發動機用潤滑油添加劑的研究進展*

郭文娟

（寶雞職業技術學院生物與建筑工程學院，陜西寶雞 721013）

近年來，隨著科學技術的不斷進步，我國的汽車制造業得到迅速發展，發動機作為汽車的核心部件，它的使用壽命與動力性能直接決定了汽車的品質與受青睞程度。而發動機中的內燃機主導著發動機性能。因此，如何通過添加潤滑油降低發動機中內燃機的摩擦損失引起國內外科研工作者的廣泛關注[1]。而內燃機在使用過程中，產生的碳顆粒、污染物與金屬磨粒等雜質摻入潤滑油中都會破壞潤滑，加劇內燃機磨損，使發動機的動力性能與經濟性顯著降低。因此，如何提高潤滑油的潤滑性能是亟待解決的主要問題。在潤滑油中加入添加劑是提高潤滑性能的一種重要途徑[2]。在潤滑油中加入添加劑后，在發動機運行過程中發生摩擦反應后，一層反應膜會形成于摩擦反應副表面，不僅降低了摩擦反應系數，而且在一定程度上可以修復和填補摩擦表面，最終使潤滑油的抗磨、減摩性能得以提高，從而應用于更加苛刻的潤滑環境中[3]。本文綜述了潤滑油添加劑的種類，闡述了不同添加劑的作用機理，提出了當前存在的問題和研究熱點。

1 發動機用潤滑油添加劑的研究現狀

潤滑油主要包含基礎油和添加劑。基礎油作為潤滑油的主要組成部分，它決定了潤滑油的基本性能。添加劑是基礎油成為高級潤滑油的必需品，精心選擇合適的添加劑，可顯著改善基礎油的物理化學性質，彌補基礎油在潤滑性能方面的不足，賦予其新的性能，進一步滿足更高的潤滑要求，更是潤滑油質量的關鍵保證。目前潤滑油添加劑的種類有很多，包括球形微納米顆粒潤滑油添加劑[4-6]、硼酸酯潤滑油添加劑[7-8]、金屬鉬/鎢系列潤滑油添加劑[9-10]與苯三唑脂肪胺鹽潤滑油添加劑[11-12]等。

2.1 發動機用球形微納米顆粒潤滑油添加劑

球形微納米顆粒潤滑油添加劑主要包括金屬單質、金屬單質復合物、金屬氧化物、金屬氧化物復合物、硫化物以及硫化物復合物等；而不同的制備方法所得微納米顆粒添加劑的組成與潤滑性能不同，其制備方法主要有溶膠凝膠法、水熱法、溶解熱法、激光輻照法、沉淀法等[13]。例如：宋小云[14]利用水熱法制備了粒徑約為95nm的類球形ZnO納米顆粒，分別對面接觸和點接觸的摩擦性性能進行了測試。結果表明，ZnO類球形納米粉體作為潤滑油添加劑，可以改善潤滑油的摩擦性能，ZnO納米粉體的添加量不同，潤滑油的摩擦系數減小程度不同，當添加適量的ZnO納米粉體時，摩擦系數較小，最多可降28%。董凌等[15]采用微膠囊技術，以納米銅顆粒為“芯”， 有機物為“殼”合成了“芯-殼”結構的納米銅微膠囊，即納米銅顆粒表面均勻地包覆了一層有機膜，從而提高了其在潤滑油中分散性和穩定性，使該納米復合顆粒表現出較好的抗磨減摩、極壓性能。許耀華等[16]通過原位修飾法在納米銅顆粒的表面修飾了一層網狀結構，抑制了納米銅的團聚與氧化，提高了納米銅的水溶性，其在水介質中，表現出優良的分散性、穩定性以及抗氧化性，使該納米復合顆粒表現出較好的抗磨減摩、極壓性能。王青寧等[17]利用表面活性劑Tween-40與Span-80同納米銅粉體進行復配，可以明顯提高納米銅顆粒在 10#機械油中的分散性與穩定性，使該納米復合顆粒表現出較好的抗磨減摩、極壓性能。由此可見，球形微納米顆粒潤滑油添加劑通常會在基體上形成一層潤滑摩擦層，能夠起到抗磨減摩的作用；其作用機理一般可分為以下3種：拋光效應、微軸承效應、自修復效應。但是，球形微納米顆粒潤滑油添加劑也存在明顯的缺點，納米顆粒極易團聚，不易形成球形納米顆粒。因此，如何提高球形微納米顆粒潤滑油添加劑的分散性是該領域的研究熱點。

1.2 發動機用硼酸酯潤滑油添加劑

硼酸酯潤滑油添加劑主要分為具有活性元素的硼酸酯添加劑、無活性元素的硼酸酯添加劑及復合型硼酸酯潤滑油添加劑三類。通常在硼酸酯結構中摻入S、P、N等具有活性的元素，這些具有加強活性的元素在使用潤滑油的過程中，有助于與金屬的表面形成一層保護薄膜，從而提高潤滑油的抗磨減摩性能[18-20]。目前，研究最多的硼酸酯潤滑油添加劑是含有N元素的硼酸酯添加劑，也是研究的熱點之一。由于硼酸酯中硼原子缺少電子，而N 原子中存在弧對電子，二者之間能夠形成氮硼配位鍵，從而提高了潤滑油的抗磨抗壓性能；此外，兩種元素之間的協同作用顯著提高了潤滑油的水解穩定性能。含有S活性元素的硼酸酯添加劑具有一定的吸附性能，在金屬表面形成一層吸附膜，從而提高潤滑油的抗磨減摩性能。相比含有S活性元素的硼酸酯潤滑油添加劑，含有P活性元素的硼酸酯潤滑油添加劑存在明顯的缺點即極壓性較差。然而，在硼酸酯潤滑油添加劑中同時引入硫與磷，其抗磨抗壓性能能夠得到顯著的改善。如高瑞保等[21]合成的含硫、氮的苯基硼酸酯潤滑油添加劑（1-巰基苯并噻唑-2-辛基-3-苯基硼酸酯），作為添加劑加入潤滑油中，可以提高潤滑油的抗磨減摩性能。當1-巰基苯并噻唑-2-辛基-3-苯基硼酸酯的加入量為2.5%時，潤滑油的抗磨性能提高了24.7%，承載能力提高了131.8%。最終，有效地減輕金屬摩擦副表面的磨損和擦傷。龔殿婷等[22]利用五氧化二磷、十六醇與硼酸為原料，通過酯化法合成了含磷硼酸酯潤滑油添加劑，用四球機測試了該添加劑對潤滑油的摩擦性能，結果表明具有較高的水解穩定性和較好的抗磨性能。而沒有活性元素的硼酸酯添加劑也能夠提高潤滑油的抗磨減摩性能，因其在使用過程中，能夠與金屬表面發生摩擦反應形成邊界潤滑保護膜。但是，無活性元素硼酸酯添加劑的缺點非常明顯，在使用過程中，容易水解失去潤滑性能。

1.3 發動機用金屬鉬/鎢系列潤滑油添加劑

鉬/鎢系列潤滑油添加劑屬于高檔油品的添加劑，在發達國家的研究已趨成熟。含S、低P、含N鉬/鎢系列添加劑的油溶性問題已經得以解決，以上產品均表現出較好的穩定性，尤其是含N鉬/鎢系列潤滑油添加劑展現出優良的抗氧化性能。然而在中國，對鉬/鎢系列潤滑油添加劑已經進行了大量的研究工作，但是對鉬/鎢系列潤滑油添加劑生產水平仍然處于初級階段，合成關鍵技術以及穩定性等諸多問題尚未解決。

鉬/鎢有著類似的化學結構與性質，而MoS2/WS2具有類似于石墨的層狀結構，因此它們合成的金屬鉬/鎢系列潤滑油添加劑結構也類似，都具有良好的潤滑性能。鉬/鎢系列潤滑油添加劑根據其結構以及所含主元素種類大致可分為以下四類：含 S 元素的鉬/鎢系列潤滑油添加劑、含N元素的鉬/鎢系列潤滑油添加劑、含N 和 S 元素的鉬/鎢系列潤滑油添加劑以及含S與P元素的鉬/鎢系列潤滑油添加劑[23-25]。如An等[26]研究發現WS2作為潤滑油添加劑，在使用過程中會發生摩擦化學反應，在金屬表面會形成一層WS2納米膜，能夠保護金屬表面，起到潤滑的作用。Dabrowski等[27]合成的甲苯基二硫代羧酸鉬與苊共同使用時，兩者會產生協同作用，在金屬表面會形成FeMo2S4潤滑保護膜，表現出優良的抗磨減摩性能。夏迪等[28]合成的二烷基二硫代氨基甲酸鉬潤滑油添加劑，加入潤滑油中，可以明顯提高潤滑油的抗磨減摩性能。當二烷基二硫代氨基甲酸鉬的加入量為3.0%時，潤滑油的減摩性能降低了40.2%，加入量為2.0%時，減摩性能最佳。

1.4 發動機用苯三唑脂肪胺鹽潤滑油添加劑

苯三唑脂肪胺鹽作為一類潤滑油添加劑，能夠明顯提高潤滑油的防腐、抗氧化、抗磨、減摩等性能[29]。苯三唑脂肪胺鹽的合成方法主要分為以甲醇或者水為溶劑的制備方法[30-31]。但是，以甲醇作為溶劑制備苯三唑脂肪胺鹽是一種傳統方法，產率較低（低于80%），合成工藝條件苛刻。而以水作為溶劑，不僅簡化了合成工藝，提高了產品收率；而且降低了成本，避免甲醇減輕了環境污染；尤其是提高了其油溶性，從而明顯改善了潤滑油的防腐和減磨性能。苯三唑脂肪胺鹽潤滑油添加劑的緩蝕機理討論較多的是物理吸附機理[32]和薄膜機理[33]。如：馮冰等[34]研究了苯三唑脂肪胺鹽潤滑油添加劑的吸附性能與緩蝕性能之間的關系。研究結果表明苯三唑脂肪胺鹽作為潤滑油中的添加劑引起的吸附效應直接影響潤滑油的緩蝕性能。王穎等[35]利用多聚甲醛、油胺、苯三唑為原料，制備了液體苯三唑胺鹽。與固態苯三唑胺鹽相比，液體苯三唑胺鹽作為潤滑油添加劑在低溫下的油溶性以及抗磨減摩性能和防銹防腐蝕性能更好。而且，該方法制備的液體苯三唑胺鹽的產率較高，可達93.57%，合成過程中不添加有機溶劑，制備工藝簡單，合成條件溫和，符合綠色環保合成要求。

2 結論與展望

潤滑油添加劑直接影響著潤滑油的使用范圍和使用壽命，它不僅能夠保護金屬界面，而且可以使潤滑油使用壽命延長、使用范圍擴大，從而進一步延長發動機等機械設備的使用壽命。近年來，隨著環保要求的逐漸提高和潤滑油使用要求的日益提高，那些性能單一、含有硫、磷及重金屬元素的潤滑油添加劑很難滿足不同工業部門發展需求，而開發高性能、多功能和綠色環保的復合潤滑油添加劑是未來的研究重點和難點。硼酸酯潤滑油添加劑擁有良好的密封性以及氧化穩定性、防銹抗腐蝕性，有望成為一種高性能、多功能和綠色環保的復合潤滑油添加劑。球形微納米顆粒具有良好的減摩、抗磨性能，離子液體和柔性納米材料等作為潤滑油添加劑具有很大的研究空間和廣闊的應用前景。