離子液體作為潤滑脂添加劑的導(dǎo)電性和摩擦學(xué)性能

葛翔宇，夏延秋，舒宗英

(華北電力大學(xué)，北京 102206)

離子液體作為潤滑脂添加劑的導(dǎo)電性和摩擦學(xué)性能

葛翔宇，夏延秋，舒宗英

(華北電力大學(xué)，北京 102206)

用鋰鹽和聚環(huán)氧乙烷聚環(huán)氧丙烷單丁基醚(PAG)通過原位法制備新型離子液體，作為添加劑加入到PAO40基礎(chǔ)油中，以聚四氟乙烯(PTFE)為稠化劑，制得電力復(fù)合脂。研究了傳統(tǒng)離子液體和新型離子液體作為潤滑脂添加劑的導(dǎo)電性和摩擦學(xué)性能。結(jié)果表明：離子液體的加入大幅度降低潤滑脂的電阻率，提高潤滑脂的電導(dǎo)率，減小接觸電阻，具有優(yōu)良的導(dǎo)電性；能夠降低摩擦系數(shù)，減小磨痕寬度，體現(xiàn)了優(yōu)良的減摩抗磨性能；在摩擦磨損過程中，離子液體中的陰離子能夠在接觸表面與金屬發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成化學(xué)反應(yīng)膜，從而起到減摩抗磨的作用；與傳統(tǒng)離子液體相比，新型離子液體在摩擦學(xué)性能和導(dǎo)電性方面相差不大，而其制備工藝簡單，具有更加廣闊的應(yīng)用前景。

潤滑脂 離子液體 摩擦磨損 電導(dǎo)率 電阻率 接觸電阻

電接觸現(xiàn)象廣泛應(yīng)用于電路開關(guān)、電連接器、集成電路、微電子機(jī)械系統(tǒng)、動力機(jī)械設(shè)備和輸變電設(shè)備[1-3]。為保證各種動力機(jī)械設(shè)備和輸變電設(shè)備等運(yùn)行的可靠性和穩(wěn)定性，電力復(fù)合脂除了承擔(dān)傳統(tǒng)的潤滑作用外，還擔(dān)負(fù)著在載流條件下傳遞電能、電信號等重要任務(wù)；因此要求電力復(fù)合脂既要具有高抗磨損能力和機(jī)械強(qiáng)度，又要具有良好的導(dǎo)電性[4]。

傳統(tǒng)的電力復(fù)合脂通常選用金屬粉末以及碳系導(dǎo)電材料作為導(dǎo)電添加劑，這些金屬粉末通過填充在接觸面的縫隙中，增大導(dǎo)電接觸面以降低接觸電阻。然而由于金屬粉末易氧化且價格昂貴，難以大規(guī)模使用；碳系導(dǎo)電材料顏色太深，也限制了其應(yīng)用范圍。離子液體作為一種具有高發(fā)展前景的材料，已被廣泛應(yīng)用于電容器、電池、催化等領(lǐng)域[5-8]。與傳統(tǒng)導(dǎo)電添加劑相比，離子液體具有制備簡便、價格低廉、導(dǎo)電率高、穩(wěn)定性好等優(yōu)點。

本課題以聚α烯烴PAO40為基礎(chǔ)油，聚四氟乙烯(PTFE)為稠化劑，多種離子液體為添加劑，制備了多種電力復(fù)合脂。測試電力復(fù)合脂的導(dǎo)電性，并通過摩擦試驗，研究幾種離子液體對潤滑脂摩擦學(xué)性能的影響，探討離子液體的減摩抗磨機(jī)理，以期為電力復(fù)合脂在動力機(jī)械設(shè)備和輸變電設(shè)備中的應(yīng)用提供理論和技術(shù)支持。

1 實 驗

1.1 原 料

基礎(chǔ)油選用PAO40(埃克森美孚公司生產(chǎn))。三種鋰鹽(上海域倫實業(yè)有限公司生產(chǎn))分別為：雙三氟甲烷磺酰亞胺鋰(LiNTf2)、四氟硼酸鋰(LiBF4)和六氟磷酸鋰(LiPF6)，表1為三種鋰鹽的基本參數(shù)。圖1為鋰鹽與PAG反應(yīng)形成離子液體的過程。傳統(tǒng)離子液體1-己基-3甲基咪唑四氟硼酸鹽離子液體(LB106)和1-己基-3甲基咪唑六氟磷酸鹽離子液體(LP106)為中國科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所制備。稠化劑聚四氟乙烯(PTFE)顆粒粒徑為4 μm左右(Dyneon.TMTF9207)，密度為2.2 g/cm3。分散劑為正己烷(國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司生產(chǎn))。

1.2 制備方法

圖1 鋰鹽和PAG的反應(yīng)過程

表1 離子液體的電導(dǎo)率

潤滑脂的制備過程如下：將全部的PTFE和大約一半的基礎(chǔ)油PAO40混合劇烈攪拌約30 min，向其中加入少量正己烷，使其分散均勻；然后升溫至80 ℃并維持30 min使正己烷充分揮發(fā)；將剩余PAO40全部加入，攪拌均勻；最后將反應(yīng)物冷卻至室溫，并在三輥研磨機(jī)上研磨3次，即得所需的潤滑脂，將其作為基礎(chǔ)脂。在基礎(chǔ)脂中分別加入1%的Li(PAG)NTf2，Li(PAG)BF4，Li(PAG)PF6，LB106-PAG和LP106-PAG，得到所需的電力復(fù)合脂，分別記為Li(PAG)NTf2脂、Li(PAG)BF4脂、Li(PAG)PF6脂、LB106脂和LP106脂。

1.3 潤滑脂的理化性能和導(dǎo)電性

猴頭菌。猴頭菌多生于樺櫟樹等闊葉樹的枯木上或樹杈間，主要產(chǎn)于東北，云南等地也有。猴頭菇肉質(zhì)脆嫩、味淡清香，是珍貴的烹飪原料。中醫(yī)認(rèn)為，其性平、味甘，猴頭菌多糖可提高機(jī)體咀嚼細(xì)胞的吞噬功能，可促進(jìn)溶血素生成，增加體液免疫的能力，另外猴頭菌還有抗?jié)児δ堋?/p>

依據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 3498 和 GB/T 269對制備的潤滑脂的滴點和錐入度分別進(jìn)行測試；依據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 7326—1987，在100 ℃條件下將加工好的光亮銅片的一端完全用潤滑脂覆蓋24 h后，將銅片洗凈后與腐蝕標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行對比，查看潤滑脂對銅片的腐蝕性；依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)SH/T 0109，在38 ℃水溫下，對潤滑脂的抗水淋性能進(jìn)行測試。

采用GEST-121型體積表面電阻率測試儀，對潤滑脂的體積電阻率進(jìn)行測試；采用HLY-200A型回路電阻測試儀對潤滑脂的接觸電阻進(jìn)行測試，測試電流100 A，時間10 s。

1.4 潤滑脂的摩擦學(xué)性能

試驗選用MFT-R4000摩擦磨損試驗機(jī)，摩擦副采用球盤接觸，試驗條件參數(shù)如下：額定載荷50～150 N，頻率5 Hz，溫度為室溫，大氣氣氛，試驗時間為30 min。試驗所用鋼球和底盤的材料均為AISI 52100鋼，鋼球直徑4 mm，淬火硬度710 HV；底盤尺寸為Φ24 mm×7.8 mm，調(diào)質(zhì)硬度370～390 HV。試驗前后所有試件均用石油醚超聲清洗2 min。摩擦系數(shù)由計算機(jī)自動記錄，采用光學(xué)顯微鏡對磨痕寬度進(jìn)行測量，測量精度0.01 mm。利用Nova Nano SEM50系列超高分辨率場發(fā)射掃描電子顯微鏡(SEM)觀察磨痕表面形貌。

2 結(jié)果與討論

2.1 潤滑脂的理化性能和導(dǎo)電性

潤滑脂的基本理化性質(zhì)見表2。從表2可以看出，基礎(chǔ)脂具有相對較低的滴點(314 ℃)和較好的銅片抗腐蝕能力。而電力復(fù)合脂的滴點相比于基礎(chǔ)脂均有所提高，說明離子液體的加入可以提高基礎(chǔ)脂的滴點，并輕微地影響潤滑脂的銅片抗腐蝕能力。由于所用的離子液體均可溶于水，因此對基礎(chǔ)脂的抗水淋性能有一定影響。

表2 潤滑脂的基本理化性質(zhì)

表3 潤滑脂的導(dǎo)電性

2.2潤滑脂的摩擦學(xué)性能

圖2為在各載荷下不同潤滑脂試驗時的平均摩擦系數(shù)。由圖2可見，離子液體的加入使摩擦系數(shù)均有所降低，具有更好的減摩性能。在50 N載荷下，由鋰鹽復(fù)配形成的新型離子液體的減摩性能更好，而在100 N和150 N載荷下，制備的電力復(fù)合脂的減摩性能相差不大。摩擦系數(shù)的變化間接反映了摩擦副接觸區(qū)潤滑狀態(tài)的變化，摩擦系數(shù)下降，意味著摩擦副接觸區(qū)生成了低剪切的表面保護(hù)膜。

圖2 潤滑脂在各載荷下試驗時的平均摩擦系數(shù)■—基礎(chǔ)脂； ■—Li(PAG)NTf2脂； ■—Li(PAG)BF4脂； ■—Li(PAG)PF6脂； ■—LB106脂； ■—LP106脂。 圖3同

圖3為在各載荷下潤滑脂試驗時的磨痕寬度。由圖3可見：相比于基礎(chǔ)脂，電力復(fù)合脂潤滑試驗時磨痕寬度均有所減小，說明選用的離子液體均具有優(yōu)異的抗磨性能；但是電力復(fù)合脂之間相比，磨痕寬度相差不大，表明選用的離子液體的抗磨性能差別不大。

圖3 潤滑脂在各載荷下試驗時的磨痕寬度

2.3 磨痕表面形貌及元素組成

通過SEM對在150 N載荷下，采用基礎(chǔ)脂、Li(PAG)BF4脂、Li(PAG)PF6脂、Li(PAG)NTf2脂潤滑試驗后的磨痕表面進(jìn)行表征，結(jié)果見圖4。從圖4可以看出：基礎(chǔ)脂潤滑試驗后的磨痕表面非常粗糙，并帶有很多犁溝以及黏著和腐蝕斑點。Li(PAG)NTf2脂潤滑試驗后的磨痕表面相對光滑，有較淺的犁溝；Li(PAG)BF4脂和Li(PAG)PF6脂潤滑試驗后的磨痕表面帶有較淺的犁溝和一些腐蝕斑點。

在摩擦過程中，潤滑脂靠其有序?qū)訝罱Y(jié)構(gòu)在金屬表面形成剪切強(qiáng)度遠(yuǎn)低于金屬的吸附膜。低能態(tài)的電子從金屬接觸表面的粗糙峰發(fā)射出去，導(dǎo)致接觸表面帶正電荷。通過靜電吸引，潤滑脂中的陰離子被吸附到磨痕表面的正電荷上，而陽離子又通過自身的烷基鏈與陰離子結(jié)合，向磨損表面聚集[9]，形成保護(hù)膜防止摩擦表面直接接觸；同時，離子液體陰離子中的硫、磷、硼、胺等元素與接觸表面金屬發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成含有多種化合物(FeF2，F(xiàn)eF3，F(xiàn)e2O3，F(xiàn)e(OH)O，F(xiàn)ePO4，F(xiàn)e2B，B2O3等)的化學(xué)反應(yīng)膜[10]，使接觸表面不致發(fā)生黏著磨損，當(dāng)化學(xué)反應(yīng)膜被磨去后可以快速地重新生成，有效防止對摩擦表面直接接觸，避免表面發(fā)生黏著磨損，體現(xiàn)了優(yōu)良的減摩抗磨作用。

圖4 150 N載荷下磨痕表面形貌

傳統(tǒng)離子液體(LB106和LP106)制備工藝復(fù)雜，對制備條件要求高，合成難度大，提純難度高，成本高；而新型離子液體制備工藝簡單，僅在室溫條件下通過機(jī)械攪拌溶解即可，大幅簡化了離子交換和分離純化步驟，成本低。在低載荷條件下(50 N)，新型離子液體具有比傳統(tǒng)離子液體更優(yōu)異的減摩性能；在中高載荷條件下(100 N和150 N)，減摩性能和傳統(tǒng)離子液體差別不大；在三種載荷條件下，新型離子液體的抗磨性能介于兩種傳統(tǒng)離子液體之間。

3 結(jié) 論

(1) 使用離子液體作為潤滑脂添加劑制得電力復(fù)合脂，離子液體大幅度降低了潤滑脂的電阻率，提高了潤滑脂的電導(dǎo)率，減小接觸電阻，具有優(yōu)良的導(dǎo)電性。離子液體的加入能夠降低摩擦試驗的摩擦系數(shù)，減小磨痕寬度，體現(xiàn)了優(yōu)良的減摩抗磨性能。

(2) 在摩擦磨損過程中，離子液體中的陰離子能夠在接觸表面與金屬發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成化學(xué)反應(yīng)膜，從而起到減摩抗磨的作用。

(3) 與傳統(tǒng)離子液體相比，新型離子液體在摩擦學(xué)性能和導(dǎo)電性方面相差不大，而其制備工藝簡單，大幅簡化了制備步驟，降低了制備成本，具有更加廣闊的應(yīng)用前景。

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簡 訊

可將木質(zhì)素直接轉(zhuǎn)化為烴類衍生物的工藝

美國普渡大學(xué)直接催化轉(zhuǎn)化生物質(zhì)為生物燃料的研究中心(C3Bio)的研究人員開發(fā)出一種可將木質(zhì)素轉(zhuǎn)化為高價值產(chǎn)品的新工藝。該工藝使用雙金屬Zn/Pd/C催化劑，將未經(jīng)預(yù)處理的木質(zhì)纖維素生物質(zhì)中的木質(zhì)素直接轉(zhuǎn)化為兩種甲氧基苯酚產(chǎn)物，剩下的固體殘余物為糖類化合物(carbohydrate)。甲氧基苯酚可進(jìn)一步脫氧形成丙基環(huán)己烷。環(huán)烷烴不僅是汽油和柴油等傳統(tǒng)車用燃料的重要組分，也是Jet-A/Jet-A1/JP-8等噴氣燃料的重要組分。糖類殘余物可用纖維素酶水解，得到95%產(chǎn)率的葡萄糖。在轉(zhuǎn)化木質(zhì)素的同一步驟中，生物質(zhì)的半纖維素被水解為木糖，所得木糖易于分離。木糖可選擇性脫水為糠醛，隨后在生物煉制廠中轉(zhuǎn)化成其它的糠醛基化學(xué)品或燃料。該工藝以未經(jīng)處理的碎木片為原料，加入催化劑和溶劑，在加壓反應(yīng)器中加熱數(shù)小時。催化劑可以重復(fù)使用。該團(tuán)隊還開發(fā)了附加的工藝，使用另一種催化劑，將兩種苯酚產(chǎn)物轉(zhuǎn)化為適合用作直接加入式(drop-in)汽油的高辛烷值(RON大于100)烴燃料。該催化劑價格昂貴，該團(tuán)隊計劃進(jìn)一步研究有效的催化劑回收方法，以及將整個工藝規(guī)模放大的途徑。植物生物質(zhì)主要是由木質(zhì)素、纖維素和半纖維素組成。過去，大多數(shù)生物煉制廠均認(rèn)為木質(zhì)素是廢棄物而將其用于燃燒產(chǎn)熱。

[鄧京波摘譯自Green Car Congress，2014-12-18]

CONDUCTIVITYANDTRIBOLOGICALPROPERTIESOFIONICLIQUIDASGREASEADDITIVES

Ge Xiangyu， Xia Yanqiu， Shu Zongying

(NorthChinaElectricPowerUniversity，Beijing102206)

New ionic liquids were prepared by the way of in-situ formation between lithium salts and polyether (PAG) and used as lubricating grease additives. The electricity compound grease was prepared by mixing PAO40 base oil with traditional or the new ionic liquid and a thickener polytetrafluoroethylene (PTFE). The conductivity and tribological properties of traditional ionic liquid and new ionic liquids as additives were studied. It is observed that the addition of additives reduces significantly the volume resistivity and contact resistance of the electricity compound grease， but the conductivity and that the scar width and the friction coefficient are both reduced， reflecting the excellent antifriction and anti-wear performance of the greases adding the additives. The improvement of tribological properties should attribute to the formation of the chemical reaction film due to the reactions of anion of the additives with metal surface. The results demonstrate that the new ionic liquids which are easily prepared can significantly improve the electrical conductivity and tribological properties of the grease.

grease； ionic liquid； friction and wear； conductivity； resistance； contact resistance

2014-09-29；修改稿收到日期： 2014-12-01。

葛翔宇，博士，主要從事用于動力設(shè)備和輸變電設(shè)備的電力復(fù)合脂的制備及摩擦學(xué)性能的研究工作。

葛翔宇，E-mail：ge.x.y@hotmail.com。