球-環接觸下油性添加劑對聚α-烯烴油潤滑性能的影響*

樊賽生 荊兆剛 郭 峰

(青島理工大學機械與汽車工程學院 山東青島 266520)

潤滑油可有效減少機械零部件的摩擦、磨損，實現降低能源消耗和提高機械效率的目的。在潤滑油中添加不同功能的添加劑，可以有效提升潤滑油的性能，滿足高端機械設備工作的需求。油性劑作為潤滑油添加劑，可使零部件獲得更低摩擦[1-2]。

事實上，研究人員對油性添加劑的研究已進行了近一個世紀。WELLS和SOUTHCOMBE[3]首次把低濃度植物油衍生的游離脂肪酸溶解在礦物油中，發現礦物油具有與動植物油相同的效果。LANGMUIR[4]發現沉積在玻璃盤上的油酸單分子層能極大地減少摩擦。REDDYHOFF等[5]使用微型摩擦試驗機測量含有油性添加劑的低黏度硅油、十六烷和甲苯的摩擦力矩，發現油性劑能夠顯著降低摩擦力。上述的研究說明了油性劑能分離摩擦副之間的接觸，減少零部件的摩擦和磨損。此外，一些研究人員還探討了羧酸和醇類等同系兩親化合物的鏈長對摩擦力的影響,結果表明，只有烷基鏈超過4個碳原子才能顯著降低摩擦力，且隨著鏈長的增加，摩擦力逐漸減小[6-8]。HARDY和DOUBLEDAY[9]研究發現潤滑劑的摩擦力隨著脂肪酸鏈長的增加而減小，并提出邊界潤滑的簡單模型。JAHANMIR[10]使用球柱機測量摩擦因數，在正十六烷中添加碳原子數為12～18的羧酸和正醇，發現摩擦因數隨著油性添加劑鏈長的增加而減小。FRY等[11]使用橢偏儀和石英晶體微天平(QCM)原位檢測了分別含有油酸、十八胺、油胺和單油酸甘油酯的十六烷在硅晶片上的吸附層厚度，發現有機改性劑的吸附層厚度不小于0.6 nm時玻璃-硅摩擦副具有較低的初始摩擦。KALIN和KUS[12]選用胺、醇、酰胺和脂肪酸作為添加劑添加到PAO中，提出了一種油性劑在接觸表面形成疏油邊界層的鋼對鋼接觸彈流潤滑(EHD)減摩機制。

目前油性劑對潤滑性能影響的研究大部分在邊界潤滑條件下進行，關注油性劑對接觸表面摩擦磨損的影響，而在全膜潤滑條件下的研究數據匱乏。本文作者使用實驗室自主研發的球-環光彈流潤滑試驗臺，用滾動軸承等精密機械零部件廣泛應用的PAO[13]作為基礎油，研究了油性劑鏈長和滑滾比等因素對潤滑劑膜厚和摩擦因數的影響。

1 試驗部分

1.1 試驗設備

試驗所用球-環光彈流油膜測量試驗臺，其主要特點是潤滑劑所受離心力與接觸表面垂直。相較于球-盤接觸試驗裝置[14]，該試驗臺更接近于滾動軸承一類零部件的工況。試驗臺的示意圖如圖1所示。試驗摩擦副為玻璃環和鋼球，鋼球與玻璃環內表面接觸。玻璃環由普通光學玻璃K9制成，內徑為110 mm，表面粗糙度Ra=4 nm，在玻璃環工作表面鍍約20 nm的鉻膜。鋼球直徑為25.4 mm，表面粗糙度Ra=5 nm，材質為GCr15。玻璃環和鋼球分別被伺服電機驅動，可實現不同的滑滾模式。在試驗臺上安裝相機和CCD，用來放大和捕獲干涉圖像。其中平凹柱面透鏡讓干涉條紋在卷吸速度與其垂直方向同時聚焦起到圖像校正作用，獲得清晰的干涉圖像。波長分別為640 nm(紅光)和525 nm(綠光)的激光源產生干涉圖像，并使用雙色干涉法[15]來測量油膜的厚度。摩擦力測量原理圖如圖2所示，拉壓力傳感器施加一定預緊力，經放大器放大的電信號通過數據采集卡傳輸到計算機實時處理并顯示[16]。

圖1 球-環光彈流油膜潤滑試驗臺

圖2 摩擦力測量系統示意

1.2 試驗條件和試驗材料

試驗條件如表1所示。其中，當滑滾比ξ=0時，鋼球相對于玻璃環為純滾動；當滑滾比等于±2時，鋼球相對于玻璃環為純滑動，除此之外玻璃環與鋼球為滑滾狀態。ξ表達式為

ξ=(ur-ub)/ue

(1)

ue=(ur+ub)/2

(2)

式中：ur為玻璃環線速度；ub為鋼球線速度；ue為卷吸速度。

表1 試驗條件

試驗使用的基礎油為PAO10。油性添加劑分別為硬脂酸(C18H36O2，Stearic acid)、棕櫚酸(C16H32O2，Palmitic acid)和肉豆蔻酸(C14H28O2，Myristic acid)。圖3展示了PAO的分子結構以及3種油性劑的分子結構。3種油性添加劑基本性質如表2所示。

圖3 3種油性添加劑與PAO分子結構

表2 油性劑的特性

表3給出了23 ℃時試驗所用潤滑劑的性質，其中PAOM表示添加質量分數0.2%肉蔻豆酸的PAO10潤滑劑；PAOP表示添加質量分數0.2%棕櫚酸的PAO10潤滑劑；PAOS表示添加質量分數0.2%硬脂酸的PAO10潤滑劑。從表3可知，4種潤滑劑的動力黏度相差不到4%。

表3 潤滑劑性質

1.3 潤滑劑配制方法

PAOM、PAOP和PAOS 3種潤滑劑的配制方法：使用電子精密天平稱取一定質量的PAO10油，再按質量分數0.2%稱取油性劑，將兩者混合后放在60 ℃的真空干燥箱中，直至油性劑在PAO10中完全溶化，然后使用磁力攪拌器攪拌1 h。將配制的潤滑劑靜置在室溫環境下2天，觀察潤滑劑中沒有絮狀物產生，說明潤滑劑穩定性良好。

潤滑劑使用方法：試驗前，先將潤滑劑通過超聲波超聲震蕩30 min，保證油性劑分散均勻；試驗時，為保證油性劑均勻地吸附在鋼球表面以及潤滑劑均勻地鋪展在玻璃環上，球-環光彈流油膜測量試驗臺先以10 mm/s 的速度進行預跑合30 min。

2 結果與分析

2.1 油性劑對PAO10油膜厚的影響

圖4所示為在載荷30 N和滑滾比分別為0.1、0.4、0.8條件下，PAO10、PAOM、PAOP和PAOS 4種潤滑劑中心膜厚隨卷吸速度變化曲線。在不同滑滾比條件下，4種潤滑劑中心膜厚隨卷吸速度增加而增加；而4種潤滑劑中，PAOM、PAOP和PAOS的膜厚小于PAO10膜厚，其中PAOS的膜厚最小。這是因為，油性劑在摩擦表面上吸附，形成的吸附膜具有較低的表面能，在一定的潤滑狀態下會發生吸附膜和流體膜之間的滑移，導致流體膜的承載能力和膜厚降低[17-18]。由表3可知，4種潤滑劑的黏度差別不大，所以黏度并不是導致PAOM、PAOP和PAOS膜厚降低的原因。

圖4 不同滑滾比時基礎油以及PAOM、PAOP和PAOS 3種潤滑劑膜厚隨卷吸速度變化

選取卷吸速度為1、24、96、384、512 mm/s，基礎油PAO10和PAOS在滑滾比為0.4，以及PAO10和PAOM在滑滾比為0.8時的油膜干涉圖，結果如圖5所示。可以看出，滑滾比為0.4時PAOS的中心膜厚明顯小于PAO10；滑滾比為0.8時PAOM的中心膜厚接近于PAO10。

圖5 在滑滾比分別為0.4和0.8時PAO10與2種潤滑劑PAOS和PAOM在不同卷吸速度下的油膜干涉圖

2.2 油性劑對PAO10油摩擦因數的影響

為了進一步探索油性劑對全膜潤滑性能的影響，在載荷30 N和滑滾比分別為0.1、0.4和0.8時，試驗研究了PAO10、PAOM、PAOP和PAOS 4種潤滑劑摩擦因數隨卷吸速度的變化，結果如圖6所示。很明顯，在對數坐標系下，4種潤滑劑的摩擦因數隨卷吸速度的增加表現為先降低后增加，而且3種含油性劑的潤滑油的摩擦因數都小于基礎油PAO10的摩擦因數。可以看出，圖6(a)中，PAOP和PAOS的摩擦因數明顯低于基礎油PAO10的摩擦因數，而PAOM的摩擦因數略低于基礎油PAO10的摩擦因數；圖6(b)中，3種含有油性劑的潤滑油的摩擦因數都明顯小于基礎油PAO10的摩擦因數；圖6(c)中，PAOM的摩擦因數與基礎油PAO10的摩擦因數幾乎相同，PAOP和PAOS的摩擦因數略低于基礎油PAO10的摩擦因數。在同一滑滾比下，PAOM、PAOP和PAOS的摩擦因數均小于基礎油PAO10的摩擦因數，是因為油性劑在鋼球表面形成的吸附膜與流體膜之間產生滑移導致摩擦因數降低[12]，同時不同的油性劑分子在鋼球表面形成的吸附膜疏油程度不同造成摩擦因數有不同幅度的降低。

由圖6還可得到滑滾比對油性劑作用的影響。以在24～512 mm/s速度范圍內摩擦因數的平均值表征潤滑油在彈流狀態的摩擦特性，得到圖7所示的結果。可以看到，滑滾比增加，平均摩擦因數增加。當滑滾比為0.4時，油性劑作用最為明顯。與基礎油PAO10相比，在滑滾比為0.1時，PAOM的平均摩擦因數降低了3.87%，PAOP的平均摩擦因數降低了26.67%，PAOS的平均摩擦因數降低30.94%；在滑滾比為0.4時，PAOM的平均摩擦因數降低了23.31%，PAOP的平均摩擦因數降低了31.67%，PAOS的平均摩擦因數降低了35.97%；在滑滾比為0.8時，PAOM的平均摩擦因數降低了0.03%，PAOP的平均摩擦因數降低了6.98%，PAOS的平均摩擦因數降低了6.60%。

圖6 不同滑滾下PAO10、PAOM、PAOP和PAOS潤滑劑摩擦因數隨卷吸速度變化

2.3 油性劑的吸附表征

為模擬油性劑在鋼球表面的吸附，采用4 mm×4 mm×10 mm的鋼塊以及PAOM、PAOP和PAOS 3種潤滑劑進行油性劑吸附試驗。試驗開始前，將鋼塊放入超聲波清洗機中，在石油醚和乙醇中清洗30 min，然后將鋼塊浸泡在3種潤滑劑中，在室溫下靜置6 h，保證油性劑充分吸附在鋼塊表面；最后用正庚烷沖洗鋼塊表面，沖洗后進行AFM形貌測量和接觸角測量。

圖8所示為原始鋼塊和PAOS處理的鋼塊的表面形貌。原始鋼塊表面有明顯銑削加工痕跡，使表面呈現凹凸不平； 而PAOS處理后的鋼塊表面分布著許多整齊排列納米級小凸峰，使表面平整光滑。此外，PAOM、PAOP處理后的鋼塊表面形貌也和圖8(b)類似，表明在鋼塊表面有油性劑分子吸附。

圖8 原始鋼塊和油性劑處理后鋼塊表面形貌

使用微量進樣器在鋼塊表面滴1 μL去離子水液滴，經過15 s后，通過接觸角測量儀測量接觸角，接觸角變化情況如圖9所示。經過油性劑處理的鋼塊表面的接觸角均大于原始鋼塊的接觸角，且接觸角隨著油性劑分子結構鏈長的增加而增加。

圖9 原始鋼塊與油性劑處理后鋼塊接觸角變化

黏附功WA和接觸角θ的關系[19]，可表示為

WA=γLG(1+cosθ)

(3)

式中：WA為黏附功；γLG為液體的表面張力；θ為液體在固體表面的接觸角。

一般地，接觸角θ越小，界面黏附功越大，表示固液界面結合能力越大。

從表3中可知,4種潤滑劑的表面張力相差很小，可將潤滑劑的表面張力γLG視為常量。根據圖9可得,PAO10與鋼球表面的黏附功最大，PAOS與鋼球表面的黏附功最小。已知PAOM、PAOP和PAOS的黏附功都小于PAO10的黏附功，說明PAOM、PAOP和PAOS在鋼球表面形成的吸附膜改變了固液界面的表面張力，而且隨著油性劑分子鏈長增加固液界面間的結合能力越弱。

綜合圖8、圖9和黏附功WA的分析可以得出，在球-環接觸條件下，鋼球表面吸附著一層垂直分布的油性劑單分子層，使鋼球表面的表面能降低，進一步驗證了膜厚和摩擦因數降低的原因是油性劑在鋼球表面形成的吸附膜與流體膜之間產生滑移引起的。同時也再次證明了油性劑吸附膜與其鏈長的相關性。文中研究的硬脂酸、棕櫚酸和肉豆蔻酸油性劑的碳原子個數分別是18、16、14，鏈長最長的硬脂酸具有最大的接觸角、最低的膜厚和最小的摩擦力。

3 結論

(1) 在全膜潤滑狀態下，硬脂酸、棕櫚酸和肉豆蔻酸3種油性劑對PAO油的膜厚和摩擦力都有影響。低速時PAOM、PAOP和PAOS 3種潤滑劑和基礎油PAO10的膜厚差別不明顯；隨速度增加，油性劑的加入使得膜厚降低，其中含有鏈長最長的油性劑硬脂酸的PAOS的膜厚最小。3種潤滑劑摩擦因數都低于基礎油摩擦因數，且 PAOS的摩擦因數最低。

(2) 滑滾比對油性劑作用有明顯影響，隨著滑滾比增加油膜受到剪切應力增大，大滑滾比下容易造成油性劑在摩擦表面上形成的吸附膜遭到破壞，使油性劑吸附效應降低，導致PAOM、PAOP和PAOS的摩擦因數與PAO10差別變小。

(3) AFM和接觸角測量結果表明了油性劑在鋼球表面形成了一層疏油的表面吸附邊界層。油性劑吸附膜與其鏈長相關，鏈長越長的油性劑具有最大的接觸角、最低的膜厚和最小的摩擦力。

(4) 油性劑在鋼球表面形成的吸附膜具有較低的表面能，會導致吸附膜和流體膜之間的滑移，導致膜厚和摩擦因數降低。隨著油性劑分子鏈長增加，固液界面間的結合能力變得越弱。