水溶性磺酸鹽在難燃液壓液中的性能研究*

(華東交通大學材料科學與工程學院 江西南昌 330013)

隨著科技的進步和設備的現代化，使得液壓液作為傳遞動力的介質的同時，還必須具有潤滑、防銹、冷卻等功效[1]。同時，由于現代工業的要求，在高溫高壓的液壓系統中必須應用難燃液壓液[2]。

水-乙二醇難燃液壓液(HFC)是現在使用最廣泛的難燃液壓液，其中水是難燃液壓液的抗燃成分，二元醇類中乙二醇可以顯著改善抗燃液壓液體系的低溫性能、降低冰點和傾點，而添加的低分子量的增稠劑或是聚醚，可提高HFC在苛刻條件下的剪切安定性[3]。

水溶性潤滑添加劑的分子中必須含有賦予抗磨和極壓性能的基團。研究表明，三嗪衍生物是一類新型無灰環境友好型潤滑油極壓抗磨添加劑，但是作為水基添加劑的應用研究剛剛開始。HE等[4]合成了一種新型水溶性三嗪衍生物，其在水-乙二醇基礎液中具有良好的摩擦學性能。李芬芳和盛麗萍[5]對摩擦性能優良的三嗪進行了改性，合成了3種新型水溶性三嗪衍生物，并對其摩擦機制進行了初步探討。結果表明，摩擦過程中，在摩擦副表面生成了含硫、氮等的復合邊界潤滑膜是該系列添加劑表現出良好的極壓抗磨性能的主要原因。

磺酸鹽中的磺酸根基團既是陰離子基團，又是強親水基團，將其引入添加劑中會顯著地提高分子的水溶性、增稠性以及對高價金屬離子的抵抗性等理化性能。將磺酸鹽作為親水性基團，對油溶性添加劑進行改性，可以有效解決添加劑的水溶性和吸附性問題；同時磺酸鹽在油基中是一種重要的防銹劑，故其在改善水基潤滑液的防銹性能方面有很大的研究價值。

本文作者合成2種含磺酸鹽的三嗪衍生物，分別為只含有三嗪環的STB和同時含有S元素和三嗪環的STC。將STB和STC加入自制的HFC中配置幾種水-乙二醇難燃液壓液，采用摩擦磨損試驗機分析其摩擦學性能，采用掃描電子顯微鏡(SEM)和X-射線光電子能譜(XPS)對不同HFC潤滑下鋼球表面的磨斑形貌進行分析，并與市售的國產及進口HFC產品的摩擦學性能進行了對比，研究含磺酸鹽三嗪衍生物作為高效多功能水基潤滑添加劑的應用效果。

1 實驗部分

1.1 添加劑的合成

實驗采用的三聚氯氰是工業級，其他材料均為化學純。采用的6-(二乙胺基)-2,4-雙(磺酸鈉基) -1,3,5- 三嗪 (STB) 和6-乙基磺胺酸基- 2,4 -雙 (磺酸鈉基) -1,3,5- 三嗪(STC)參照文獻[6]制備，合成路線如圖1所示。

圖1 添加劑的合成路線

1.2 水-乙二醇難燃液壓液的配置

水-乙二醇難燃液壓液的基礎液一般由水和二元醇組成。隨著乙二醇所占比例的增大，傾點會下降，而抗燃性也隨之降低[7]。為了避免水中的鈣、鎂陽離子和氯、硫酸根等陰離子的影響，一般用去離子(軟化)水配置基礎液。文中實驗自制的HFC是使用乙二醇和去離子(軟化)水按1∶1比混合而成，其冰點為-36 ℃，傾點為-55 ℃。

因水-乙二醇基礎液的黏度太小，無法滿足GB/T 21449-2008中規定的黏度要求，須要在基礎液加入增稠劑。水溶性聚醚(PAG)具有很強的增稠、抗剪切性，是使用效果最好的增稠劑之一。文中使用南京威爾化工生產的PAG產品(SDN-10D)對水-乙二醇基礎液進行增稠(結果如表1所示)，發現PAG的質量分數為17%～20%時，可以滿足GB/T 21449-2008中規定的40 ℃黏度要求(41.4～50.6 mm2/s)。

表1 黏度測試結果

在質量分數17%PAG增稠的HFC基礎液中，分別加入2%STB、1.5%STC、2%STB+1%STC、1.5%STB+1.5%STC、1%STB+2%STC，在室溫下磁力攪拌2 h使其完全溶解，配置成5種難燃液壓液。

1.3 HFC性能測試標準及方法

根據GB/T 21449-2008以及行業標準，按表2所示的測試標準和試驗方法測試水-乙二醇難燃液壓液的各項性能。

表2 水-乙二醇難燃液壓液的測試標準及方法

40 ℃ 運動黏度使用SNB-1型數字式黏度計(上海精天科學儀器有限公司生產)進行測定。在Shell-Seta型摩擦磨損試驗機上按照GB/T 3142-82方法測定基礎油及含添加劑的基礎油的最大無卡咬負荷(pB值)，試驗時間為10 s。

1.4 摩擦磨損試驗

采用濟南舜茂試驗機廠生產的MMW-1立式萬能摩擦磨損試驗機，按照GB 3142-82 (同ASTM D2783)標準進行長磨試驗，考察水-乙二醇難燃液壓液的摩擦學性能。試驗條件為：轉速1 450 r/min，室溫，試驗時間30 min。鋼球為上海軸承廠生產的二級GCr15標準鋼球。

試驗后用石油醚超聲清洗鋼球2次，各15 min。利用Tescan公司生產的Vega3型掃描電鏡(SEM)和Zeiss Sigma EDS牛津能譜儀(EDS)分析鋼球表面形貌以及鋼球表面的元素分布；利用PHI Quantum 2000型XPS分析鋼球表面的化學成分。

2 結果與討論

2.1 難燃液壓液性能分析

對配置的5種難燃液壓液的理化性能、極壓、抗磨、防銹性能進行分析，結果如表3所示。可知，試樣8#和9#的各項性能均滿足表2所示的標準要求。考慮到應用中的水解穩定性和低含硫量要求，文中選擇8#樣品(添加劑組成為2%STB + 1%STC)進行摩擦學性能分析。

表3 HFC試樣的測試結果

為了排除增稠劑對潤滑效果的影響，準確考察含磺酸鹽型三嗪水基潤滑添加劑在難燃液壓液中的應用效果，在國產和進口HFC產品中均添加質量分數17%的PAG增稠劑，同時添加復配的磺酸鹽潤滑添加劑(2%STB+1%STC)。表4中對自制的HFC、國產HFC和進口HFC和僅添加17%PAG增稠劑的基礎液的性能進行比較。

表4 HFC試樣性能比較

從表4可知，2%STB+1%STC添加劑添加到不同基礎液中，均能提高基礎液的極壓性能。對比聚醚空白基礎液，加入復配的磺酸鹽潤滑添加劑(2%STB+1%STC)后，自制HFC的極壓值提升了109%，說明制備的三嗪磺酸鹽在自制的HFC中的極壓性能優良。自制的HFC的極壓值大于國產和進口HFC產品，且還具有很好的承載能力。

結合表3和表4可知，合成的含磺酸鹽的三嗪衍生物起到了極壓、抗磨、防銹作用，是一類多功能高效難燃液壓液添加劑。

2.2 抗磨減摩性能比較

圖2所示是添加復配的磺酸鹽潤滑添加劑(2%STB+1%STC)的4種試樣潤滑下鋼球的磨斑直徑隨載荷的變化曲線。

圖2 載荷對不同試樣磨斑直徑的影響

可以看出，4種試樣潤滑下鋼球的磨斑直徑均隨著載荷的增加而變大。其中國產HFC在高載荷下抗磨性能很差，而不同載荷下，自制HFC和某進口HFC潤滑下的磨斑直徑均小于含聚醚的基礎液潤滑下的磨斑直徑，表現出良好的抗磨性能。相同條件下進口HFC潤滑下的磨斑直徑更小，說明添加劑在某進口HFC中的抗磨性能更好更穩定。在中低載荷下，自制的HFC和進口HFC在抗磨性能方面相差不大。

4種試樣的摩擦因數隨載荷的變化關系如圖3所示。可以看出，只含聚醚的基礎液的摩擦因數較大，但隨著載荷的增大趨于穩定。含添加劑的進口HFC的摩擦因數也較大，但是相對于聚醚空白基礎液有一定的減小，但減摩性能不佳。自制HFC和國產HFC在中低載荷下摩擦因數較小，但在高載荷下摩擦因數增大較快。自制HFC摩擦因數小于相同條件下的進口HFC，減摩穩定性優于國產HFC，摩擦因數在各個載荷下均低于聚醚空白基礎液，說明合成的磺酸鹽潤滑添加劑在自制HFC難燃液壓液中具有良好的減摩性能。

圖3 載荷對不同試樣摩擦因數的影響

2.3 SEM分析

圖4所示是載荷392 N下添加復配的磺酸鹽潤滑添加劑(2%STB+1%STC)的4種試樣潤滑下鋼球磨損表面的形貌圖。可以看出，只含PAG的HFC潤滑下的鋼球表面有很深的犁溝，產生犁溝磨損的原因是發生了磨粒磨損，而含添加劑STB和STC的HFC潤滑下的鋼球表面要平滑很多，磨損表面的磨痕較淺，表明添加劑可以提高基礎液的摩擦學性能。從圖中還可以看出，相同條件下進口HFC潤滑下的磨損表面的光滑程度要好于自制HFC潤滑下的磨損表面，和圖3所示的磨斑直徑測試結果一致。

圖4 不同HFC試樣潤滑下的鋼表面磨損形貌SEM圖

2.4 XPS分析

圖5 自制HFC潤滑下磨損表面XPS分析

3 結論

(1) 在以質量比1∶1的去離子水和乙二醇的基礎液中，加入質量分數17%～20%的增稠劑PAG，可以滿足難燃液壓液的黏度要求。

(2) 將17%PAG+2%STB+1%STC加入到自制的HFC中，可使基礎液的極壓值提高109%，達到696 N，并且高于其在兩種市售產品中的極壓值。復配的磺酸鹽水基潤滑添加劑在自制的HFC溶液中具有很好極壓、抗磨和減摩性能。

(3) 合成的水溶性磺酸鹽添加劑在HFC溶液中通過化學吸附與鋼球表面發生摩擦化學反應，在鋼球表面形成一層含無機硫化物、有機氮化合物等組成的具有極壓抗磨減摩等功能的復合邊界潤滑膜。