稀土化合物在潤(rùn)滑脂中的應(yīng)用

文 帥，孫洪偉，莊敏陽(yáng)，何懿峰

(中國(guó)石化石油化工科學(xué)研究院，北京 100083)

從1794年發(fā)現(xiàn)釔元素開(kāi)始，到1905年镥元素被發(fā)現(xiàn)，歷經(jīng)100多年才發(fā)現(xiàn)了所有的稀土元素。稀土元素具有優(yōu)異的光、電、磁等性能，可以大大改善產(chǎn)品性能，為提高生產(chǎn)效率起到了巨大的作用。自稀土產(chǎn)業(yè)發(fā)展以來(lái)，稀土的應(yīng)用早已滲透到國(guó)防軍工、信息產(chǎn)業(yè)、新能源、冶金、農(nóng)業(yè)、石油化工、玻璃陶瓷、新材料和智能制造等領(lǐng)域。作為不可再生、寶貴的戰(zhàn)略資源，稀土元素有著“工業(yè)維生素”、“新材料之母”、工業(yè)“黃金”和現(xiàn)代工業(yè)的“味精”等美稱[1]。

而隨著高端裝備制造業(yè)的發(fā)展，對(duì)潤(rùn)滑脂產(chǎn)品性能提出了苛刻的要求。對(duì)于機(jī)械設(shè)備軸承和齒輪等部位，潤(rùn)滑脂選擇不當(dāng)就會(huì)顯著縮短其使用壽命，降低生產(chǎn)效率，同時(shí)還會(huì)增加生產(chǎn)成本。但是目前市場(chǎng)上的產(chǎn)品仍為傳統(tǒng)的鋁基潤(rùn)滑脂、鈣基潤(rùn)滑脂、鋰基潤(rùn)滑脂、聚脲基潤(rùn)滑脂和膨潤(rùn)土潤(rùn)滑脂，近年來(lái)它們的市場(chǎng)占有率大致分別為3.5%，11%，74%，6%，2%。2018年全球高滴點(diǎn)潤(rùn)滑脂的占比為38.14%，除了歐洲(39.85%)和北美洲(69.38%)高于平均水平以外，其他國(guó)家或地區(qū)的占比均低于平均水平[2]。日本因?yàn)殇囐Y源匱乏，大力發(fā)展聚脲基潤(rùn)滑脂(29.09%)，而其余國(guó)家均以傳統(tǒng)的鋰基潤(rùn)滑脂為主。稀土作為一種稀缺性的戰(zhàn)略資源，早已廣泛應(yīng)用于高精尖等領(lǐng)域，但其在潤(rùn)滑脂領(lǐng)域的工業(yè)應(yīng)用卻才剛剛起步。

1 稀土化合物的摩擦學(xué)性能

Sikorski等[3]在研究金屬摩擦學(xué)性能時(shí)發(fā)現(xiàn)，立方晶體結(jié)構(gòu)的金屬比六方密堆積結(jié)構(gòu)的金屬更容易附著。于是對(duì)大多數(shù)為六方密堆積結(jié)構(gòu)的稀土家族中的釔(Y)、釤(Sm)、釓(Gd)、鏑(Dy)和鈥(Ho)5種稀土金屬的金屬附著性能進(jìn)行了研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)金屬晶體的硬度并不能說(shuō)明附著系數(shù)的大小，而其晶體結(jié)構(gòu)的類型對(duì)附著性有影響，即立方晶體結(jié)構(gòu)的稀土金屬比六方密堆積結(jié)構(gòu)的稀土金屬更易附著。并用Hume-Rothery等提出的原子“大小因子”概念作為兩種金屬是否可能形成固熔體首要考慮的因素，這個(gè)理論為：如果兩種金屬原子直徑(原子直徑是由元素晶體結(jié)構(gòu)中原子最接近的距離給出的)差值小于14%～15%時(shí)，大小因子是有利的。由于稀土金屬都在與鐵粘附的有利區(qū)域之外，他們開(kāi)展了鏑、釓、釤和釔在純鐵上的粘附性試驗(yàn)，初步結(jié)果表明上述元素在固體鐵表面確實(shí)顯示出有限量的粘附。此外，許多稀土金屬在相當(dāng)高的溫度下仍舊可以保持其非立方晶體結(jié)構(gòu)，因此可以將這些金屬應(yīng)用在高溫下要求低附著力的領(lǐng)域中。

Buckley和Rabinowicz等[4-5]分別研究了真空條件下和常壓常溫下鈷、鈦、鋯、鉿、鈹、稀土金屬以及其中一些金屬與其他金屬二元合金的摩擦學(xué)性能，不僅證明了Sikorski等關(guān)于六方密堆積低附著性的結(jié)論，還得出了六方密堆積的稀土金屬較之金屬鋅、鋁、銅、鐵、鈦和鋯具有更小的摩擦因數(shù)；且基準(zhǔn)平面間距c與晶格參數(shù)a的比值ca與摩擦因數(shù)的大小存在很強(qiáng)的相關(guān)性：ca增大，摩擦減小，最優(yōu)的比值范圍在1.60～1.63之間。但是，真空條件下的低磨損值與常溫常壓下的磨損值并沒(méi)有表現(xiàn)出一致的行為，作者認(rèn)為這是由于稀土元素的親氧性導(dǎo)致在常溫常壓下過(guò)度氧化而引起的。

上述這些科研工作者們的主要貢獻(xiàn)在于從摩擦學(xué)的角度出發(fā)，探究了這些稀土金屬及其化合物的摩擦磨損和粘附性等等，為后續(xù)稀土化合物在潤(rùn)滑脂中的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

2 稀土化合物在潤(rùn)滑脂中的應(yīng)用

稀土在潤(rùn)滑劑領(lǐng)域的應(yīng)用研究是從20世紀(jì)90年代大幅增多的[6]。目前來(lái)看，稀土化合物在潤(rùn)滑劑領(lǐng)域的應(yīng)用主要是作為添加劑，并且以減摩劑和抗磨劑的研究居多。除此以外，它還可以用作潤(rùn)滑脂的極壓劑和抗腐蝕劑等，而關(guān)于稀土化合物作為潤(rùn)滑脂的稠化劑的報(bào)道則很少見(jiàn)。

2.1 潤(rùn)滑脂的添加劑

何忠義等[7]分別考察了添加CeF3，LaF3，NdF3，PrF3NdF3混合物的鋰基潤(rùn)滑脂的摩擦磨損性能，結(jié)果表明，稀土三氟化物及其混合物均能不同程度地提高鋰基脂的極壓、抗磨性和抗擦傷能力，而對(duì)摩擦因數(shù)的影響較小。此外，他們還發(fā)現(xiàn)加了CeF3的潤(rùn)滑脂的抗磨性能優(yōu)于國(guó)外的Moly Paste，且可以替代它的使用。

張平余等[8]考察了無(wú)機(jī)化合物磷酸鑭作為鋰基脂的添加劑時(shí)的性能，結(jié)果表明：磷酸鑭和二烷基二硫代磷酸鋅均可提高鋰基脂的承載能力；此外磷酸鑭還可提高鋰基脂的減摩抗磨能力，而二烷基二硫代磷酸鋅對(duì)基礎(chǔ)脂的減摩抗磨性能的作用效果不穩(wěn)定，且兩者之間沒(méi)有協(xié)同作用。Chen Pinghu等[9]對(duì)準(zhǔn)2D材料CePO4的自潤(rùn)滑性能也進(jìn)行了首次研究。

雖然稀土氟化物具有較好的抗磨減摩性能，但是它們的油溶性一直是個(gè)難題。朱達(dá)川等[10]以白云母、氯化鈰與草酸在球磨作用下制備前軀物草酸鈰，將草酸鈰均勻分布在白云母上，經(jīng)過(guò)除雜、低溫干燥后置于400 ℃的馬弗爐中，得到了納米氧化鈰包覆的超細(xì)白云母復(fù)合體，改善了氧化鈰作為添加劑的油溶性問(wèn)題。

還有直接用納米級(jí)的CeO2，La2O3，La(OH)3作為潤(rùn)滑油脂的抗磨減摩劑，這樣分散性的問(wèn)題雖然得以解決，但是又帶來(lái)了新的問(wèn)題：納米顆粒之間容易發(fā)生團(tuán)聚而沉淀。于是人們想到了用有機(jī)改性的方法或者用有機(jī)稀土化合物作為添加劑的方法解決該問(wèn)題，濟(jì)南奈爾潤(rùn)滑油有限公司[11]報(bào)道了用聚甲基丙烯酸甲酯包覆的氧化釔氧化鑭，通過(guò)有機(jī)改性，提高了氧化釔在基礎(chǔ)油中的分散性，同時(shí)又解決了團(tuán)聚問(wèn)題。Gupta等[12]用十二烷基硫酸鈉作為分散劑，分別考察了納米顆粒CeO2(約90 nm)和聚四氟乙烯(約150 nm)對(duì)蓖麻油減摩性、抗磨性和極壓性能的影響。結(jié)果表明，它們可以顯著地降低摩擦因數(shù)，其中0.5%的CeO2表現(xiàn)出最佳的減摩性，并且含有CeO2的蓖麻油的最大無(wú)卡咬負(fù)荷達(dá)到1 960 N。

解決了油溶性、分散性和穩(wěn)定性等問(wèn)題之后，人們對(duì)其性能有了更高的要求。參考市場(chǎng)上抗磨性能優(yōu)異、價(jià)格低廉的ZDDP，人們開(kāi)始了對(duì)烷基硫代磷酸稀土化合物以及烷基硫代氨基甲酸稀土化合物的研究。任天輝等[13]制備了二乙基二硫代氨基甲酸與稀土元素鑭的配合物，發(fā)現(xiàn)它能夠顯著提高鋰基潤(rùn)滑脂的極壓性能，且優(yōu)于ZDDP，同時(shí)具有良好的抗磨損性能。但是這類配合物的制備一般需要在無(wú)水無(wú)氧的苛刻條件下進(jìn)行，不易工業(yè)化，從而使其應(yīng)用受到極大的限制。張澤撫等[14]用含氧的第三組分1，10-鄰菲咯啉作為穩(wěn)定劑，合成了三(N，N-二烷基二硫代氨基甲酸)-(1，10-鄰菲咯啉)合稀土三元配合物，該稀土三元配合物作為潤(rùn)滑脂添加劑具有優(yōu)異的極壓性能和良好的抗磨損性能，尤其適用于齒輪潤(rùn)滑脂添加劑。

由于作為添加劑的有機(jī)稀土化合物大部分都是模仿ZDDP的結(jié)構(gòu)來(lái)設(shè)計(jì)和合成的，其中會(huì)含有S或P元素，不可避免地會(huì)導(dǎo)致腐蝕問(wèn)題以及環(huán)保問(wèn)題。王正等[15]合成了一種不含S、P的油溶性羧酸鑭——二異辛基琥珀酰胺酸鑭，當(dāng)其添加量為3.0%時(shí)，其抗磨性能優(yōu)于ZDDP，可以在摩擦表面形成一種高性能的邊界潤(rùn)滑膜。Rastogi和Maurya等[16-17]考察了一系列無(wú)S、無(wú)P的有機(jī)稀土化合物作為石蠟油的極壓劑時(shí)的性能，結(jié)果表明加有這些1-芳基-2，5-二硫代碳酰胺鑭的石蠟油的承載負(fù)荷均大于4 900 N，其性能由高到低的順序?yàn)椋篬La(p-MeOPhTHC)3]>[La(p-ClPhTHC)3]>[La(p-MePhTHC)3]>[La(PhTHC)3]>MoS2，其中PhTHC為1-苯基-2，5-二硫代碳酰胺。除此以外，他們團(tuán)隊(duì)還在無(wú)S、無(wú)P抗磨劑方面做了一些工作，對(duì)用于石蠟油中作為抗磨劑的鑭基席夫堿研究時(shí)發(fā)現(xiàn)，[La(Saldphm)NO3]具有極好的抗磨性和高的承載能力。他們合成的3種鑭基席夫堿的抗磨性能優(yōu)于硼酸酯和ZDDP，且這3種鑭基席夫堿的抗磨性能由高到低的順序?yàn)椋篬La(Saldphm)NO3]>[La(Salpph)NO3]>[La(Saloph)NO3]，并且硼酸酯的引入可以顯著提高鑭基席夫堿的抗磨性能，表現(xiàn)出很好的協(xié)同作用。

2.2 潤(rùn)滑脂的稠化劑

相比于稀土化合物作為添加劑的研究而言，以稀土化合物作為稠化劑的相關(guān)報(bào)道則十分有限，專利CN102676285A[18]中披露了一種除氟化稀土以外還有乙丙共聚物或者聚四氟乙烯等作為稠化劑的潤(rùn)滑脂，由該方法制備的潤(rùn)滑脂可在高溫、高壓、高負(fù)載及高酸堿等惡劣條件下連續(xù)長(zhǎng)時(shí)間工作。

此外專利CN106147941A[19]中報(bào)道了一種復(fù)合聚脲潤(rùn)滑脂，其稠化劑至少包含聚脲-有機(jī)酸鑭。這種聚脲-有機(jī)酸鑭復(fù)合皂是在傳統(tǒng)的聚脲稠化劑的基礎(chǔ)上，通過(guò)引入對(duì)氨基苯甲酸乙酯和己內(nèi)酰胺等酸根供體化合物，然后再加入半干狀態(tài)的氫氧化鑭與之反應(yīng)，從而引入有機(jī)酸鑭部分。該發(fā)明提供的復(fù)合聚脲鑭潤(rùn)滑脂具有極好的極壓性和高的滴點(diǎn)，同時(shí)還具有優(yōu)良的機(jī)械安定性、膠體安定性、熱安定性、防腐蝕性等性能，綜合性能好。

然而一些研究表明，類似傳統(tǒng)金屬皂基的稀土化合物作為稠化劑有很大的可行性，專利CN1218452A[20]中報(bào)道了用長(zhǎng)鏈(C6～C32)支化羧酸生產(chǎn)稀土元素的固體粉狀羧酸鹽的過(guò)程，該過(guò)程中發(fā)現(xiàn)了油狀蠟性物料辛酸釹。此外，王曉中等[21]采用多步水熱法合成了稀土配位聚合物[Sm2(fum)2(ox)(H2O)4]·4H2O(其中fum為反丁烯二酸鹽，ox為草酸鹽)。對(duì)其進(jìn)行單晶X射線衍射(XRD)的分析結(jié)果表明，反丁烯二酸和草酸的羧基氧原子均與Sm3+配位，化合物是由草酸做柱支撐Sm-fum層而成的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。并且沿著a軸有孔徑約為0.64 nm×0.97 nm的長(zhǎng)方形孔道，孔道被配位水分子和游離水分子占據(jù)。這些發(fā)現(xiàn)都為稀土基脂肪酸稠化劑的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的可能性提供了有力的論據(jù)，說(shuō)明了類似于傳統(tǒng)金屬皂基的稀土基稠化劑在理論上具有很大的可行性。

3 稀土化合物的減摩、抗磨機(jī)理

隨著潤(rùn)滑脂學(xué)科的不斷發(fā)展，新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)難度增大，使得人們開(kāi)始關(guān)注其機(jī)理研究，以便為后續(xù)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)提供理論支撐。

常見(jiàn)的分析手段是XPS和EDS等，Gupta等[12]利用EDS分析發(fā)現(xiàn)，在磨損表面的摩擦膜中出現(xiàn)了添加劑中的元素；Maurya等[17]利用XPS發(fā)現(xiàn)了摩擦膜中含有由鑭基席夫堿添加劑生成的La2O3；王正等[15]利用XPS和AES發(fā)現(xiàn)添加劑中的鑭在摩擦表面是以單質(zhì)鑭和羧酸鑭共同存在的，它們與羧酸亞鐵共同構(gòu)成了邊界潤(rùn)滑膜。此外王正等還發(fā)現(xiàn)了金屬單質(zhì)鑭向金屬基體發(fā)生了滲透，這與連亞峰等[6]從固體分子電子理論觀點(diǎn)出發(fā)推出的稀土可以滲入鋼的表面的觀點(diǎn)完全一致。張澤撫等[14]采用AES和XPS的分析結(jié)果表明，作為鋰基潤(rùn)滑脂添加劑的稀土配合物可以在摩擦表面形成含有稀土氧化物、硫酸鹽的保護(hù)膜和含有硫和氮的有機(jī)化合物；特別是其中富含的稀土和硫的潤(rùn)滑膜，它們對(duì)EDTC·Ln·Phen優(yōu)異的摩擦學(xué)性能起著重要作用。然而這些分析手段都是通過(guò)解析摩擦之后的摩擦面，以此來(lái)倒推其作用機(jī)理，但是對(duì)于其實(shí)際的中間狀態(tài)以及實(shí)際有效作用物質(zhì)的確定卻并未涉及。

隨著技術(shù)的不斷改革、創(chuàng)新，希望在不久的將來(lái)可以有更多更好的技術(shù)可以用到稀土化合物減摩、抗磨機(jī)理的研究上，比如說(shuō)一些實(shí)時(shí)在線的技術(shù)、現(xiàn)在正在興起的計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)和AI技術(shù)等。

4 結(jié)束語(yǔ)

(1)從稀土化合物在潤(rùn)滑脂中的研究成果來(lái)看，稀土化合物確實(shí)具有優(yōu)異的摩擦學(xué)性能，當(dāng)其作為添加劑加到潤(rùn)滑脂中時(shí)，在一定條件下的抗磨或減摩性能優(yōu)于ZDDP，應(yīng)用前景可觀。

(2)從早期簡(jiǎn)單的稀土氟化物、氧化物、氫氧化物等，再到物理改性的稀土化合物和有機(jī)稀土化合物，稀土化合物的油溶性問(wèn)題經(jīng)過(guò)眾多科研工作者的努力得到了解決。但由于作為添加劑的有機(jī)稀土化合物大部分都是模仿ZDDP的結(jié)構(gòu)來(lái)設(shè)計(jì)和合成的，所以也不可避免地會(huì)導(dǎo)致腐蝕問(wèn)題以及環(huán)保問(wèn)題。未來(lái)，關(guān)于無(wú)S、無(wú)P的有機(jī)稀土化合物的設(shè)計(jì)和合成將是必然的趨勢(shì)和研究熱點(diǎn)。

(3)關(guān)于稀土化合物在潤(rùn)滑脂中作用的本質(zhì)亟需深入了解，這樣可以輔助設(shè)計(jì)出具有優(yōu)異性能的稀土化合物作為潤(rùn)滑脂的添加劑甚至是稠化劑。同時(shí)，計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)的使用，將會(huì)進(jìn)一步推動(dòng)其在潤(rùn)滑脂中的實(shí)際應(yīng)用，早日實(shí)現(xiàn)工業(yè)化。