

2 放射性平衡

在任何递次衰变中,母体A的变化情况总是服从指数衰减规律。所以我们感兴趣的是子体B的变化情况。在初始只有母体A的条件下,子体B的变化只决定于λ1和λ2。现在分三种情况讨论。

2.1 暂时平衡

当母体A的半衰期不是很长,但比子体B的半衰期还是要长,即T1>T2或λ1<λ2时,在时间足够长以后子体B的核数目将和母体A的核数目建立一固定的比例,即此时子体B的变化将按母体的半衰期衰减。此时的平衡称为暂时平衡。

子体B的核数目随时间变化的规律可表示为

由于λ1<λ2,当t足够大时,有,则此时成为

子母体的放射性活度关系为

由(11)和(12)式可见,当时间足够长时,子母体出现暂时平衡,即它们的核数目之比为一固定值。由于N1和N2是按半衰期T1衰减,则当达到暂时平衡时,N1和A2也按半衰期衰减。

对于多代子体的递次衰变A1→A2→A3→…→An→…,只要母体A1的衰变常量λ1比各代子体的衰变常量λ2,λ3,λn…都小,则时间足够长时,整个衰变系列也会达到暂时平衡。即各放射体的数量之比不随时间变化,各子体都按母体的半衰期而衰减。

2.2 长期平衡

当母体A的半衰期比子体B的半衰期长得多,即T1>T2或λ1<λ2时,在观察时间内,看不出母体放射性的变化,在相当长时间以后,子体的核数目和放射性活度达到饱和,并且子体母体的放射性活度相等。这叫长期平衡。

子体B的核数目随时间变化的规律可表示为

当t相当大时,上式成为

N2=λ2λ1N1即A2=A1(14)

这就出现了长期平衡。

对于多代子体的递次衰变,只要母体的半衰期很长,在观察时间内看不出母体的变化,而且各代子体的半衰期都比它短得多,则不管各代子体的半衰期相差多么悬殊,在足够长时间内以后,整个衰变系列必然会达到长期平衡,即各个放射体的活度彼此相等:

2.3 不成平衡的情况

当母体A的半衰期小于子体B的半衰期,即T1<T2或λ1>λ2时,母体按指数规律较快衰减;而子体的原子数开始为零,随时间逐步增长,越过极大值后较慢衰减,当t足够大时,子体则按自身T2的半衰期而衰减。这种情况,不可能出现子体与母体的任何平衡。

子体B的核数目随时间变化的规律可表示为

由于λ1>λ2,当t足够大时,有-e-(λ1-λ2)t<1,则有

此时子体的放射性活度为

可见当时间足够长时,母体将几乎全部转变为子体,子体则按自身的指数规律衰减。因此子母体间根本不会出现任何平衡。

对于不成平衡的递次衰变,为了得到单纯的子体,最简单的办法就是把放射性搁置足够长的时间,让母体几乎都衰变完,剩下就是单纯的较大寿命的子体。

由上面三种情形的讨论可以看到,对于任何递次衰变系列,不管各放射体的衰变常量之间相互关系如何,其中必有一最小者,即半衰期最长者,则在时间足够长以后,整个衰变系列只剩下半衰期最长的及其后面的放射体,它们均按最长半衰期的简单指数规律衰减。

3 建筑材料中天然放射性核素镭-226、钍-232、钾-40的检测与记录

在相同实验室、相同测量人员、相同测量设备、相同测量时间、相同实验室温度和湿度的条件下。分别取制不同的A样品、B样品、C样品,并以取制样品当天时间开始检测,以间隔一天的时间每天测量不同样品一次,并计算记录间隔22天每天不同样品的镭-226、钍-232、钾-40比活度,其不同内照射指数、外照射指数。

4 结论

建筑材料中放射性物质主要为铀系、钍系核素和钾-40。它们的母体半衰期都很长,和地球年龄相近或更长,因而经过漫长的地质年代后还能保存下来,其主要代表核素为镭-226、钍-232、钾-40。

表1、表2中核素镭-226、钍-232的放射性活度,在23天时间内,相同样品中放射性核素镭-226、钍-232放射性活度的波动很小,满足放射性平衡中的长期平衡条件;表3中相同样品核素钾-40放射性放射性活度波动相对较大,其原因是钾-40衰变链中,子体不在衰变,不满足放射性平衡中的长期平衡或暂时平衡条件,其值波动相对较大;表4、表5数据是根据GB6566-2001关于内照射指数和外照射指数定义计算而来,当放射性核素镭-226放射性活度的波动很小时,其内照射指数波动更小。同理当放射性核素镭-226、钍-232放射性活度的波动很小时,即使放射性核素钾-40放射性活度波动相对较大,但值除以4200后,其对外照射指数的影响也变得相对较小。

相同样品中放射性核素镭-226、钍-232、钾-40放射性比活度,内照射指数、外照射指数每次测量的相对波动,可由量子力学中的薛定谔方程表示和描述。当放射性核素镭-226、钍-232、钾-40处于某一状态时,它的力学量(如坐标、动量、角动量、能量等)一般不具有确定的数值,而具有一系列可能值,每个可能值以一定的几率出现,当粒子所处的状态确定时,力学量具有某一可能值的几率也就完全确定,这就是建筑材料中的放射性稳定性表现。

摘要：在同实验室、同测量人员、同测量设备、同测量时间、同实验室温度和湿度的条件下,分别取制不同的A样品、B样品和C样品,并从取制样品当天时间开始检测,以间隔一天的时间每天测量不同样品一次,并计算记录间隔22天每天不同样品的镭-226、钍-232、钾-40比活度,分别计算其不同内照射指数、外照射指数,从理论方面解释建筑材料中内照射指数、外照射指数稳定性。

关键词：内照射指数,外照射指数,放射性,放射性衰变

参考文献

[1]GB6566-2001建筑材料放射性核素限量[S].

[2]谭汉云,张林,张静波.广州市建材及石材的放射性活度浓度分析与评价[J].中国辐射卫生,2006(2).

[3]卢希庭.原子核物理[M].第2版.北京:原子能出版社,2000.