蒙脫土在酯類合成基礎油中的摩擦學性能研究

晁先泉++朱仁發++黃飛++胡坤宏

摘要：以癸二酸二異辛酯（DOS）為基礎油，在高頻往復試驗機上考察了蒙脫土K10、蒙脫土KSF與工業蒙脫土的潤滑性能。結果表明：三種蒙脫土不能降低DOS的摩擦系數，KSF與工業蒙脫土對DOS的抗磨損性能改善也不夠明顯，但質量分數為0.2%的蒙脫土K10在DOS中具有較好的抗磨性能，與純的DOS相比，可使鋼球磨斑直徑降低22%，磨損體積下降約63%；與KSF及工業蒙脫土相比，K10尺寸小，比表面積大，容易吸附在摩擦接觸表面，形成具有抗磨作用的摩擦膜。

關鍵詞：蒙脫土；酯類基礎油；潤滑性能；摩擦磨損

中圖分類號：TE624.82文獻標識碼：A

0引言

一些固體納米微粒在潤滑油中能表現出優異的減摩與抗磨性能，包括MS2（M=W與Mo）、金屬納米微粒與碳納米管等。但這些納米微粒往往制備成本高，從而限制其作為潤滑添加劑的應用[1]。硅酸鹽礦物微粉具有類似于石墨的層狀結構，在基礎油中也能表現出較好的潤滑性能[2-3]。蒙脫土是高黏土與膨潤土等層狀硅酸鹽礦的主要成分，它由兩層Si-O四面體和一層八面體組成，片層的厚度可達納米級，其層狀結構和較大的比表面積，在摩擦潤滑的過程中能吸附金屬離子，對摩擦副的承載能力有所提高[4]。近年來，蒙脫土微粒在潤滑油中的潤滑性能越來越受到重視[5-8]。與礦物油相比，合成酯不但有較好的潤滑性能，還具有良好的生物降解性[9-11]，因此，合成酯在許多領域被用來替代礦物基礎油。本論文主要探討了三種不同結構的蒙脫土微粒在合成酯癸二酸二異辛酯（DOS）中的摩擦學性能，并對相關摩擦機理進行了表征與分析。

1實驗

1.1實驗材料和儀器設備

材料和試劑：蒙脫土K10（Al2O9Si3；比表面積240 m2/g，阿拉丁試劑）、蒙脫土KSF（Al2O9Si3；比表面積20～40 m2/g，阿拉丁試劑）、癸二酸二異辛酯（C26H50O4；DOS；阿拉丁試劑）、市售工業蒙脫土、丙酮。

儀器設備：濟南益華摩擦學測試技術有限公司生產的MGW-001型高頻往復試驗機（HFRR；控溫精度為±1 ℃；球-盤摩擦副，材料為GCr15鋼，鋼球直徑6.0 mm，洛氏硬度HRC58～66，Ra<0.05 μm，圓盤直徑10 mm，厚度6 mm，維氏硬度為190～210 HV30，表面粗糙度Ra<0.02μm），詳見圖1；基恩士VK-X100形狀測量激光顯微鏡（LM）；日立SU8010掃描電鏡（SEM）；UV-6300PC紫外可見分光光度計。

1.2摩擦磨損試驗

按質量比為0.2%的比例稱取不同類型的蒙脫土粉末，添加到DOS中后在超聲波清洗器中超聲分散30 min，然后在HFRR上評價其摩擦性能，測試條件：滑動速度為0.1 m/s（根據50 Hz的頻率和1000 μm的沖程計算）、測試溫度60 ℃、載荷7.84 N、摩擦時間75 min。對摩擦學性能的影響；然后選取K10為對象，研究了蒙脫土添加量（0%、0.1%、02%、0.4%與0.6%）、測試溫度（20 ℃、40 ℃、60 ℃與80 ℃）與載荷（3.92 N、5.88 N、7.84 N與98N）等對DOS摩擦學性能的影響。測試完畢后，利用LM、SEM與EDS對磨斑進行表征。

2結果與討論

2.1原料表征與分散性測試

圖2（a）為蒙脫土K10的SEM圖像，可以看出蒙脫土K10為尺寸幾百納米到幾微米大小的層狀微粒堆積而成，這種結構具有較大的比表面積（240 m2/g），片層的厚度在納米級。圖2（b）所示的蒙脫土KSF也為層狀結構，但片層尺寸大，結構較為致密，比表面積較小（20～40 m2/g）。圖2（c）所示的工業蒙脫土與K10類似，具有典型的層片狀結構，但片層尺寸要遠大于K10。

以DOS為基礎油，分別配制質量分數為0.2%的三種蒙脫土樣品，超聲分散30 min，利用高速離心機，在3000 r/min轉速下離心2 min取上清液置于紫外-可見分光光度計中測定吸光度。觀察發現，超聲30 min之后K10可以完全分散，KSF和工業蒙脫土均有少量沉淀沒有分散。離心之后三種樣品還分散著少量添加劑。K10的分散穩定性相對較好。分別配制質量分數為0.175%、0.15%的KSF和工業蒙脫土樣品，超聲分散30 min之后，質量分數為0175%的兩個樣品仍有微量沉淀，質量分數為015%的KSF和工業蒙脫土樣品可以完全分散。見表1。

2.2摩擦學測試結果與分析

圖3為添加不同種類蒙脫土的DOS的摩擦學測試結果。該圖顯示：添加0.2%不同蒙脫土的DOS樣品和純DOS樣品的摩擦系數非常接近，表明蒙脫土在DOS中幾乎沒有減摩作用。添加0.2%蒙脫土KSF的DOS的平均磨斑直徑為380 μm，添加0.2%工業蒙脫土的DOS的平均磨斑直徑為387 μm，它們兩者比純DOS的磨斑直徑（397 μm）略微減小，表明這兩種蒙脫土在DOS中具有一定的抗磨損作用，但效果不明顯；添加蒙脫土K10的DOS潤滑時磨斑直徑為310 μm，與純的DOS相比，上球磨斑直徑減小了22%，利用磨斑直徑可以計算出DOS潤滑時的磨損體積（即被磨損掉的球缺體積）為406522 μm3，添加K10的DOS潤滑時151483 μm3，磨損體積下降約63%。

然后選擇K10為對象，進一步研究了摩擦條件對蒙脫土在DOS中的摩擦學性能的影響，結果顯示見圖4～圖6。

圖4是不同K10添加量對DOS摩擦學性能的影響規律。圖4顯示，添加量對DOS的摩擦系數影響較小，當K10添加量為0.2%時，DOS的摩擦系數（μ=0.1807）和平均磨斑直徑最小，但摩擦系數與純DOS（μ=0.1832）非常接近，表明蒙脫土在DOS中的減摩效果一般；平均磨斑直徑隨著K10添加量的增加先減小后增加，與純的DOS潤滑相比，添加0.2%的K10的磨斑直徑可以下降22%左右，表明蒙脫土K10起到了較好的抗磨作用。隨著K10含量的增加，摩擦系數略有升高，但可以忽略不計；同時平均磨斑直徑變化也不大。實驗中觀察到，K10含量過高，即使超聲震蕩，也很難使K10全部分散在DOS中，不能分散的固體顆粒甚至還會干擾基礎油的潤滑作用，較為適宜的添加量為0.2%。

圖5顯示了測試溫度對添加0.2% K10的DOS的摩擦學性能的影響。數據顯示：40 ℃前的摩擦系數穩定在0.17左右，沒有隨著溫度的升高呈現出明顯的變化，但40 ℃后，隨著溫度的升高摩擦系數出現明顯的上升趨勢；平均磨損直徑則隨著溫度的升高呈現逐漸上升的趨勢，表明低溫有利于蒙脫土K10改性DOS的摩擦學性能。

圖6顯示了測試載荷對含有蒙脫土K10的DOS的摩擦學性能的影響。結果表明隨著載荷的增加，平均摩擦系數略微減小，變化不大。平均磨斑直徑在7.84 N前基本沒有變化，穩定在310 μm左右，表明載荷不高于7.84 N時，K10在DOS中的抗磨損性能能得到充分發揮，但載荷上升到9.80 N時，磨斑直徑明顯增加，表明過高的載荷不利于K10的抗磨損性能的發揮。

2.3磨斑表征

測試完成后，分別選擇添加0.2%的三種蒙脫土DOS潤滑后的磨斑進行微觀表征，包括磨斑顯微圖、三維圖與輪廓曲線，結果顯示見圖7。圖7（a）顯示，工業蒙脫土改性DOS潤滑時，磨痕較深，材料表面出現了較為明顯的剝落，說明黏著和磨粒磨損均較劇烈；用KSF取代工業蒙脫土后，磨斑表面受破壞也較嚴重（圖7（b）），磨損量接近工業蒙脫土改性DOS潤滑時的磨損量。圖7（c）為含有0.2%K10的DOS的磨斑，三維圖像可以看出，磨斑表面較為平整，沒有出現剝落，與工業蒙脫土相比，磨損面積從1346 μm2降到960 μm2，降低約28.7%。這再次證實了K10可改善DOS的抗磨損性能。

表面元素EDS分析結果顯示在圖8。圖8表明，純的DOS潤滑時，磨斑表面主要元素為鐵、氧、碳、鉻，當0.2% K10改性DOS時，摩擦表面出現了Si、Mg與Al等元素，它們均來自蒙脫土K10，表明K10改性DOS潤滑時，K10進入到了摩擦接觸區域，參與了潤滑，并通過摩擦化學反應形成含有Si、Al與Mg等元素組成的摩擦膜，從而磨損得到降低；當用工業蒙脫土與KSF時，由于微粒尺寸大，很難進入到摩擦接觸區域，因而對DOS的性能基本沒有影響。

3結論

（1）三種蒙脫土相比，尺寸更小的K10比蒙脫土KSF和工業蒙脫土擁有更加優越的抗磨性能，但三種蒙脫土幾乎不影響DOS的摩擦系數。

（2）與純的DOS潤滑時相比，含0.2% K10的DOS潤滑時，磨斑直徑可減小22%。K10的潤滑功能主要原因在于小尺寸的K10微粒容易進入摩擦接觸面，形成含有Si、Al與Mg的摩擦膜，從而抗磨能力增強。

（3）摩擦條件對K10在DOS中的抗磨性能有一定影響，K10添加量增加時，磨斑直徑先降低后增加，適宜的添加量在0.2%，但添加量對摩擦系數的影響較小；隨著溫度的升高，磨斑直徑與摩擦系數逐漸增大；載荷增加時，摩擦系數呈下降趨勢，但變化較小，磨斑直徑在7.84 N前變化較小，隨后明顯增加。

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