茂鐵PAO為基礎(chǔ)油制備聚脲潤滑脂

馬騰+夏延秋+曹正鋒

摘要：以茂鐵聚α-烯烴（mPAO）為基礎(chǔ)油，聚脲為增稠劑，二硫代氨基甲酸鉬（MoDTC）和無灰二硫代磷酸酯（Irgalube63）作為添加劑制備聚脲潤滑脂。利用往復(fù)摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)，考察不同基礎(chǔ)油和添加劑對(duì)聚脲潤滑脂摩擦學(xué)性能的影響，利用掃描電子顯微鏡（SEM）和能譜儀（EDS）觀察并分析鋼塊磨痕表面形貌和磨痕表面主要化學(xué)元素組成。結(jié)果表明：含有MoDTC和Irgalube63添加劑的mPAO型聚脲潤滑脂的摩擦學(xué)性能優(yōu)于同類PAO作為基礎(chǔ)油的聚脲潤滑脂。

關(guān)鍵詞：基礎(chǔ)油；添加劑；聚脲潤滑脂；減摩抗磨

中圖分類號(hào)：TE626.3文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Abstract：Polyurea greases were prepared using mau iron poly-α-olefin （mPAO） as base oil， polyurea as thickener， molybdenum dithiocarbamate （MoDTC） and ash-free phosphorodithioate （Irgalube63） as additives， respectively. The influences of different base oils and additives on the tribological properties of polyurea greases were evaluated by reciprocating friction and wear tester. The morphology and chemical composition of the worn surfaces were characterized and analyzed by scanning electron microscope （SEM） and energy-dispersive X-ray spectroscopy （EDS）. The results show that the mau iron PAO-based polyurea greases containing MoDTC and Irgalube63 have better tribological properties than that of PAO-based polyurea greases.

Key words：base oil； additive； polyurea grease； reducing-friction and anti-wear

0引言

聚脲潤滑脂是以有機(jī)胺和異氰酸酯反應(yīng)稠化基礎(chǔ)油制得的一種非皂基潤滑脂，具有滴點(diǎn)高、熱穩(wěn)定性好、氧化安定性和抗水性優(yōu)良等性能，在冶金、汽車、軍工、軸承等行業(yè)中得到了廣泛應(yīng)用。近年來，關(guān)于脲基潤滑脂的研究也越來越多[1-3]。廖順等[4]發(fā)現(xiàn)聚脲潤滑脂的最高煉制溫度和后處理工藝對(duì)產(chǎn)品性能有較大的影響。張遂心等[5]發(fā)現(xiàn)硼酸鹽極壓抗磨劑能提高聚脲潤滑脂極壓和抗磨性能。鄧才超等[6]制備了系列復(fù)合聚脲潤滑脂，包括鋰-脲、鈉-脲、鉀-脲、鎂-脲、鈣-脲和鋇-脲潤滑脂， 結(jié)果表明，復(fù)合聚脲潤滑脂在保持聚脲潤滑脂優(yōu)良潤滑性能的基礎(chǔ)上， 具有突出的極壓、抗磨性和高溫軸承壽命。Liu等[7] 運(yùn)用分子理論對(duì)脲基潤滑脂稠化劑結(jié)構(gòu)對(duì)產(chǎn)品性能的影響進(jìn)行了研究，研究表明聚脲潤滑脂的性能隨著每個(gè)聚脲分子中脲基團(tuán)的數(shù)量變化而變化；蔣明俊等[8]探討了基礎(chǔ)油對(duì)聚脲潤滑脂性能的影響，結(jié)果表明，應(yīng)用礦物油較容易成脂且產(chǎn)品性能較好，較高黏度的礦物油對(duì)潤滑脂的稠度、滴點(diǎn)、膠體安定性等有利。

近年來，用合成油PAO為基礎(chǔ)油制備的聚脲潤滑脂以其高滴點(diǎn)、良好的氧化安定性、優(yōu)異的黏溫特性和突出的抗水性等得到了廣泛應(yīng)用。但PAO對(duì)添加劑的感受性較差，加之各種添加劑之間的不合理復(fù)配，造成聚脲潤滑脂的減摩抗磨性能差，為了增強(qiáng)脲基脂對(duì)添加劑的感受性以及提高聚脲潤滑脂的摩擦學(xué)性能，本文以茂鐵PAO為基礎(chǔ)油制備了聚脲潤滑脂，茂鐵PAO與常規(guī)PAO相比能提供穩(wěn)定的抗剪切性、較低的傾點(diǎn)和較高的黏度指數(shù)[9]，并且以茂鐵PAO作為基礎(chǔ)油制備聚脲潤滑脂還未見報(bào)道。本文采用十八胺和己二胺的混合胺與異氰酸酯反應(yīng)稠化基礎(chǔ)油來制備聚脲潤滑脂，分別以mPAO和PAO為基礎(chǔ)油制備了兩種聚脲脂， 并考察添加二硫代氨基甲酸鉬（MoDTC）和無灰二硫代磷酸酯（Irgalube63）在mPAO型聚脲脂中的減摩抗磨性能。

1試驗(yàn)部分

1.1潤滑脂的制備

分別選用PAO和mPAO為基礎(chǔ)油，兩種基礎(chǔ)油的參數(shù)見表1，同時(shí)以十八胺、己二胺和異氰酸酯的反應(yīng)產(chǎn)物聚脲作為稠化劑制備了聚脲潤滑脂。

1.2摩擦學(xué)特性測試

將MoDTC和Irgalube63兩種添加劑分別加入到聚脲潤滑脂中，添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為10%，20%，30%，40%。實(shí)驗(yàn)選用中國科學(xué)院固體潤滑國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研制的MFT-R4000高速往復(fù)摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行減摩抗磨性能評(píng)價(jià)，摩擦副采用球盤接觸。試驗(yàn)條件為：室溫約20 ℃，額定載荷為100 N，頻率為5 Hz，試驗(yàn)時(shí)間為30 min，相對(duì)濕度是60%～65%，大氣氣氛。所用鋼球?yàn)锳ISI 52100標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)鋼球（095 ～ 105 C，015 ～ 035 Si，020 ～ 040 Mn，130 ～ 165 Cr， 0027 P，其余是Fe），直徑5 mm，表面粗糙度Ra為008 μm，硬度為705～757 GPa。所用鋼塊尺寸為Φ 24 mm × 78 mm 。試驗(yàn)前將鋼盤拋光至表面粗糙度Ra為005 μm，鋼盤淬火硬度為491 ～ 539 GPa，試驗(yàn)前后試件用丙酮超聲清洗10 min，將含有不同添加劑的聚脲潤滑脂涂抹在摩擦副之間，每次涂抹02 g，摩擦系數(shù)由計(jì)算機(jī)自動(dòng)記錄保存。摩擦學(xué)試驗(yàn)結(jié)束后，采用光學(xué)顯微鏡測量磨痕寬度，采用掃描電子顯微鏡（EVO-18， ZEISS）和能譜儀（EDS）觀察并分析鋼盤磨痕表面形貌和磨痕表面主要化學(xué)元素。

2試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1基礎(chǔ)潤滑脂的摩擦學(xué)性能

為在100 N載荷下兩種基礎(chǔ)潤滑脂試驗(yàn)時(shí)的實(shí)時(shí)摩擦系數(shù)和磨痕寬度。從圖1（a）可以看出，在 100 N 載荷下，兩種基礎(chǔ)脂試驗(yàn)時(shí)摩擦系數(shù)隨時(shí)間呈現(xiàn)的變化趨勢不完全相同，mPAO型基礎(chǔ)脂潤滑時(shí)曲線比較平穩(wěn)，而PAO型基礎(chǔ)脂對(duì)應(yīng)的曲線有隨時(shí)間增大的趨勢，并且mPAO型基礎(chǔ)脂潤滑時(shí)的平均摩擦系數(shù)小于PAO型基礎(chǔ)脂潤滑時(shí)的平均摩擦系數(shù)。從圖1（b）可以看出，相比于PAO型基礎(chǔ)脂，mPAO型基礎(chǔ)脂的磨痕寬度小。說明以mPAO作為基礎(chǔ)油比用PAO作基礎(chǔ)油制備出的聚脲潤滑脂具有更好的減摩抗磨性能。

2.2潤滑脂的摩擦學(xué)性能比較

為了考察mPAO型聚脲潤滑脂對(duì)MoDTC添加劑的感受性，圖2分別示出了含有不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)MoDTC添加劑的聚脲潤滑脂，在100 N載荷下的實(shí)時(shí)摩擦系數(shù)和磨痕寬度。圖2（a）可以看出，在100 N載荷下，添加不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的MoDTC添加劑，不同程度的改善mPAO型聚脲潤滑脂的摩擦性能，其中，當(dāng)MoDTC的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%時(shí)，聚脲潤滑脂的減摩效果達(dá)到最佳。圖2（b）可以看出，添加不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的MoDTC添加劑，其磨痕寬度都比mPAO型聚脲潤滑脂的要小，這說明MoDTC能夠改善mPAO型聚脲潤滑脂的抗磨性能；綜合考慮添加劑MoDTC的含量對(duì)mPAO型潤滑脂減摩性能和抗磨性能的影響，當(dāng)MoDTC在mPAO型聚脲潤滑脂中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%時(shí)，mPAO型潤滑脂具有較好的減摩抗磨性能。

分別示出了含有不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)Irgalube63添加劑的mPAO型聚脲潤滑脂，在100 N載荷條件下的實(shí)時(shí)摩擦系數(shù)和磨痕寬度。圖3（a）可以看出，在100 N載荷下，添加不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的添加劑Irgalube63都能減小mPAO型聚脲潤滑脂的摩擦系數(shù)，當(dāng)Irgalube63的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%時(shí)，其平均摩擦系數(shù)比mPAO型聚脲潤滑脂減小約65%。圖3（b）可以看出，添加不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的添加劑Irgalube63都能在一定程度上改善MPAO型基礎(chǔ)脂的抗磨性能，磨痕寬度最多減少了211%。綜合考慮添加劑Irgalube63的含量對(duì)mPAO型聚脲潤滑脂減摩抗磨性能的影響，當(dāng)Irgalube63在mPAO型聚脲潤滑脂中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%時(shí)，具有較好的減摩抗磨性能。

3磨痕表面形貌及元素組成

如圖4所示是PAO型聚脲基礎(chǔ)脂、mPAO型聚脲基礎(chǔ)脂及mPAO型聚脲基礎(chǔ)脂中加入兩種不同添加劑潤滑下的磨痕表面形貌圖（載荷100 N、頻率5 Hz、測試時(shí)間為30 min）。圖4（a）是PAO型聚脲基礎(chǔ)脂潤滑下的磨痕表面形貌圖，其表面粗糙，有較多的犁溝，圖4（b）是mPAO型聚脲基礎(chǔ)脂潤滑下的磨痕表面形貌，相比于圖4（a），其表面相對(duì)光滑，僅有少量的犁溝；圖4（c）是mPAO+3%MoDTC潤滑脂潤滑下的磨痕表面形貌圖，抗磨性提高不大，改善不明顯；而圖4（d） 示出了mPAO+2% Irgalube63潤滑下的磨痕表面更加光滑和平整，這說明Irgalube63添加劑也能更有效改善mPAO型聚脲潤滑脂的減摩抗磨性能。

為了進(jìn)一步研究MoDTC和Irgalube63兩種添加劑在mPAO型聚脲潤滑脂中的減摩抗磨機(jī)理，使用EDS分析mPAO型聚脲基礎(chǔ)脂及含有兩種添加劑潤滑下的鋼塊磨痕表面元素組成，結(jié)果如圖5所示。相比于5（a）mPAO型聚脲基礎(chǔ)脂潤滑下的磨痕表面元素，圖5（b）磨痕表面多出了S元素和Mo元素，這說明在接觸區(qū)域由于摩擦產(chǎn)生了大量的熱量，MoDTC發(fā)生了熱分解，其分解產(chǎn)物與摩擦表面發(fā)生摩擦化學(xué)反應(yīng)，生成含Mo、S的化合物，這些化合物可以在摩擦表面形成保護(hù)膜，起到減摩抗磨作用 [10-11]。圖5（c）是MPAO+ 2%Irgalube63聚脲潤滑脂潤滑下的磨痕表面元素組成，相比于基礎(chǔ)脂，其磨痕表面含有大量的P等元素，摩擦過程中磷與鐵、氧等元素發(fā)生摩擦化學(xué)反應(yīng)生成磷酸鹽，形成一層具有減摩抗磨作用的保護(hù)膜，起到較好的減摩抗磨作用[12]。

4結(jié)論

以茂鐵mPAO為基礎(chǔ)油制備的聚脲潤滑脂的摩擦學(xué)性能優(yōu)于以PAO為基礎(chǔ)油制備的聚脲潤滑脂，并且其對(duì)MoDTC和Irgalube63兩種添加劑的感受性也好于PAO型聚脲潤滑脂。當(dāng)MoDTC添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%和Irgalube63添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%時(shí)，摩擦系數(shù)和磨痕寬度最小，具有最優(yōu)的減摩抗磨性能。EDS分析可以看出，MoDTC添加劑在摩擦過程中可以和磨痕表面生成含Mo、S的化合物，這些化合物可以在摩擦表面形成保護(hù)膜，起到減摩抗磨作用；Irgalube63添加劑在摩擦過程中可以和磨痕表面生成磷酸鹽保護(hù)膜，起到減摩抗磨作用。

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