離子液體修飾納米四氧化三鐵作添加劑對硅基潤滑脂摩擦學性能的影響

夏延秋，安冰洋

(華北電力大學能源動力與機械工程學院，北京 102206)

近年來，隨著納米技術(shù)的發(fā)展，納米粒子作為潤滑油脂添加劑，已受到國內(nèi)外學者的廣泛關(guān)注[1]。為了提高納米粒子在潤滑油脂中的分散性，不同的學者采用了不同的方法來提高納米粒子在潤滑油脂中的分散性，如研磨法、化學修飾法等。吳昊天等[2]用硅烷偶聯(lián)劑KH570修飾納米SiO2，制備的硅脂具有良好的膠體安定性和機械安定性；閆錦等[3]采用等離子體輔助球磨制備了季銨鹽和月桂酸鈉修飾的納米TiO2具有良好的分散性，提高了潤滑油的減摩和自修復能力；閆婷婷等[4]用硅烷偶聯(lián)劑修飾的納米LaF3作潤滑油添加劑，提高了100N基礎(chǔ)油的極壓抗磨能力；王佳等[5]用月桂酰胺丙基氧化胺分子修飾MoS2，改善了納米MoS2的親油性。2013年高傳平[6]選用納米Fe3O4作添加劑，評價了其摩擦學性能。學者開始嘗試通過表面修飾方法提高納米粒子在潤滑油中的分散性和抗氧化，趙修臣和杜潤平等[7-8]分別用油酸和硬脂酸修飾納米Fe3O4來提高在潤滑油中的分散性和摩擦學性能。由于離子液體綠色、環(huán)保，而且具有優(yōu)異的潤滑性能，人們開始用離子液體修飾納米粒子，來達到改善納米粒子分散性和提高潤滑劑摩擦學性能的目的[9]。硅油是一種無色無味無毒的油品，具有穩(wěn)定的化學性質(zhì)、較廣泛的適用溫度范圍，但硅潤滑劑的減摩抗磨性能差，添加劑對提高硅潤滑劑效果不明顯。本研究選用納米Fe3O4和離子液體修飾的納米Fe3O4作添加劑制備硅基潤滑脂，考察其導電能力和在鋼-鋼摩擦副的潤滑性能。

1 實 驗

1.1 試驗原料

選用二甲基硅油為基礎(chǔ)油，其具體性能參數(shù)見表1；聚四氟乙烯，密度為2.2 g/cm3，晶粒尺寸約為4 μm；納米Fe3O4顆粒，晶粒尺寸為20 nm左右；3種離子液體，分別為：1-乙基-3-甲基咪唑六氟磷酸鹽([EMIm][PF6])、1-己基-3-甲基咪唑六氟磷酸鹽([HMIm][PF6])和1-十四烷基-3-甲基咪唑六氟磷酸鹽([C14MIm][PF6])，購于中國科學院蘭州化學物理研究所，基本理化性能見表2；所用溶劑均購于天津歐博凱化工有限公司。

表1 二甲基硅油的性能參數(shù)

表2 3種離子液體的基本理化性能

1.2 潤滑脂的制備

按照文獻[10]的方法制備離子液體修飾的納米Fe3O4。將納米Fe3O4顆粒與離子液體按質(zhì)量比9∶1混合加入研缽，加入適量無水乙醇，超聲分散15 min，使納米Fe3O4與離子液體分散均勻，施加壓力研磨5 h，放入干燥箱中80 ℃保持24 h，冷卻到室溫，得到離子液體修飾的納米Fe3O4。

將約一半的二甲基硅油加入到燒杯，將占總質(zhì)量30%的聚四氟乙烯(PTFE)加入基礎(chǔ)油中，機械混合攪拌30 min，攪拌過程中向燒杯中加入少量石油醚；將燒杯中混合物油浴加熱到80 ℃，待石油醚完全揮發(fā)，將添加劑和剩余的二甲基硅油加入混合物中，保持溫度攪拌至均勻；將燒杯從油浴中拿出，冷卻至室溫，用三輥研磨機將混合物研磨3遍，得到所需的硅基潤滑脂。其中，添加劑為納米Fe3O4及離子液體修飾的納米Fe3O4，添加量(w)為0.5%，1%，2%，3%。

1.3 導電能力和腐蝕性能測試

采用GEST-121型體積表面電阻測試儀測定潤滑脂的體積電阻率，每組數(shù)據(jù)測量3次，取平均值為最終結(jié)果；腐蝕測試依據(jù)國家標準GB 7326—1987進行。

1.4 摩擦磨損試驗

選用MFT-R4000高速往復摩擦磨損試驗機進行摩擦磨損試驗，采用球-盤點接觸，摩擦副選擇鋼-鋼接觸，均為GCr15鋼。試驗條件為：室溫，振幅5 mm，頻率5 Hz，試驗時間30 min，載荷設(shè)定分別為20，50，80，150 N。試驗所用鋼球直徑為5 mm，底盤采用Ф24 mm×7.8 mm的鋼塊，硬度為700 HV。試驗前將鋼塊打磨拋光成鏡面，試驗前后通過超聲波清洗10 min，每次試驗前涂抹約0.5 g潤滑脂于摩擦副之間，摩擦因數(shù)由計算機自動記錄，每組參數(shù)重復3次試驗。

1.5 磨痕表面分析

試驗結(jié)束后將鋼塊放入石油醚中超聲清洗20 min，用光學顯微鏡測量鋼塊的磨痕直徑，用掃描電子顯微鏡(SEM)觀察磨痕表面形貌。

2 結(jié)果與討論

2.1 潤滑脂的導電能力

潤滑脂的體積電阻率見表3。由表3可以看出：隨著納米Fe3O4含量的增加，潤滑脂的體積電阻率在一定范圍內(nèi)逐漸增大，當基礎(chǔ)脂中添加質(zhì)量分數(shù)為1%的納米Fe3O4時，體積電阻率達到最大，約為基礎(chǔ)脂的2.5倍，說明納米Fe3O4是一種絕緣劑，可以降低潤滑脂的導電性能；離子液體是一種導電材料，用3種離子液體修飾的納米Fe3O4作添加劑時，潤滑脂的體積電阻率均大幅度降低，說明離子液體的修飾可以大幅度改善Fe3O4的導電性能；隨著離子液體中烷基取代基碳鏈長度增加，潤滑脂的體積電阻率增大，這是因為碳鏈長度的增加使導電性能降低[11]。

表3 含不同添加劑潤滑脂的體積電阻率

2.2 摩擦磨損試驗

圖1示出了分別添加納米Fe3O4和3種不同離子液體修飾的納米Fe3O4的潤滑脂在50 N載荷條件下的摩擦磨損試驗結(jié)果。從圖1可知：4種添加劑均可以降低摩擦因數(shù)，減小鋼塊的磨痕寬度；隨著添加劑含量的增加，含納米Fe3O4、([HMIm][PF6]+Fe3O4)和([C14MIm][PF6]+Fe3O4)的潤滑脂試驗時的摩擦因數(shù)均先下降后略有升高，當添加劑質(zhì)量分數(shù)為1%時，摩擦因數(shù)均達到最低值，且含([HMIm][PF6]+Fe3O4)和([C14MIm][PF6]+Fe3O4)的潤滑脂與含純納米Fe3O4潤滑脂相比摩擦因數(shù)分別降低了25.0%和28.5%、磨痕寬度分別減小了6.0%和6.4%，與基礎(chǔ)脂相比摩擦因數(shù)分別降低了49.3%和51.7%、磨痕寬度分別減小了9.4%和15.2%；隨著添加劑含量的增加，含([EMIm][PF6]+Fe3O4)的潤滑脂試驗時的摩擦因數(shù)呈現(xiàn)持續(xù)下降的趨勢，磨痕寬度在添加劑質(zhì)量分數(shù)為2%時達到最低值，與基礎(chǔ)脂相比減小了14.8%。

圖1 50 N載荷下不同含量添加劑對潤滑脂試驗時摩擦因數(shù)和磨痕寬度的影響

圖2示出了不同載荷條件下基礎(chǔ)脂及分別添加質(zhì)量分數(shù)1%的納米Fe3O4和3種不同離子液修飾的納米Fe3O4的潤滑脂的摩擦磨損試驗結(jié)果。從圖2可以看出：在80 N載荷條件下，添加質(zhì)量分數(shù)1%的納米Fe3O4、([EMIm][PF6]+Fe3O4)、([HMIm][PF6]+Fe3O4)和([C14MIm][PF6]+Fe3O4)的潤滑脂試驗時具有相對低的摩擦因數(shù)；而隨著載荷的增加磨痕寬度持續(xù)增加；離子液體修飾的納米Fe3O4的摩擦學性能均優(yōu)于未修飾的納米Fe3O4，表明離子液體修飾后的納米Fe3O4能夠進一步提高潤滑脂的摩擦學性能。

圖2 不同載荷下的摩擦因數(shù)和磨痕寬度

2.3 磨痕表面形貌

圖3示出了在150 N載荷條件下，基礎(chǔ)脂和添加質(zhì)量分數(shù)均為1%的Fe3O4、([EMIm][PF6]+Fe3O4)、([HMIm][PF6]+Fe3O4)和([C14MIm][PF6]+Fe3O4)的潤滑脂潤滑下的磨痕表面形貌。從圖3可以看出：基礎(chǔ)脂潤滑下的磨痕表面存在嚴重的黏著磨損和疲勞剝落；在含有納米Fe3O4的潤滑脂潤滑下，磨痕表面的剝落減輕但出現(xiàn)了少許的犁溝；基礎(chǔ)脂中加入離子液體修飾的納米Fe3O4后，磨痕表面相對光滑，僅存在輕微的劃痕，這是因為離子液體修飾的納米Fe3O4不但減弱了硬顆粒與表面的接觸應(yīng)力，而且在表面形成了更好的摩擦保護膜；在添加質(zhì)量分數(shù)為1%的([C14MIm][PF6]+Fe3O4)時，潤滑脂潤滑下的磨痕表面出現(xiàn)了磨損表面拋光現(xiàn)象，表明長碳鏈的離子液體具有更好的抗磨性能。

圖3 不同潤滑脂潤滑下磨痕微觀形貌

2.4 潤滑脂的腐蝕性

一般離子液體具有較強的腐蝕性，會對摩擦表面造成一定的腐蝕，因此選擇了質(zhì)量分數(shù)均為3%的3種離子液體修飾的納米Fe3O4潤滑脂進行銅片腐蝕試驗，結(jié)果表明銅片腐蝕均為1a，腐蝕合格。說明3種離子液體修飾的納米Fe3O4潤滑脂具有較低的腐蝕性。

3 結(jié) 論

(1)采用離子液體修飾的納米Fe3O4作添加劑，可以明顯降低硅基潤滑脂的體積電阻率，并且與離子液體中取代基碳鏈長度成反比。

(2)離子液體修飾的納米Fe3O4可以大幅度降低潤滑脂試驗時的摩擦因數(shù)并提高抗磨性。

(3)SEM分析表明，采用離子液體修飾的納米Fe3O4顆粒作添加劑時明顯降低了磨痕表面的粗糙度，歸因于離子液體與納米Fe3O4顆粒的協(xié)同作用。