環(huán)氧油酸甲酯潤滑添加劑的摩擦學(xué)性能研究

方建華　陳波水　王九　吳江　王學(xué)春

摘要：對油酸甲酯進(jìn)行化學(xué)改性，研制了一種新型環(huán)境友好潤滑添加劑-環(huán)氧油酸甲酯（EOME），用紅外光譜對其主要官能團(tuán)進(jìn)行了鑒定。分別通過四球和SRV摩擦磨損試驗機(jī)考察了以菜籽油為基礎(chǔ)油，以EOME為添加劑時對鋼-鋼摩擦副和鋼-鋁摩擦副抗磨減摩性能的影響，用掃描電子顯微鏡觀察分析鋁合金磨斑表面的形貌，同時通過對鋁合金磨痕進(jìn)行X射線光電子能譜和掃描電子探針分析，探討了環(huán)氧油酸甲酯潤滑添加劑的抗磨減摩機(jī)理。結(jié)果表明：環(huán)氧油酸甲酯潤滑添加劑在菜籽油中具有優(yōu)良的極壓抗磨和減摩性能；其潤滑作用機(jī)理是由于長鏈脂肪酸酯極性分子在摩擦表面吸附或發(fā)生摩擦化學(xué)反應(yīng)形成了摩擦聚酯膜、氧化物膜或金屬皂共同組成的起抗磨作用的潤滑膜。

關(guān)鍵詞：摩擦化學(xué)；環(huán)境友好潤滑添加劑；環(huán)氧油酸甲酯；潤滑機(jī)理

中圖分類號：TE624.82

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1002-3119（2015）02-0022-04

0 引言

礦物潤滑劑的生物降解性能差，生理生態(tài)毒性高，已越來越不能適應(yīng)人類環(huán)境保護(hù)的要求。研究表明，1L礦物潤滑油可污染100萬L飲用水和40m²土壤，污染的水相當(dāng)于14個人一年用水量。“潤滑+環(huán)保+節(jié)能”的現(xiàn)代潤滑新理念對潤滑劑提出了新的挑戰(zhàn)——潤滑劑在滿足使用效能要求的同時，如何改善生態(tài)效能，在使用效能與生態(tài)效能之間尋求合理的平衡，是當(dāng)前潤滑劑發(fā)展亟待研究和解決的重大課題。20世紀(jì)70年代以來，以良好生物降解性和低生態(tài)毒性為主要生態(tài)效能特征的綠色潤滑劑應(yīng)運(yùn)而生，已成為當(dāng)前綠色化學(xué)和潤滑工程領(lǐng)域的熱點研究方向之一。

生物柴油來源于動植物油，其良好的生物降解性為將其改性為綠色潤滑添加劑提供了可能。由于組成生物柴油的極性長鏈脂肪酸甲酯可在金屬表面形成吸附層，因而生物柴油本身具有較好的潤滑性，直接利用生物柴油作為潤滑劑以及作為低硫柴油和噴氣燃料的潤滑性添加劑，用以改善發(fā)動機(jī)燃料系統(tǒng)中的主油泵、高壓油泵潤滑已有較多研究。另一方面，近幾年來，鋁合金在汽車制造領(lǐng)域的應(yīng)用日益廣泛，研究表明，傳統(tǒng)ZDDP添加劑對鋼-鋁摩擦副的作用效果較差，研究摩擦學(xué)性能優(yōu)異、適用于鋼-鋁摩擦副抗磨減摩的新型綠色潤滑添加劑意義重大。為此本文作者以油酸甲酯為原料，采用化學(xué)改性技術(shù)合成了環(huán)氧化改性油酸潤滑添加劑，考察了目標(biāo)添加劑以菜籽油為基礎(chǔ)油時對鋼-鋼摩擦副和鋼-鋁摩擦副抗磨減摩性能的影響，并探討其抗磨減摩作用機(jī)理。

1 實驗部分

1.1添加劑（EOME）的合成

將油酸甲酯（化學(xué)純，河北金符公司生產(chǎn)）與5%的甲酸（化學(xué)純，山東淄川化工廠生產(chǎn)）溶液充分混合。啟動恒溫浴鍋，將溫度控制在30～35℃。打開滴液控制器開關(guān)，緩慢滴加油酸甲酯質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為35%的雙氧水（濃度30%，成都安凱源化T公司生產(chǎn)），控制滴加速度，當(dāng)雙氧水滴加完畢后，緩慢將體系的溫度升高至57℃，反應(yīng)維持7h，反應(yīng)完畢后用60℃的熱蒸餾水洗滌上層油狀液體數(shù)次，重復(fù)真空脫水3次，即得淺黃色透明液體環(huán)氧化油酸甲酯，命名為EOME。其化學(xué)反應(yīng)方程式如下：

1.2添加劑潤滑性能測試方法

采用廈門試驗機(jī)廠制造的四球長時抗磨損試驗機(jī)和濟(jì)南試驗機(jī)廠制造的MQ-800型四球試驗機(jī)，按GB3142-82方法分別評價添加劑對鋼-鋼摩擦副的減摩抗磨性能和卡咬負(fù)荷（P_B值）及燒結(jié)負(fù)荷（P_D值）。試驗條件為轉(zhuǎn)速1450r/min，室溫約27℃。長磨時間為30min，載荷為392N。所用菜籽基礎(chǔ)油為市售食用精煉菜籽色拉油（重慶油脂公司提供），40℃時的運(yùn)動黏度為34mm²/s。所用的鋼球為上海鋼球廠生產(chǎn)的直徑φ12.7mm的二級GCr15鋼球，硬度為59～61HRC。在SRV摩擦磨損試驗機(jī)上評定鋼-鋁摩擦副的摩擦磨損性能，上試件為直徑φ10mm的GCr15鋼球，硬度61～63HRC，下試件選用22.00mm×7.88mm的LY12鋁合金（Al2024）圓盤，硬度為210HBS；試驗前將鋁合金用800^#砂紙打磨，鋁件和鋼球均須用石油醚超聲清洗10min；摩擦副接觸形式為球一盤點接觸，試驗條件為：頻率25Hz，振幅1mm，周期30min，滴油潤滑（試驗前在摩擦副接觸表面區(qū)域滴加約0.2mL的潤滑油，所用基礎(chǔ)油為菜籽色拉油）。試驗結(jié)束后利用輪廓儀測量鋁合金試樣的磨痕寬度和深度并計算磨損體積損失。

將所合成的添加劑按質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.5%、1.0%、1.5%、2.0%、2.5%的添加量加入菜籽基礎(chǔ)油中。在四球機(jī)和SRV摩擦磨損試驗機(jī)上分別測定鋼-鋼摩擦副和鋼-鋁摩擦副的抗磨減摩性能。

1.3表面分析

試驗結(jié)束后用丙酮和石油醚清洗鋁合金試塊，用AMKAY1000B型掃描電子顯微鏡（SEM）觀察分析試塊磨痕形貌，用PHI-5100型X-射線光電子能譜儀（XPS）分析鋁合金磨斑表面主要元素的化學(xué)狀態(tài)，選用MgKa線，通過能量29.35eV，以Cls結(jié)合能284.60eV作為內(nèi)標(biāo)。

2 試驗結(jié)果和討論

2.1理化性能

經(jīng)測定，環(huán)氧化油酸甲酯潤滑添加劑的理化性能見表1。

2.2添加劑EOME的紅外光譜分析

圖1所示為紅外分析儀測得的環(huán)氧化油酸甲酯的紅外光譜圖。由圖1可知，油酸甲酯在3005cm^-1處有較強(qiáng)吸收峰為-C=C-雙鍵上的C-H伸縮振動的特征吸收峰，在830cm^-1附近沒有環(huán)氧鍵的特征吸收峰。而環(huán)氧化油酸甲酯在1620～1680cm^-1之間的-C=C-伸縮振動吸收峰和位于3000cm^-1附近的-C=C-雙鍵上的C-H伸縮振動吸收峰消失；由文獻(xiàn)可知，在833cm^-1和771cm^-1處出現(xiàn)的較強(qiáng)吸收峰為環(huán)氧鍵的吸收峰，而紅外光譜圖中1171.4cm^-1、1194.5cm^-1和1252.3cm^-1處的三個吸收帶表明甲酯仍存在，證明油酸甲酯經(jīng)甲酸和雙氧水催化氧化后生成了環(huán)氧化油酸甲酯。

2.3摩擦磨損性能

表2所示為在菜籽油中加入EOME后的P_B、P_D、WSD和摩擦系數(shù)μ隨添加劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化情況。可以看出，對于鋼-鋼摩擦副，在菜籽基礎(chǔ)油中加入了EOME后抗咬合值和燒結(jié)負(fù)荷明顯增大，最高分別達(dá)784N和2452N，隨著添加劑添加量增大，P_B和P_D值均增大。添加劑對鋼球摩擦系數(shù)和抗磨性能的影響與濃度有關(guān)，當(dāng)添加量為2.0%時，磨斑直徑和摩擦系數(shù)均達(dá)到最小，此后隨添加劑含量的增大，摩擦系數(shù)和磨斑直徑有所增大。

圖2所示為鋼-鋁摩擦副的摩擦系數(shù)和鋁合金的磨損體積隨添加劑含量的變化曲線。可以看出，對于鋼-鋁摩擦副，添加劑在2.0%濃度下表現(xiàn)出最佳的抗磨減摩效果。

2.4表面分析結(jié)果及機(jī)理探討

圖3給出了不同潤滑條件下鋁合金試塊表面形貌的SEM照片。從圖3中可以看出，與相應(yīng)的基礎(chǔ)油相比，在相同試驗條件下，用含添加劑EOME潤滑油潤滑下的鋁合金試塊表面磨痕明顯較淺，磨損表面較為光滑平整且擦傷較為輕微。

表3所示為含EOME菜籽油潤滑下的鋁塊磨痕表面XPS分析結(jié)果。可見，A1在磨斑表面以2種價態(tài)形式存在，位于74.23eV的Al歸屬于Al₂O₃，說明鋁合金在摩擦過程中發(fā)生了氧化反應(yīng)，生成了氧化物。而位于72.60eV的Al歸屬于單質(zhì)鋁。電子結(jié)合能531.4eV處的O_ts峰歸屬于酸性化合物中的氧，說明摩擦過程中有機(jī)物可能發(fā)生摩擦氧化反應(yīng)生成酸性物質(zhì)。

圖4給出了添加2%EOME的菜籽油潤滑下鋁合金摩擦表面的電子探針分析。從結(jié)果可以看出，磨斑中氧元素的分布出現(xiàn)了“亮區(qū)”，亮區(qū)出現(xiàn)區(qū)域表明有較多的氧填充于磨痕，原位形貌圖表明該區(qū)域也是磨損最嚴(yán)重的區(qū)域，從整個分布圖看，氧元素的分布接近均勻且很致密，表明氧元素參與了摩擦化學(xué)反應(yīng)。

油酸甲酯本身是一種油性劑，但極壓性能差，當(dāng)環(huán)氧化后，環(huán)氧鍵十分活潑，長鏈的油酸甲酯分子相當(dāng)于一個載體，在摩擦?xí)r能強(qiáng)烈地吸附于金屬表面，使氧更易與金屬表面作用生成酸性聚合物極壓膜。油酸甲酯分子的載體作用和環(huán)氧鍵的高反應(yīng)活性及二者的協(xié)同作用所形成的吸附膜和摩擦化學(xué)反應(yīng)膜是EOME具有抗磨極壓性的根本原因。

3 結(jié)論

（1）合成的EOME潤滑添加劑具有良好的生物降解性能。

（2）以菜籽油為基礎(chǔ)油時，EOME潤滑添加劑對鋼-鋼摩擦副和鋼-鋁摩擦副均具有優(yōu)良的抗磨減摩性能；當(dāng)添加量為2%時，效果最佳。

（3）EOME的摩擦學(xué)機(jī)理是長鏈的添加劑分子首先在金屬表面吸附，隨摩擦進(jìn)行發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成了含酸性氧化物的復(fù)雜高強(qiáng)度聚合物膜。