硫、磷、氮極壓抗磨添加劑在可降解基礎油中的摩擦學特性研究

趙甘林

(長沙環境保護職業技術學院，湖南 長沙　410004)

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硫、磷、氮極壓抗磨添加劑在可降解基礎油中的摩擦學特性研究

趙甘林

(長沙環境保護職業技術學院，湖南 長沙410004)

【摘要】礦物基潤滑劑存在著生物降解性差的弊端，它所造成的污染已經引起人們的高度重視。本文以季戊四醇酯為可降解基礎油，分別以硫烯、T306、T406為添加劑，在四球摩擦磨損試驗機上實驗了潤滑劑的摩擦學特性，用掃描電鏡觀察了磨痕形貌。結果表明季戊四醇酯對硫烯的感受性比較好。在小劑量添加時，季戊四醇酯潤滑性能好。

【關鍵詞】生物降解；季戊四醇酯；硫烯；T306；T406；摩擦

因潤滑劑造成的環境污染問題越來越受到人們的普遍關注。目前全世界使用的潤滑劑，除一部分由機械正常消耗及部分回收再生利用和用作燃料外，其余都直接或間接地流入環境，嚴重污染著陸地、江河和湖泊，影響生態環境和生態平衡。可生物降解的潤滑劑的研究就在這種情況下發展起來。

合成酯類油[1]是一種降解性能非常高的、理想的“綠色”基礎油[2]。季戊四醇酯(粘度指數<200時)是一種性能優良的綠色潤滑劑基礎油[3]，具有較好的生物降解性能、熱穩定性能和抗磨減磨性能，已在航空領域得到廣泛的應用[4-5]。脂肪酸季戊四醇酯的合成一般是在一定的質子性有機溶劑中進行的，產品需經過蒸餾除溶劑后才能使用，能耗大、成本高，不適合現在環保、安全、低能耗、綠色化工的技術要求。因此由于其“表面的價格”原因而無法普及。添加劑中的極性官能團起著提高承載能力的關鍵作用[6]，而目前常用的極壓抗磨添加劑主要是含硫、磷、氮的化合物。

目前，多數添加劑都是以礦物油為基礎油進行研制的，市場上很少見到可生物降解潤滑油的專用添加劑。這里以季戊四醇酯為基礎油，研究了含硫、磷、氮添加劑對季戊四醇酯的極壓抗磨特性的影響，并分析其作用機理。

1試驗研究

1.1季戊四醇酯的理化性能

季戊四醇酯理化性能如表1。

含硫、磷、氮添加劑是實驗室合成或購買的工業品，其理化性能見表2。

1.2試驗方法

使用SQ-3四球摩擦磨損試驗機，根據四球實驗標準GB/T12583-90，測試項目如下表3。

表1　季戊四醇酯的理化性能

表2　添加劑的理化性能指標

表3　四球摩擦磨損試驗條件

2試驗結果分析

試驗結果如圖所示。圖1是磨斑直徑隨添加劑的添加量的變化曲線。由圖可以看出，當無添加劑時，季戊四醇酯磨斑直徑為0.80mm，當添加劑的添加量小于0.5%時，季戊四醇酯的磨斑直徑變化不大；當添加的添加量大于1%時，季戊四醇酯的磨斑直徑變化較大。總得來講，添加劑T406對季戊四醇酯的磨斑直徑影響較大，其季戊四醇酯的抗磨性最好。而添加劑硫烯以及添加劑T306，隨著其添加劑量的繼續增大，磨斑直徑又有增大的趨勢，這可能與添加劑中活性成份對其腐蝕有一定地影響。

圖1　添加劑的加入量對磨斑直徑的影響

將三種添加劑分別以1%、2%、3%、4%、5% 的質量分數加入季戊四醇酯基礎油中，分別測定油品的pB值，結果如圖2所示。

圖2　添加劑的加入量對最大無卡咬負荷的影響

由圖2最大無卡咬負荷隨添加劑添加量的變化曲線可看出，無添加劑時，季戊四醇酯的最大無卡咬負荷600。隨著加入添加劑的質量分數增大，季戊四醇酯的最大無卡咬負荷值等各項性能指標都有不同程度的變化。pB值隨著添加量的增加先升高后降低，添加劑的量為2%時，pB值達到最大，之后稍微有點下降，然后趨于平穩。

將三種添加劑分別以1%、2%、3%、4%、5% 的質量分數加入季戊四醇酯基礎油中，分別測定油品的pD值，結果如圖3所示。

圖3　添加劑的加入量對燒結負荷的影響

由圖3燒結負荷隨添加劑添加量的變化曲線可看出，無添加劑時，季戊四醇酯的燒結負荷1038。隨著加入添加劑的質量分數增大，季戊四醇酯的燒結負荷值都有不同程度的增加。其中加入硫烯時，季戊四醇酯的燒結負荷增加的最大，當加入5%時，能夠增加到7840N。其次為T406，當其加入量為5%時，其燒結負荷也能增加到6076N。

3作用機制探究

含硫、磷、氮的極壓抗磨添加劑的作用機理報道的比較多，本文主要對其進行總結。硫烯在基礎油中的潤滑作用主要有兩種：

(1)在載荷較低(196N下)的情況下生成的高分子金屬有機化合物的含量最高. 據此我們推測，在摩擦過程中，SO與Fe表面發生了摩擦化學反應，并生成了含鐵的高分子物質。因此可以推測在鋼球表面，特別是在摩擦磨損過程中暴露出來的新鮮鋼球表面形成了高分子有機鐵化合物，即摩擦聚合物。這種直接結合在摩擦副接觸表面的摩擦聚合物在一定的摩擦磨損試驗條件下具有良好的潤滑性能[7]。

(2) 在載荷較高(392N下)的情況下，鋼球磨斑表面均生成了FexOy、FeS 和FeSO4[8]。

磷酸酯產品中中性磷酸酯的活性較弱，不易在摩擦表面形成化學保護膜，酸性酯的性能稍優，但是酸性較強，在重負荷條件下易產生化學腐蝕、磨損，使其性能變差。對磷型極壓抗磨劑的作用機理，不同學者提出不同的觀點。早在40年代就提出所謂“化學拋光作用”[9]的說法，即摩擦過程中形成鐵和金屬磷化物的共晶層。后來許多學者證明這種解釋是站不住腳的，并提出存在磷酸鹽層[10-11]。Godfreg[12]用電子衍射法發現在摩擦表面生成FePO4和FePO4·H2O混合物。目前，普遍的觀點是在各個條件下，磷型添加劑在摩擦表面確實形成了磷酸鹽[13-14]。1974年Forbes等[15]提出二烷基亞磷酸酯極壓抗磨作用機理。

而對于T406添加劑的作用機理主要是在金屬表面形成一種吸附膜，從而起到抗磨減摩的作用。

4結論

(1) 硫烯(T321) 可以顯著提高季戊四醇酯的燒結負荷值(pD值)，當添加質量分數達到5%時，燒結負荷可以達到7840N，與礦物油相當。

(2) 在硫烯的添加質量分數為2%時，潤滑劑表現出最好的性能，pB為1118N，pD值為4900N，磨斑直徑為0.40mm。

(3) 磷系極壓抗磨添加劑的品種較為復雜，不僅表現在化合物的種類上，也表現在元素組成上，其大量的研發工作是在不降低極壓抗磨性能的前提下，提高其熱氧化穩定性，降低磷消耗以延長其使用壽命。

參考文獻：

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《環境與可持續發展》簡介

環境保護部主管和環境保護部環境與經濟政策研究中心主辦的《環境與可持續發展》(原《環境科學動態》，CCSCI來源期刊，全國中文核心期刊)于1976年創刊，現已加入“中國學術期刊(光盤版)全文收錄期刊”、“中國期刊全文數據庫(CJFD)全文收錄期刊”、“萬方數據-數字化期刊群全文收錄期刊”、“中國學術期刊綜合評價數據庫(CAJCED)統計源期刊”、“中文科技期刊數據庫(全文版)收錄期刊”。

2011年6月第三期本刊改版并定位為“國家級政策指導性學術期刊”，依據從環境保護的視角報道可持續發展理論與實踐辦刊宗旨，創新設置“理論戰略探索”、“政策專題研究”、“法律法規研討”、“典型案例解析”、“研究動態瞭望”、“研究成果報道”、“生態文明之窗”等欄目。本刊底蘊深厚尤其自2011年改版以來一直發揮集中選題的宣傳優勢，提前發布選題，開展征稿組稿，期刊學術質量顯著提高。

據知網《中國學術期刊影響因子年報》評估，我刊學術影響因子顯著大幅度提高，多年來一直位于全國收錄環境科學類期刊前列。同時知網《2015年發行與傳播統計報告》顯示：我刊機構用戶總計近5000個，分布于11個國家和地區，如美國國會圖書館、代頓ITS公司、美國海軍軍事學院、法國國防部、牛津大學、韓國最高法院、韓國最高檢察院、日本國會圖書館、新加坡國家圖書館、伊士曼化學公司、陶氏化學、NSD生物技術咨詢、南澳大利亞大學等國外機構，我刊業已成為對外宣傳我國環境保護成就和研究成果的重要窗口。

Tribological Properties of Sulfur，Phosphorus and Nitrogen Extreme Pressure and Anti-wear Additives in Biodegradable Base Oil

ZHAO Ganlin

(Changsha Environmental Protection College，Changsha，Hunan 410004，China)

Abstract：The disadvantage of the existence of the biological degradation of mineral based lubricants. The pollution has caused people's high attention. In this paper，pentaerythritol ester used as biodegradable base oil，added sulfur，T406，T306 as additives，respectively. Experimental study on the tribological properties of lubricant on the four ball friction and wear tester，and the morphology of wear scar was observed by scanning electron microscope. The results show that sensitivity of pentaerythritol ester vinyl sulfides is better. In the small dosage，pentaerythritol ester showed good lubricating performance.

Keywords：Biodegradation；pentaerythritol ester；thiochromene；T306；T406；friction

中圖分類號：X21

文獻標識碼：A

文章編號：1673-288X(2016)02-0159-03

作者簡介：趙甘林，講師、工程師，主要從事環境工程、教學管理研究

引用文獻格式：趙甘林.硫、磷、氮極壓抗磨添加劑在可降解基礎油中的摩擦學特性研究[J].環境與可持續發展，2016，41(2)：159-161.