堿金屬磺酸鹽的摩擦學(xué)和抗氧化性能研究

熊麗萍,何忠義,,王俊肖,仇建偉,伏喜勝

(1.華東交通大學(xué)基礎(chǔ)科學(xué)學(xué)院,江西南昌330013;2.中國(guó)石油蘭州潤(rùn)滑油研究開發(fā)中心,甘肅蘭州730060)

納米材料作為潤(rùn)滑油添加劑的研究越來(lái)越受到關(guān)注[1-2],其主要集中于納米金屬及其氧化物,無(wú)機(jī)碳酸鹽的納米材料作為潤(rùn)滑油添加劑的研究不常見。

在上世紀(jì)80年代發(fā)現(xiàn)某些特殊結(jié)構(gòu)的磺酸鹽在金屬加工油中有非常好的極壓潤(rùn)滑性能[3],是因其在金屬加工過(guò)程的摩擦條件下,此類磺酸鹽可促使其膠溶的無(wú)機(jī)碳酸鹽與金屬表面的氧化鐵反應(yīng)生成多種金屬氧化物及鐵酸鹽,同時(shí)磺酸部分也參與反應(yīng)形成硫化鐵或硫酸亞鐵。這種氧化物與硫化物的膜阻止了金屬基體的直接接觸,從而起到了極壓潤(rùn)滑作用。

隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展,潤(rùn)滑油的使用工況越來(lái)越苛刻,以前的潤(rùn)滑油難于應(yīng)對(duì)機(jī)械高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的高溫等工作環(huán)境。如何提高潤(rùn)滑油的抗氧化性能是該領(lǐng)域研究的重點(diǎn),當(dāng)前主要包括兩方面的內(nèi)容:其一是研究新型高效抗氧劑[4];其二,在芳胺抗氧劑中加入油溶性堿金屬鹽化合物[5],能提高其高溫?zé)嵫趸捕ㄐ?。這些堿金屬鹽主要集中于酮類堿金屬鹽和冠醚類鹽中,但是一般的堿金屬鹽沒(méi)有抗磨性能。

為了研究應(yīng)用于極壓抗磨功能的堿金屬磺酸鹽修飾的碳酸鹽的摩擦學(xué)性能,以及其和無(wú)灰抗氧劑的抗氧化協(xié)同方面的性能,本文以烷基苯磺酸為原料得到中堿值的堿金屬磺酸鹽修飾的雙核碳酸鹽,并且利用四球機(jī)評(píng)價(jià)其在加氫油中的摩擦學(xué)性能,對(duì)磨損表面進(jìn)行了XPS和SEM分析來(lái)探討其摩擦學(xué)機(jī)理,利用旋轉(zhuǎn)氧彈評(píng)價(jià)其抗氧化性能。

1 添加劑合成與分析方法

1.1 添加劑合成

將帶有攪拌器、溫度計(jì)、冷凝脫水器的四口燒瓶安裝好,投入一定量的KOH和NaOH按照質(zhì)量比為1∶1溶解的甲醇溶液,加入促進(jìn)劑,攪拌均勻加入烷基苯磺酸(工業(yè)品,酸值是61.5,S%含量是3.78%,分子量是738),基礎(chǔ)油SN150,升溫進(jìn)行中和反應(yīng)后,通入二氧化碳?xì)怏w,進(jìn)行堿度化反應(yīng),反應(yīng)結(jié)束后,升溫除去水和促進(jìn)劑,加溶劑稀釋,冷卻后離心,上層清液減壓蒸餾蒸除溶劑得較粘稠的亮紅色流體磺酸鈉鉀SPSU。測(cè)其S%=2.30,Na%=2.86,TBN=108 mgKOH/g,制備樣品在紅外圖譜中882 cm-1和889 cm-1處有結(jié)晶型碳酸鹽的吸收峰。

1.2 分析方法

(1)石油產(chǎn)品總堿值測(cè)定法:SH/T0251。

(2)冷凍蝕刻電鏡(FEM)觀測(cè)法[6]:將冷凍割斷器和樣品冷凍到液氮溫度(-196℃),置入真空噴鍍儀內(nèi),抽真空。當(dāng)殘壓達(dá)到0.004 Pa,溫度為-150℃時(shí),斷裂樣品。將樣品臺(tái)升溫至-90℃,保持10 min,進(jìn)行蝕刻。然后噴鉑復(fù)型,噴碳成膜。取出樣品,用二甲苯洗凈,銅網(wǎng)撈膜,于電鏡下觀察。

(3)旋轉(zhuǎn)氧彈試驗(yàn)法(SH/T0193-92):采用STANHOPE-SETA公司生產(chǎn)的旋轉(zhuǎn)氧彈儀。

(4)摩擦磨損試驗(yàn):將添加劑按照不同濃度分散在基礎(chǔ)油中,用超聲波超聲30 min使分散均勻。采用濟(jì)南試驗(yàn)機(jī)廠生產(chǎn)的MRS-10A型摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)考察基礎(chǔ)油及含添加劑的基礎(chǔ)油的減摩、抗磨性能。試驗(yàn)條件為轉(zhuǎn)速1 450 r?min-1、室溫、試驗(yàn)時(shí)間30 min。按照GB3142-82(同ASTM D2783)測(cè)定它們的最大無(wú)卡咬載荷(PB值),室溫、試驗(yàn)時(shí)間為10 s,所用鋼球?yàn)樯虾］S承廠生產(chǎn)的二級(jí)GCr15標(biāo)準(zhǔn)鋼球(AISI-52100),其直徑為12.7 mm,硬度為59～61 HRC。

(5)鋼球磨損表面分析:摩擦磨損試驗(yàn)結(jié)束后,將上試球在石油醚中超聲清洗2次共30 min,用于表面分析。用PHI-5702型多功能X-射線光電子能譜儀(XPS)對(duì)磨損鋼球表面進(jìn)行分析,XPS分析采用Mg-Kα線通過(guò)能量29.3 eV,用C1s的電子結(jié)合能284.6 eV作內(nèi)標(biāo)。用HITACHI公司的X-650型掃描電子顯微鏡(SEM)分析392N載荷下四球長(zhǎng)磨試驗(yàn)下鋼球磨損表面形貌。

2 結(jié)果與討論

2.1 產(chǎn)品的電鏡形貌

合成的磺酸堿金屬鈉的冷凍蝕刻電鏡形貌如圖1所示,從放大10萬(wàn)倍電鏡圖像看,產(chǎn)品中膠體粒子呈現(xiàn)球形,為結(jié)晶型碳酸鹽,其粒度范圍在10～40 nm,估計(jì)其重均粒度在25 nm左右。采用美國(guó)布魯克海文儀器公司生產(chǎn)的Zetaplus/90plus型的Zeta電位及激光粒度分析儀對(duì)粒度進(jìn)行分析,結(jié)果如圖2所示?？梢缘弥?合成的超堿值磺酸鹽SPSU的平均粒徑為15 nm左右。

圖1 產(chǎn)品的電鏡觀測(cè)結(jié)果

圖2 化合物SPSU的粒度

2.2 摩擦學(xué)性能

室溫下,基礎(chǔ)油和添加不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的添加劑時(shí)的基礎(chǔ)油的最大無(wú)卡咬負(fù)荷(PB值)的結(jié)果見圖3。基礎(chǔ)油和添加2.0 wt%質(zhì)量分?jǐn)?shù)的添加劑時(shí)的基礎(chǔ)油的隨載荷變化時(shí)磨斑直徑的變化如圖4所示,隨載荷變化時(shí)摩擦系數(shù)的變化如圖5所示。

結(jié)果顯示在基礎(chǔ)油5 Cst中加入該磺酸鹽使基礎(chǔ)油的PB值提高,隨著添加劑濃度的增加,其極壓性能增加,添加劑濃度在2.0 wt%時(shí),其能夠提高基礎(chǔ)油極壓值的25%。從圖5可以看出:隨著載荷的增加,摩擦系數(shù)總體上呈現(xiàn)下降的趨勢(shì),添加劑加油一定的減摩效果。從圖6可以看出:隨著載荷的增加,磨斑直徑增加,在相同條件下,多金屬鹽的磨斑直徑小于基礎(chǔ)油的磨斑直徑,多金屬鹽具有一定的抗磨性能,在高負(fù)荷下的抗磨效果好于低負(fù)荷的抗磨效果。

圖3 潤(rùn)滑油添加劑的極壓性能

圖4 摩擦系數(shù)與載荷之間的關(guān)系圖

圖5 磨斑直徑和載荷的關(guān)系圖

2.3 抗氧化性能

為了進(jìn)一步研究合成添加劑的抗氧化性能,采用旋轉(zhuǎn)氧彈方法評(píng)價(jià)其在基礎(chǔ)油中的抗氧化性能。采用合成的堿金屬磺酸鹽與無(wú)灰抗氧劑L57(P,P′—二丁基二苯胺,本課題組合成,紅棕色透明液體,閃點(diǎn)174℃,N%=4.97%,酸值0.06 mgKOH/g)的復(fù)配,旋轉(zhuǎn)氧彈的結(jié)果如表1所示。

表1 合成的磺酸鹽和無(wú)灰抗氧劑T531的旋轉(zhuǎn)氧彈的測(cè)試結(jié)果

表1的結(jié)果可以看出:堿金屬磺酸鹽和胺型抗氧劑L57在抗氧化性能方面具有協(xié)合作用。

2.4 鋼球磨損表面分析

為了更好地揭示添加劑在摩擦過(guò)程中的作用,對(duì)磨斑表面進(jìn)行了SEM分析,圖6是載荷為392 N,含1.0 wt%添加劑的基礎(chǔ)油和基礎(chǔ)油潤(rùn)滑體系下鋼球磨損表面的形貌圖。從圖中可以得出,只含基礎(chǔ)油潤(rùn)滑下的鋼球表面有很深的犁溝,產(chǎn)生犁溝磨損的原因是發(fā)生了磨粒磨損[7],而含添加劑SPSU的基礎(chǔ)油潤(rùn)滑下的鋼球表面比基礎(chǔ)油潤(rùn)滑下的鋼球表面要平滑很多,表明添加劑可以提高基礎(chǔ)油的摩擦學(xué)性能。

為了進(jìn)一步揭示磺酸鹽在基礎(chǔ)油中的潤(rùn)滑作用機(jī)理,對(duì)392 N載荷下含2.0wt%添加劑的基礎(chǔ)油潤(rùn)滑下的上球表面進(jìn)行了XPS分析,SPSU的結(jié)果如圖7所示。

圖6 5 Cst(左)和1.0 wt%SPSU(右)的摩擦表面的SEM照片

其中位于285.4 eV處的C1s分別歸屬為污染碳及基礎(chǔ)油中的C—H和COO—,表明基礎(chǔ)油在金屬表面發(fā)生了吸附;Fe2p的結(jié)合能為710.8 eV,對(duì)應(yīng)鐵的氧化物。S2p的結(jié)合能[8]大約是168.9 eV,對(duì)應(yīng)于FeSO4,說(shuō)明S元素以硫酸亞鐵的形式吸附在鋼球表面。位于530.0 eV和532.2 eV的O1s對(duì)應(yīng)于鐵酸鹽和氧化鐵。位于1071.50 eV的Na1s峰是Na2CO3的峰,說(shuō)明添加劑分子中的碳酸鹽從分子中脫離出來(lái)附著在金屬表面,而附著的碳酸鹽一部分會(huì)進(jìn)一步和金屬表面發(fā)生反應(yīng)形成氧化物[9],1073.40 eV處的Na1s峰是NaFeO2的峰。從XPS譜圖可以得知,合成的磺酸鹽的摩擦學(xué)機(jī)理是添加劑在摩擦過(guò)程中首先吸附在金屬表面,與潤(rùn)滑油發(fā)生一個(gè)競(jìng)爭(zhēng)吸附,添加劑在摩擦過(guò)程中與鋼球表面發(fā)生摩擦化學(xué)反應(yīng),部分磺酸鹽分解后的磺酸與金屬表面發(fā)生反應(yīng)形成亞硫酸鹽,而釋放出來(lái)的無(wú)機(jī)碳酸鈉、碳酸鉀和金屬表面的氧化鐵和新生代金屬鐵反應(yīng)生成氧化鈉、氧化鉀和鐵酸鈉、鐵酸鉀,反應(yīng)方程式如下所示(其中M是Na,K)。

圖7 SPSU各種特征元素的XPS圖譜

這層無(wú)機(jī)鹽膜具有較高的硬度而使摩擦表面具有較高的承載能力。在整個(gè)潤(rùn)滑過(guò)程中,由于添加劑分子在鋼球磨損表面形成了含有碳酸鹽、硫酸亞鐵和氧化鈉、氧化鉀及它們的鐵酸鹽等摩擦化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)物組成的混合邊界潤(rùn)滑膜,這種混和邊界潤(rùn)滑膜的形成提高了基礎(chǔ)油的摩擦學(xué)性能。

總之,磺酸鹽作為惰性極壓劑可以減小摩擦,防止熔結(jié),還可以中和酸性污染物,對(duì)金屬不產(chǎn)生腐蝕,同時(shí)不造成環(huán)境污染,是一種具有發(fā)展前景的極壓抗磨劑。

3 結(jié)論

通過(guò)上面的討論,可以得出以下結(jié)論:

(1)合成的堿金屬磺酸鹽可以改善基礎(chǔ)油的極壓性能,隨著載荷的增加,磨斑直徑增加,雙金屬鹽具有一定的抗磨性能,在不同的載荷下,其磨斑直徑小于相同條件下基礎(chǔ)油的磨斑直徑。減摩性能隨著載荷的增加而增加,但是減摩性能在高負(fù)荷下不明顯。

(2)合成的堿金屬磺酸鹽在摩擦過(guò)程中與鋼球表面發(fā)生摩擦化學(xué)反應(yīng),其中O和S元素分別生成氧化物和硫酸亞鐵等無(wú)機(jī)鹽。堿金屬以碳酸鹽和氧化物的形式存在于表面,潤(rùn)滑過(guò)程中在鋼球磨損表面形成了由基礎(chǔ)油和添加劑摩擦化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)物組成的混合邊界潤(rùn)滑膜,這種混和邊界潤(rùn)滑膜的形成提高了基礎(chǔ)油的摩擦學(xué)性能。

(3)添加劑本身的氧化安定性不佳,但是與胺型抗氧劑L57復(fù)配后,能提高基礎(chǔ)油的氧化安定性。

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