趙甘林

(長沙環(huán)境保護(hù)職業(yè)技術(shù)學(xué)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(chǔ)油中的摩擦學(xué)特性研究

趙甘林

(長沙環(huán)境保護(hù)職業(yè)技術(shù)學(xué)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(jīng)引起人們的高度重視。本文以季戊四醇酯為可降解基礎(chǔ)油，分別以硫烯、T306、T406為添加劑，在四球摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)上實(shí)驗(yàn)了潤滑劑的摩擦學(xué)特性，用掃描電鏡觀察了磨痕形貌。結(jié)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(shí)，季戊四醇酯潤滑性能好。

【關(guān)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(huán)境污染問題越來越受到人們的普遍關(guān)注。目前全世界使用的潤滑劑，除一部分由機(jī)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(huán)境，嚴(yán)重污染著陸地、江河和湖泊，影響生態(tài)環(huán)境和生態(tài)平衡?？缮锝到獾臐櫥瑒┑难芯烤驮谶@種情況下發(fā)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(chǔ)油[2]。季戊四醇酯(粘度指數(shù)<200時(shí))是一種性能優(yōu)良的綠色潤滑劑基礎(chǔ)油[3]，具有較好的生物降解性能、熱穩(wěn)定性能和抗磨減磨性能，已在航空領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用[4-5]。脂肪酸季戊四醇酯的合成一般是在一定的質(zhì)子性有機(jī)溶劑中進(jìn)行的，產(chǎn)品需經(jīng)過蒸餾除溶劑后才能使用，能耗大、成本高，不適合現(xiàn)在環(huán)保、安全、低能耗、綠色化工的技術(shù)要求。因此由于其“表面的價(jià)格”原因而無法普及。添加劑中的極性官能團(tuán)起著提高承載能力的關(guān)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(shù)添加劑都是以礦物油為基礎(chǔ)油進(jìn)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(chǔ)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(jī)理。

1試驗(yàn)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(shí)驗(yàn)室合成或購買的工業(yè)品，其理化性能見表2。

1.2試驗(yàn)方法

使用SQ-3四球摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)，根據(jù)四球?qū)嶒?yàn)標(biāo)準(zhǔn)GB/T12583-90，測試項(xiàng)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(biāo)

表3　四球摩擦磨損試驗(yàn)條件

2試驗(yàn)結(jié)果分析

試驗(yàn)結(jié)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(dāng)無添加劑時(shí)，季戊四醇酯磨斑直徑為0.80mm，當(dāng)添加劑的添加量小于0.5%時(shí)，季戊四醇酯的磨斑直徑變化不大；當(dāng)添加的添加量大于1%時(shí)，季戊四醇酯的磨斑直徑變化較大?？偟脕碇v，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(xù)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(zhì)量分?jǐn)?shù)加入季戊四醇酯基礎(chǔ)油中，分別測定油品的pB值，結(jié)果如圖2所示。

圖2　添加劑的加入量對最大無卡咬負(fù)荷的影響

由圖2最大無卡咬負(fù)荷隨添加劑添加量的變化曲線可看出，無添加劑時(shí)，季戊四醇酯的最大無卡咬負(fù)荷600。隨著加入添加劑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)增大，季戊四醇酯的最大無卡咬負(fù)荷值等各項(xiàng)性能指標(biāo)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(shí)，pB值達(dá)到最大，之后稍微有點(diǎn)下降，然后趨于平穩(wěn)。

將三種添加劑分別以1%、2%、3%、4%、5% 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)加入季戊四醇酯基礎(chǔ)油中，分別測定油品的pD值，結(jié)果如圖3所示。

圖3　添加劑的加入量對燒結(jié)負(fù)荷的影響

由圖3燒結(jié)負(fù)荷隨添加劑添加量的變化曲線可看出，無添加劑時(shí)，季戊四醇酯的燒結(jié)負(fù)荷1038。隨著加入添加劑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)增大，季戊四醇酯的燒結(jié)負(fù)荷值都有不同程度的增加。其中加入硫烯時(shí)，季戊四醇酯的燒結(jié)負(fù)荷增加的最大，當(dāng)加入5%時(shí)，能夠增加到7840N。其次為T406，當(dāng)其加入量為5%時(shí)，其燒結(jié)負(fù)荷也能增加到6076N。

3作用機(jī)制探究

含硫、磷、氮的極壓抗磨添加劑的作用機(jī)理報(bào)道的比較多，本文主要對其進(jìn)行總結(jié)。硫烯在基礎(chǔ)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(jī)化合物的含量最高. 據(jù)此我們推測，在摩擦過程中，SO與Fe表面發(fā)生了摩擦化學(xué)反應(yīng)，并生成了含鐵的高分子物質(zhì)。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(jī)鐵化合物，即摩擦聚合物。這種直接結(jié)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(yàn)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(chǎn)品中中性磷酸酯的活性較弱，不易在摩擦表面形成化學(xué)保護(hù)膜，酸性酯的性能稍優(yōu)，但是酸性較強(qiáng)，在重負(fù)荷條件下易產(chǎn)生化學(xué)腐蝕、磨損，使其性能變差。對磷型極壓抗磨劑的作用機(jī)理，不同學(xué)者提出不同的觀點(diǎn)。早在40年代就提出所謂“化學(xué)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(xué)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(fā)現(xiàn)在摩擦表面生成FePO4和FePO4·H2O混合物。目前，普遍的觀點(diǎn)是在各個(gè)條件下，磷型添加劑在摩擦表面確實(shí)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(jī)理。

而對于T406添加劑的作用機(jī)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(jié)論

(1) 硫烯(T321) 可以顯著提高季戊四醇酯的燒結(jié)負(fù)荷值(pD值)，當(dāng)添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到5%時(shí)，燒結(jié)負(fù)荷可以達(dá)到7840N，與礦物油相當(dāng)。

(2) 在硫烯的添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%時(shí)，潤滑劑表現(xiàn)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(fù)雜，不僅表現(xiàn)在化合物的種類上，也表現(xiàn)在元素組成上，其大量的研發(fā)工作是在不降低極壓抗磨性能的前提下，提高其熱氧化穩(wěn)定性，降低磷消耗以延長其使用壽命。

參考文獻(xiàn)：

[1]葉斌，陶德華，王鶴壽.幾種添加劑在一些環(huán)境友好潤滑劑基礎(chǔ)油中的抗磨減磨探討[J].潤滑與密封，2002，6：41-42.

[3]王毓民.潤滑材料與潤滑技術(shù)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2005.

[3]趙中興.國外生物降解潤滑劑的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].潤滑油.1994，1：24-26.

[4]馮克權(quán).可生物降解的潤滑劑[J].合成潤滑材料，1996，(2)：22-27.

[5]董凌，方建華，陳國需，陳波水.“綠色”潤滑劑的發(fā)展[J].合成材料，2003，30：10-16.

[6]王大璞，烏學(xué)東，張信剛，等.綠色潤滑劑的發(fā)展概況[J].摩擦學(xué)學(xué)報(bào)，1999，19 (2)：181-186.

[7]Klaus E E，Duda J L，Chao K K.A Study of Wear Chemistry Using a Micro Sample Four-Ball Wear Test[J].Trib Trans，1991，34(3)：426-432.

[8]Laigui Yu，Bahadur S，Qunji Xue.An investigation of the friction and wear behaviors of ceramic particle filled polyphenylene sulfide composites[J].Wear，1998，214：54-63.

[9]Beeck O，Givens J W，Williams E C.The Mechanism of Boundary Lubrication：Wear Prevent ion by Addition Agents[J].Proc Ro y Soc London Ser A，1940，177：103-118.

[10]Barcrofi F T，Daniel S G.The Action of Neutral Organic Phosphates as Extreme Pressure Derivatives[J].J Basic Eng，1965，87(3)：761-770.

[11]Yammoto Y，Hirano F.Scuffing Resistance of Phosphate Esters：Effect of Applied Voltage[J].Wear，1981，66：77- 86.

[12]Godfreg D.The Lubrication Mechanism of Tricresyl Phosphate on Steel[J].ASLE Trans，1965，8(1)：1-11.

[13]Godblatt I L，Appeldoorn J K .The Antiwear Behavior of TCP in Different Atmospheres and Different Base Stocks[J].ASLE Trans，1970，13(3)：203-214.

[14]Gandhi O P，Sharma J P.Sig nature Response for Friction and Wear[J].ASLE Trans，1979，22(4)：365-368.

[15]Forbes E S，Battersby J.Application of Adsorption/Reaction Mechanism to Load-Carrying Results[J].ASLE Trans，1974，17(4)：268-270.

《環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展》簡介

環(huán)境保護(hù)部主管和環(huán)境保護(hù)部環(huán)境與經(jīng)濟(jì)政策研究中心主辦的《環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展》(原《環(huán)境科學(xué)動(dòng)態(tài)》，CCSCI來源期刊，全國中文核心期刊)于1976年創(chuàng)刊，現(xiàn)已加入“中國學(xué)術(shù)期刊(光盤版)全文收錄期刊”、“中國期刊全文數(shù)據(jù)庫(CJFD)全文收錄期刊”、“萬方數(shù)據(jù)-數(shù)字化期刊群全文收錄期刊”、“中國學(xué)術(shù)期刊綜合評價(jià)數(shù)據(jù)庫(CAJCED)統(tǒng)計(jì)源期刊”、“中文科技期刊數(shù)據(jù)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(dǎo)性學(xué)術(shù)期刊”，依據(jù)從環(huán)境保護(hù)的視角報(bào)道可持續(xù)發(fā)展理論與實(shí)踐辦刊宗旨，創(chuàng)新設(shè)置“理論戰(zhàn)略探索”、“政策專題研究”、“法律法規(guī)研討”、“典型案例解析”、“研究動(dòng)態(tài)瞭望”、“研究成果報(bào)道”、“生態(tài)文明之窗”等欄目。本刊底蘊(yùn)深厚尤其自2011年改版以來一直發(fā)揮集中選題的宣傳優(yōu)勢，提前發(fā)布選題，開展征稿組稿，期刊學(xué)術(shù)質(zhì)量顯著提高。

據(jù)知網(wǎng)《中國學(xué)術(shù)期刊影響因子年報(bào)》評估，我刊學(xué)術(shù)影響因子顯著大幅度提高，多年來一直位于全國收錄環(huán)境科學(xué)類期刊前列。同時(shí)知網(wǎng)《2015年發(fā)行與傳播統(tǒng)計(jì)報(bào)告》顯示：我刊機(jī)構(gòu)用戶總計(jì)近5000個(gè)，分布于11個(gè)國家和地區(qū)，如美國國會(huì)圖書館、代頓ITS公司、美國海軍軍事學(xué)院、法國國防部、牛津大學(xué)、韓國最高法院、韓國最高檢察院、日本國會(huì)圖書館、新加坡國家圖書館、伊士曼化學(xué)公司、陶氏化學(xué)、NSD生物技術(shù)咨詢、南澳大利亞大學(xué)等國外機(jī)構(gòu)，我刊業(yè)已成為對外宣傳我國環(huán)境保護(hù)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(xiàn)標(biāo)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(huán)境工程、教學(xué)管理研究

引用文獻(xiàn)格式：趙甘林.硫、磷、氮極壓抗磨添加劑在可降解基礎(chǔ)油中的摩擦學(xué)特性研究[J].環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展，2016，41(2)：159-161.