不同形態(tài)二硫化鉬潤(rùn)滑劑在玉米油中的摩擦學(xué)性能

劉敏，徐勇，胡坤宏（.安徽省化工設(shè)計(jì)院，安徽合肥30009；.合肥學(xué)院化學(xué)與材料工程系，安徽合肥3060）

?

不同形態(tài)二硫化鉬潤(rùn)滑劑在玉米油中的摩擦學(xué)性能

劉敏1，徐勇2，胡坤宏2
（1.安徽省化工設(shè)計(jì)院，安徽合肥230009；2.合肥學(xué)院化學(xué)與材料工程系，安徽合肥230601）

摘要：考查了不同形態(tài)結(jié)構(gòu)的二硫化鉬（MoS2）潤(rùn)滑劑在玉米油中的潤(rùn)滑性能?？招那蛐蜯oS2能有效地改善玉米油的摩擦學(xué)性能，尤其是抗磨損性能，在玉米油中具有潛在的應(yīng)用價(jià)值；MoS2納米片對(duì)玉米油摩擦學(xué)性能也有改善作用，但效果不如納米球；MoS2微米片不僅不能改善潤(rùn)滑性能，而且還干擾了玉米油的潤(rùn)滑性能。MoS2空心球在玉米油中的潤(rùn)滑作用可歸因于三個(gè)方面：一是球形結(jié)構(gòu)的特殊潤(rùn)滑機(jī)理；二是MoS2空心球在玉米油中的良好分散性能；三是空心球進(jìn)入接觸區(qū)后大大緩解了磨料磨損。

關(guān)鍵詞：二硫化鉬；潤(rùn)滑性能；玉米油；潤(rùn)滑劑

礦物油基潤(rùn)滑劑在使用過(guò)程會(huì)造成環(huán)境污染，隨著人們環(huán)保意識(shí)的不斷增強(qiáng)，迫切需要開發(fā)出對(duì)環(huán)境無(wú)污染的綠色潤(rùn)滑劑。植物油不僅具有良好的潤(rùn)滑性能，而且還具有可生物降解與可再生等性能，是制備綠色潤(rùn)滑劑的理想原料，也是綠色潤(rùn)滑劑的研究熱點(diǎn)之一［1-5］。二硫化鉬（MoS2）具有層狀結(jié)構(gòu)，潤(rùn)滑性能優(yōu)異，常用作基礎(chǔ)油脂的添加劑。MoS2微粒形態(tài)結(jié)構(gòu)主要分為兩種：一種是與天然MoS2類似的開放式的層片狀結(jié)構(gòu)（擁有大量的層片邊緣）；另一種是閉合的層狀結(jié)構(gòu)（沒(méi)有層片邊緣），如球形與管狀，兩種結(jié)構(gòu)的MoS2均具有優(yōu)良的潤(rùn)滑性能。層片狀MoS2層間結(jié)合力是弱的范德華力，在庫(kù)侖排斥力的作用下易于滑移［6］，從而可以緩解摩擦剪切作用；層狀封閉的MoS2（如空心球）不能滑移，但可通過(guò)其滾動(dòng)、彈性變形、球殼的剝層等方式緩解摩擦剪切［7-9］。一般情況下，空心球形的這種特殊潤(rùn)滑機(jī)理要優(yōu)于片狀結(jié)構(gòu)的剪切滑移機(jī)理［10］。本文研究了不同形態(tài)結(jié)構(gòu)的MoS2潤(rùn)滑劑在玉米油中的潤(rùn)滑性能，為MoS2在玉米油中的應(yīng)用提供依據(jù)與理論支持。

1　實(shí)驗(yàn)部分

1.1原料與儀器

商業(yè)MoS2微米片（325目，上海化學(xué)試劑一廠），微粒的平均尺寸約5μm左右，外形呈片狀結(jié)構(gòu)［10］；納米片長(zhǎng)度約為30nm，片層厚約10nm，空心球直徑在150nm左右，球殼厚約15nm；玉米油（魯花，物理壓榨）。四球摩擦試驗(yàn)機(jī)專用鋼球（Ф12.7mm，中國(guó)石化石油化工科學(xué)研究院）；利用H- 800透射電鏡（TEM）表征了空心球與微米片，納米片的表征在JEOL- 2010高分辨透射電鏡上完成。

1.2摩擦學(xué)測(cè)試

將0.5%（重量百分?jǐn)?shù)）不同形態(tài)的MoS2添加到一定量的玉米油中，經(jīng)30 min超聲分散均勻，在MRS- 10D型四球摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)上測(cè)試樣品的摩擦學(xué)性能，摩擦方式具體見圖1，環(huán)境溫度10℃，試驗(yàn)時(shí)間30 min，變化載荷或滑動(dòng)速度，研究涉及載荷為300、350、400N，滑動(dòng)速度為0.306、0.345、0.383m/s，分別考查了載荷與轉(zhuǎn)動(dòng)速度對(duì)玉米油摩擦學(xué)性能的影響。摩擦結(jié)束后利用光學(xué)測(cè)量顯微鏡獲得了磨斑直徑數(shù)據(jù)及磨斑光學(xué)顯微照片，然后利用基恩士VK- X100激光形狀測(cè)量系統(tǒng)觀察摩擦表面微觀形貌照片、表面輪廓曲線及過(guò)中心的輪廓線的縱向磨損面積（圖1）。

2　結(jié)果與討論

2.1摩擦學(xué)性能

表1是不同測(cè)試條件下MoS2改性玉米油的摩擦學(xué)性能的測(cè)試結(jié)果。在所有測(cè)試條件下，添加微米片后，玉米油的摩擦系數(shù)反而略微升高，平均磨斑直徑也輕微增加，表明微米片不能改善玉米油的減摩抗磨性能；當(dāng)添加納米片時(shí)，玉米油的摩擦系數(shù)出現(xiàn)了一定程度的上升，但平均磨斑直徑減小，表明納米片不能改善玉米的減摩性能，但可增強(qiáng)玉米油的抗磨能力；添加空心球后，玉米油摩擦系數(shù)輕微下降，平均磨斑直徑出現(xiàn)了較明顯的降低，表明空心球?qū)τ衩子偷臏p摩性能有輕微改善效果，對(duì)抗磨性能改善效果良好，是玉米油適宜的潤(rùn)滑添加劑。

圖1　四球摩擦方式及縱向磨損面積測(cè)量示意圖

表1　不同條件下摩擦學(xué)性能測(cè)試結(jié)果

表1表明，隨著載荷的升高，摩擦系數(shù)與磨損量均呈上升趨勢(shì)；隨著滑動(dòng)速度的升高，磨損量也呈上升趨勢(shì)，但摩擦系數(shù)則呈下降趨勢(shì)。載荷升高時(shí)摩擦更為劇烈，因而摩擦系數(shù)與磨損量逐漸升高?；瑒?dòng)速度的升高也會(huì)導(dǎo)致磨損量增加，但根據(jù)Stribeck理論，可知滑動(dòng)速度增加時(shí)，潤(rùn)滑狀態(tài)由邊界潤(rùn)滑逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榛旌蠞?rùn)滑再到動(dòng)力潤(rùn)滑，摩擦系數(shù)呈先下降后上升的趨勢(shì)，可以推斷出測(cè)試中的潤(rùn)滑狀態(tài)處于邊界潤(rùn)滑向混合潤(rùn)滑過(guò)渡的區(qū)域，因而摩擦系數(shù)隨滑動(dòng)速度升高而下降。

2.2磨斑表面表征及潤(rùn)滑機(jī)理

圖2是磨斑表面的光學(xué)顯微照片，圖3顯示的是摩擦表面的激光共聚焦顯微圖、三維形貌圖、過(guò)磨斑中心的輪廓曲線及磨損面積。從圖2與圖3可以看出，純的玉米油潤(rùn)滑時(shí)磨斑表面犁溝明顯，表明主要的磨損方式是磨料磨損，過(guò)中心處輪廓線的磨損面積達(dá)1218 μm2。當(dāng)納米片與微米片改性玉米油潤(rùn)滑時(shí)，磨斑表面形貌與純玉米油潤(rùn)滑下的磨斑類似，主要發(fā)生的也是磨料磨損，納米片改性的玉米油產(chǎn)生的磨損面積較小，為678 μm2，微米片潤(rùn)滑時(shí)磨損面積達(dá)1995 μm2，甚至超過(guò)了純的玉米油的磨損面積，表明商業(yè)微米片MoS2在玉米油中沒(méi)有潤(rùn)滑效果，甚至其難以分散的大顆粒能破壞玉米油本身的潤(rùn)滑性能。

圖2　磨斑表面光學(xué)顯微照片

然而在玉米油中添加空心球后，磨斑表面僅在沿摩擦方向的兩側(cè)存在較明顯的犁溝，磨斑中部的犁溝基本消失，磨斑中部的表面十分平整，磨損面積僅為276 μm2，表明磨料磨損非常輕微。根據(jù)前期工作可知［10］，此時(shí)發(fā)生的是“化學(xué)腐蝕磨損”，是進(jìn)入接觸區(qū)域的空心球與摩擦副表面的摩擦化學(xué)反應(yīng)引起的?！盎瘜W(xué)腐蝕磨損”是空心球進(jìn)入接觸區(qū)的證據(jù)，也是空心球與植物油在摩擦表面經(jīng)摩擦化學(xué)反應(yīng)形成潤(rùn)滑膜的證據(jù)。該潤(rùn)滑膜阻隔了摩擦副的直接接觸，限制了磨屑的生成，減弱了磨料磨損。在植物油中空心球有良好的分散性［10］，因而可以很好地發(fā)揮潤(rùn)滑功能，然而片狀MoS2在植物油中的分散性較差，潤(rùn)滑能力難以發(fā)揮。因此，即使納米片具有很小的尺寸，理應(yīng)更容易進(jìn)入到摩擦接觸面作為潤(rùn)滑劑，但其差的分散性導(dǎo)致實(shí)際進(jìn)入到接觸區(qū)域的MoS2十分有限，從而對(duì)玉米油的潤(rùn)滑性能改善效果不理想。

圖3　不同形態(tài)MoS2改性玉米油潤(rùn)滑時(shí)摩擦表面形貌圖與三維輪廓曲線

圖4　MoS2空心球的變形剝層轉(zhuǎn)移機(jī)理

除了良好的分散性外，空心球的潤(rùn)滑性能還可歸因于球形結(jié)構(gòu)的特殊潤(rùn)滑機(jī)理（圖4）。這種潤(rùn)滑機(jī)理與傳統(tǒng)層狀材料的剪切滑移機(jī)理不同，它主要包括球形結(jié)構(gòu)的滾動(dòng)、彈性變形與球殼的剝層轉(zhuǎn)移過(guò)程，其中最主要的是球殼的剝層轉(zhuǎn)移，它為接觸區(qū)提供了源源不斷的MoS2潤(rùn)滑劑［7-9］。

3　結(jié)論

MoS2空心球在玉米油中具有良好的分散性能，摩擦過(guò)程中可以進(jìn)入到接觸區(qū)域，通過(guò)其球形結(jié)構(gòu)的滾動(dòng)、彈性變形與球殼剝層轉(zhuǎn)移到接觸區(qū)來(lái)潤(rùn)滑摩擦副，因而能有效地改善玉米油的摩擦學(xué)性能，尤其是抗磨損性能，在玉米油中具有潛在的應(yīng)用價(jià)值；MoS2納米片對(duì)玉米油的抗磨損性能具有一定的改善效果，但不夠明顯，難以充當(dāng)玉米油的潤(rùn)滑添加劑；微米片不僅不能改善玉米油的摩擦學(xué)性能，而且還干擾了玉米油的潤(rùn)滑功能，因而不能充當(dāng)玉米油的潤(rùn)滑添加劑。

參考文獻(xiàn)

［1］Rahim E A，Sasahara H. A study of the effect of palm oil as MQL lubricant on high speed drilling of titanium alloys［J］.Tribology International，2011，44：309- 317.

［2］Sharma B K，Adhvaryu A，Erhan S Z. Friction and wear behavior of thioether hydroxyvegetable oil［J］. Tribology International，2009，42：353- 358.

［3］Biresaw G，Bantchev G B，Cermak S C. Tribological properties of vegetable oils modified by reaction with butanethiol［J］. Triboloy Letters，2011，43：17- 32.

［4］Suzuki A，Ulfiati R，Masuko M. Evaluation of antioxidants in rapeseed oilsforrailwayapplication［J］.TribologyInternational，2009，42：987- 994.

［5］Fox N J，Stachowiak G W. Vegetable oil- based lubricants a review ofoxidation［J］. Tribology International，2007，40：1035- 1046.

［6］Onodera T，Morita Y，Nagumo R，et al. A computational chemistry studyon friction ofh- MoS2［J］.Part II. Friction Anisotropy. Journal of Physical Chemistry B，2010，114，15832- 15838.

［7］Tannous J，Dassenoy F，Lahouij I，et al. Understanding the tribochemical mechanisms of IF- MoS2nanoparticles under boundarylubrication［J］. Triboloy Letters，2011，41：55- 64.

［8］Lahouij I，Dassenoy F，Vacher B，et al. Real time TEMimaging of compression and shear of single fullerene- like MoS2nanoparticle ［J］. Triboloy Letters，2012，45: 131- 141.

［9］Lahouij I，Dassenoy F，de Knoop L，et al. In situ TEMobservation ofthe behavior of an individual fullerene- Like MoS2nanoparticle in a dynamic contact［J］. Triboloy Letters，2011，42：133- 140.

［10］Xu Z Y，Hu K H，Han C L，et al. Morphological influence of molybdenum disulfide on the tribological properties of rapeseed oil ［J］. Triboloy Letters，2013，49：513- 524.□

Morphological Effect of MoS2Particles on the Lubricating Performance of Corn Oil

LIU Min1，XU Yong2，HU Kun-hong2
（1. Anhui Design Institute of Chemical Industry，Hefei 230009，China；2. Department of Chemical and Materials Engineering，Hefei University，Hefei 230601，China）

Abstract：The lubricating performances of corn oils modified by MoS2particles with different morphologies were studied. Hollowsphere- like MoS2remarkablyimproved the tribological properties ofcorn oil，especiallythe wear resistance. Thus，the hollowsphere- like MoS2shows potential applications in corn oil. Though the sphere- like MoS2is superior to the nano- flakes in corn oil，the MoS2nano- flakes could also improve the lubrication of corn oil to some extent. However，microsized commercial MoS2deteriorated the lubrication of corn oil. The lubrication of sphere- like MoS2was ascribed to the particular lubricatingmechanisms，good dispersibilityin corn oil，and abrasive wear resistance of MoS2transferred tothe contact region.

Key words：Molybdenumdisulfide；lubricatingperformance；corn oil；lubricants

doi：10.3969/j.issn.1008- 553X.2016.03.006

中圖分類號(hào)：TQ136.1+2

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1008- 553X（2016）03- 0015- 04

收稿日期：2015- 12- 06

作者簡(jiǎn)介：劉敏（1980-），女，工程師，從事化工工藝設(shè)計(jì)工作，13866196154，lium@ahshgsjy.com。