對(duì)甲苯酚-AOT雙組份超分子凝膠的制備及摩擦學(xué)性能研究

張嘉瑩, 于強(qiáng)亮, 劉欽澤, 蔡美榮*, 周 峰, 劉維民

(1. 中國(guó)科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所 固體潤(rùn)滑國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 甘肅 蘭州 730000;2. 中國(guó)科學(xué)院大學(xué), 北京 100049;3. 煙臺(tái)先進(jìn)材料與綠色制造山東省實(shí)驗(yàn)室, 山東 煙臺(tái) 264006;4. 齊魯工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院, 山東 濟(jì)南 250353)

固體潤(rùn)滑劑是一種應(yīng)用廣泛的常見潤(rùn)滑劑，在高真空、高溫、低溫和強(qiáng)氧化等各種惡劣條件下具有良好的潤(rùn)滑性[1-2]. 但也存在一些缺點(diǎn)，如容易產(chǎn)生磨屑，比液體潤(rùn)滑劑具有更高的摩擦系數(shù)等. 液體潤(rùn)滑油具有較低的摩擦系數(shù)，因此其應(yīng)用范圍更廣，可用于一些獨(dú)特的機(jī)械潤(rùn)滑部件[3-7]. 然而液體潤(rùn)滑劑在摩擦過程中容易出現(xiàn)爬移現(xiàn)象，導(dǎo)致潤(rùn)滑失效. 使用半固態(tài)潤(rùn)滑脂可以解決潤(rùn)滑油的上述部分問題，因?yàn)樗哂性S多優(yōu)良的性能，如良好的密封性能、使用溫度更寬、承載能力更強(qiáng)和儲(chǔ)存更方便等[8-10]. 然而，在實(shí)際應(yīng)用過程中也存在一些不足，如分油和散熱不良等現(xiàn)象，限制了其在高速軸承中的應(yīng)用. 為解決上述問題，近年來開發(fā)了一種新型超分子凝膠潤(rùn)滑劑. 凝膠因子通過非共價(jià)相互作用在分子間發(fā)生自組裝，在基礎(chǔ)油中形成三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，從而防止?jié)櫥托孤┖腿渥兊葐栴}[11]. 這種凝膠作為潤(rùn)滑劑具有良好的觸變性和蠕變恢復(fù)特性，在摩擦試驗(yàn)過程中可轉(zhuǎn)化為液體，從而避免了影響機(jī)器運(yùn)行和散熱的問題. 根據(jù)以往報(bào)道，超分子凝膠因子可以在離子液體、基礎(chǔ)油和水中形成凝膠潤(rùn)滑劑. 作者所在課題組設(shè)計(jì)了一種新型離子液體型超分子凝膠，可以通過自組裝形成穩(wěn)定的凝膠[12-13]，并且具有優(yōu)良的耐腐蝕性和良好的導(dǎo)電性，摩擦學(xué)測(cè)試結(jié)果表明其具有優(yōu)良的潤(rùn)滑性能. 在上述工作的基礎(chǔ)上，開發(fā)了一系列具有優(yōu)良自組裝性能的低分子量凝膠因子[14-20]. 凝膠因子利用分子間的非共價(jià)相互作用來凝膠化各種液體(包括礦物油、合成基礎(chǔ)油、合成發(fā)動(dòng)機(jī)油、合成潤(rùn)滑油和離子液體等). 形成的超分子凝膠潤(rùn)滑劑不僅具有良好的觸變性和熱可逆性，而且能顯著改善潤(rùn)滑性能. Takahashi等[21]在2008年制備了一種二胺衍生物凝膠因子，該凝膠因子可以凝膠化基礎(chǔ)油，并且首次探索了凝膠的潤(rùn)滑性能，結(jié)果顯示凝膠比基礎(chǔ)油具有更好的潤(rùn)滑性能. 超分子凝膠潤(rùn)滑劑雖然具有許多優(yōu)良的特性，但也存在一些問題，例如，制備過程復(fù)雜且成本高等.

為了解決這些問題，本文中報(bào)道了一種無需進(jìn)行復(fù)雜的合成就能得到的雙組份凝膠潤(rùn)滑劑，凝膠的物理化學(xué)性能可以通過調(diào)節(jié)凝膠因子的組成進(jìn)行調(diào)節(jié).摩擦學(xué)試驗(yàn)表明，該凝膠具有良好的減摩抗磨效果和良好的應(yīng)用前景. 正如其他研究報(bào)道的那樣，雙組份凝膠分子以非共價(jià)鍵(如π-π堆積、氫鍵和靜電作用)結(jié)合. 根據(jù)文獻(xiàn)[20]報(bào)道，凝膠因子僅能凝膠化一部分基礎(chǔ)油，為了推廣凝膠潤(rùn)滑劑的應(yīng)用，凝膠因子應(yīng)該盡可能多地使基礎(chǔ)油凝膠化. 在本文中，作者制備了p-cresol-AOT雙組份凝膠因子，并對(duì)該凝膠因子的成膠性能進(jìn)行了系統(tǒng)的研究,另外對(duì)其成膠性能、成膠機(jī)理和流變性能也進(jìn)行了深入的研究. 采用微動(dòng)摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)(SRV-IV)評(píng)價(jià)了凝膠的摩擦學(xué)性能，利用非接觸式三維表面輪廓儀和掃描電鏡觀察磨痕的表面形貌. 結(jié)果表明，該凝膠因子可以凝膠化七種常見的基礎(chǔ)油，并且具有優(yōu)異的抗極壓、減摩和抗磨性能，在潤(rùn)滑領(lǐng)域具有非常大的應(yīng)用潛力.

1 試驗(yàn)材料及方法

1.1 材料

試驗(yàn)用對(duì)甲苯酚(98%)購(gòu)于上海山浦化工；琥珀酸二(2-乙基己基)酯磺酸鈉(AOT)(AR)購(gòu)于希恩斯；全配方商品油(0W-20)購(gòu)于殼牌有限公司；500SN、PAO10、PAO40和烷基萘(AN)均購(gòu)自于Exxon Mobil；液體石蠟和150BS購(gòu)自于國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司.

1.2 P-cresol-AOT 凝膠潤(rùn)滑劑的制備

該雙組份凝膠制備方法簡(jiǎn)單，可以原位合成，具體制備方法如下：將對(duì)甲苯酚和琥珀酸二(2-乙基己基)酯磺酸鈉(P-cresol-AOT)作為凝膠因子按照1:1和1:2的摩爾比加入到基礎(chǔ)油中，加熱攪拌直到凝膠因子溶解，冷卻后即可形成凝膠. 經(jīng)過試驗(yàn)得出：摩爾比1:2形成的凝膠不如1:1穩(wěn)定，所以在試驗(yàn)過程中采用雙組份摩爾比為1:1的凝膠因子. 凝膠形成機(jī)理如圖1所示，凝膠和溶膠態(tài)之間通過變溫和攪拌(外力)可以發(fā)生可逆轉(zhuǎn)換.

1.3 凝膠的物理化學(xué)性能表征

采用傅立葉變換紅外光譜儀(FT-IR)、核磁共振(NMR)和旋轉(zhuǎn)流變儀RS6000 HAAKE(德國(guó))檢測(cè)凝膠的自組裝機(jī)理以及凝膠的觸變性能. 檢測(cè)紅外吸收峰時(shí)采用液膜涂覆法，氫譜核磁的溶劑選擇氘代氯仿，流變學(xué)試驗(yàn)采用震蕩模式進(jìn)行，測(cè)定凝膠的彈性模量和黏性模量.

1.4 摩擦學(xué)性質(zhì)的表征

潤(rùn)滑劑的摩擦學(xué)性能由德國(guó)Optimol Greases公司制造的SRV-IV微振動(dòng)摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)測(cè)試，試驗(yàn)過程中上下摩擦副采用點(diǎn)-面接觸. 上試球?yàn)橹睆?0 mm、硬度700～800 HV的AISI 52 100鋼球，下試盤為Ф24 mm×7.9 mm軸承鋼盤(硬度700～800 HV). 在進(jìn)行摩擦試驗(yàn)之前，將所用鋼球與鋼盤分別進(jìn)行超聲清洗并擦干，然后將定量潤(rùn)滑劑加在球-盤接觸區(qū)域開始試驗(yàn). 在摩擦磨損試驗(yàn)后，再次采用乙醇或石油醚進(jìn)行超聲清洗鋼塊表面，磨斑形貌采用MicroXAM 3D非接觸式三維輪廓儀測(cè)試.

2 結(jié)果與討論

2.1 成膠性能研究

Fig. 1 Gelation mechanism of p-cresol-AOT two-component gel lubricant圖1 p-cresol-AOT雙組份凝膠潤(rùn)滑劑的成膠機(jī)理圖

P-cresol-AOT凝膠的成膠性能如表1和圖2所示，在凝膠化試驗(yàn)過程中，選擇了多種基礎(chǔ)油作為溶劑，包括礦物基礎(chǔ)油、合成潤(rùn)滑油和全配方潤(rùn)滑油作為基礎(chǔ)潤(rùn)滑液，凝膠因子質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%～5%，驗(yàn)證p-cresol-AOT與基礎(chǔ)潤(rùn)滑液的成膠性能，試驗(yàn)表明，最低成膠質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%，說明該凝膠因子的成膠能力較好，在500SN、烷基萘(AN)、150BS、PAO40、液體石蠟、0W-20和PAO10中均能成膠，其中全配方潤(rùn)滑油0W-20由于含有多種添加劑不利于成膠，所以凝膠因子在0W-20中的自組裝速率較慢，凝膠化時(shí)間較長(zhǎng)，其他基礎(chǔ)油在溶液冷卻至室溫時(shí)就已經(jīng)完成凝膠化，圖2為雙組份凝膠因子在基礎(chǔ)油中成膠的照片.

表1 p-cresol-AOT凝膠因子與不同潤(rùn)滑劑的成膠性能Table 1 The gelation properties of p-cresol-AOT gelator in different lubricants

Fig. 2 The pictures of p-cresol-AOT gels in different oils (a: 500SN, b: AN, c: 150BS, d: PAO40, e: liquid paraffin,f: 0W-20, g: PAO10)圖2 p-cresol-AOT在不同潤(rùn)滑油中成膠照片(a: 500SN，b：烷基萘，c：150BS，d：PAO40，e：液體石蠟，f：0W-20，g：PAO10)

2.2 p-cresol-AOT 凝膠的形成機(jī)理和熱穩(wěn)定性能

通過對(duì)凝膠和溶膠的變濃度核磁分析和FT-IR對(duì)比分析，研究了p-cresol-AOT的自組裝機(jī)理. 圖3(a)所示為不同濃度p-cresol-AOT凝膠因子的1H NMR譜圖，圖3(b)為圖3(a)的局部放大圖，溶劑是氘代氯仿. 在較低凝膠因子濃度時(shí)(30 mg/0.5 mL)，對(duì)甲苯酚羥基官能團(tuán)的特征峰為5.69 ppm. 隨著凝膠因子濃度增至80 mg/0.5mL，羥基官能團(tuán)的特征峰變?yōu)?.31 ppm，這是由氫鍵的形成導(dǎo)致的紅移現(xiàn)象. 此外，圖3(c)為紅外光譜儀測(cè)得的p-cresol-AOT凝膠因子紅外曲線，測(cè)試方法選用溶液涂敷法，將凝膠或者溶膠涂敷在溴化鉀片表面. 凝膠的特征峰出現(xiàn)在3 441和1 638 cm-1，而溶膠沒有出現(xiàn)相關(guān)峰. 因?yàn)檫@兩個(gè)峰是氫鍵和π-π堆積作用的結(jié)果，結(jié)合核磁結(jié)果推測(cè)，在凝膠化過程中，主要驅(qū)動(dòng)力是氫鍵和π-π堆積作用[22]. 用差示掃描量熱儀測(cè)定潤(rùn)滑油的氧化誘導(dǎo)期，氧化誘導(dǎo)期可以非常準(zhǔn)確地表征潤(rùn)滑油的抗氧化性能，一般情況下，氧化誘導(dǎo)期越長(zhǎng)，潤(rùn)滑油的抗氧化性能越強(qiáng). 如圖3(d)所示，在210 ℃的條件下，基礎(chǔ)油PAO10的氧化誘導(dǎo)時(shí)間為5.5 min.加入2%凝膠因子后顯著延長(zhǎng)了PAO10的氧化誘導(dǎo)期，表明凝膠潤(rùn)滑劑的抗氧化性能較基礎(chǔ)油PAO10有明顯提高.

2.3 腐蝕測(cè)試

根據(jù)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)GB/T7326-87的規(guī)定，將拋光后的鋼塊浸泡在PAO10和2%凝膠(含2% p-cresol-AOT的凝膠)中，在100 ℃下進(jìn)行24 h的腐蝕試驗(yàn). 腐蝕試驗(yàn)后，根據(jù)腐蝕標(biāo)準(zhǔn)確定鋼塊的腐蝕等級(jí). PAO10和2%凝膠對(duì)鋼塊的腐蝕試驗(yàn)結(jié)果列于表2中. 根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果可以得知，浸泡在基礎(chǔ)油PAO10和凝膠中的鋼塊表面腐蝕變化不大. 根據(jù)GB/T7326-87檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)，腐蝕級(jí)別可以判別為1a. 表明PAO10+2% p-cresol-AOT凝膠對(duì)鋼盤基本沒有腐蝕，符合商品油的防腐性能要求.

表2 分別浸泡在基礎(chǔ)油和2%凝膠潤(rùn)滑劑中的鋼塊在100 ℃下腐蝕24 h試驗(yàn)前后的照片Table 2 The photographs of steel disk in base oil and 2% gel before and after corrosion tests at 100 ℃ for 24 h

Fig. 3 (a) 1HNMR spectra of p-cresol-AOT with different concentrations. (b) Enlargement of the local region in Fig.3(a). (c) Infrared spectra of gel and sol of p-cresol-AOT gelator. (d) Oxidative induction time curve of PAO10 and 2% gel圖3 (a)不同濃度的p-cresol-AOT的核磁譜圖; (b) (a)圖中局部放大圖; (c) p-cresol- AOT凝膠因子的凝膠與溶膠紅外光譜圖;(d) PAO10和2%凝膠潤(rùn)滑劑的氧化誘導(dǎo)時(shí)間曲線

2.4 凝膠潤(rùn)滑劑的流變學(xué)性能

為了探究雙組分凝膠的流變學(xué)性能，在PAO10中添加不同濃度的p-cresol-AOT凝膠因子形成凝膠，并以此為研究對(duì)象，對(duì)其流變性能進(jìn)行了系統(tǒng)的測(cè)試.在振蕩模式下，可以測(cè)定凝膠的機(jī)械強(qiáng)度和機(jī)械穩(wěn)定性. 如圖4(a)所示，隨著凝膠因子濃度的增加，凝膠的儲(chǔ)存模量(G′)和損耗模量(G?)也逐漸增加，剪切應(yīng)力也遵循隨濃度增加的規(guī)律. 可以看出，隨著濃度的增加，凝膠的機(jī)械強(qiáng)度也逐漸增加. 由于凝膠因子濃度的增加，分子間的相互作用逐漸增加. 圖4(b)展現(xiàn)的是凝膠潤(rùn)滑劑在快、慢剪切3個(gè)循環(huán)下的黏度變化[14], 快速剪切速率是100 r/s，緩慢的剪切速率是0.01 r/s，前100 s是快速剪切速率條件下的黏度，在100～200 s之間是緩慢剪切速度，通過試驗(yàn)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，p-cresol-AOT凝膠可以在靜置時(shí)恢復(fù)其黏度，受到剪切力作用時(shí)黏度降低，且該現(xiàn)象具有可逆性，說明該凝膠具有良好的蠕變恢復(fù)性能.

Fig. 4 (a) The curve of different concentrations gel with the increase of shear stress. (b) The viscosity of different concentrations gel with the fast shear-slow shear cycle experiment圖4 (a)不同濃度凝膠的模量隨剪應(yīng)力的變化曲線. (b)不同濃度的凝膠在快剪切-慢剪切循環(huán)試驗(yàn)時(shí)的黏度

2.5 P-cresol-AOT凝膠潤(rùn)滑劑摩擦學(xué)性能研究

2.5.1 PAO10凝膠潤(rùn)滑劑摩擦學(xué)性能研究

如圖5(a)所示，p-cresol-AOT在基礎(chǔ)油PAO10中形成凝膠后，使用摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行摩擦學(xué)測(cè)試[16],對(duì)照樣PAO10以及凝膠潤(rùn)滑劑的試驗(yàn)條件均為載荷200 N、溫度25 ℃和頻率25 Hz，每個(gè)試樣進(jìn)行30 min的摩擦試驗(yàn). 結(jié)果表明，凝膠的摩擦系數(shù)低于基礎(chǔ)油，且摩擦阻力系數(shù)在整個(gè)摩擦過程中保持穩(wěn)定[23]. 隨著凝膠因子濃度的增加，凝膠潤(rùn)滑劑的摩擦系數(shù)無明顯變化.但是凝膠因子濃度過高，不但不能改善潤(rùn)滑性能，還會(huì)增加生產(chǎn)成本，由于凝膠因子最低成膠質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%，所以最佳凝膠因子質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%. 圖5(b)為不同凝膠因子濃度的凝膠潤(rùn)滑劑經(jīng)過摩擦試驗(yàn)后的磨損量柱狀圖，凝膠潤(rùn)滑劑的磨損量顯著小于PAO10，表明凝膠潤(rùn)滑劑具有較好的抗磨性能. 隨著凝膠因子濃度的增加，磨損量并沒有繼續(xù)下降，這與摩擦系數(shù)的結(jié)果一致. 因此，凝膠的潤(rùn)滑性能優(yōu)于基礎(chǔ)油，并且凝膠因子最佳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%.

Fig. 5 (a) Friction coefficient curve of gels with different concentrations and base oil; (b) Histogram of wear volume after friction testing of base oil and gels with different concentrations圖5 (a)不同濃度凝膠潤(rùn)滑劑和基礎(chǔ)油的摩擦系數(shù)曲線；(b)基礎(chǔ)油和不同濃度凝膠潤(rùn)滑劑摩擦試驗(yàn)后鋼塊磨損體積柱狀圖

為了更系統(tǒng)地研究p-cresol-AOT凝膠潤(rùn)滑劑的潤(rùn)滑性能，對(duì)該凝膠潤(rùn)滑劑在不同條件下的摩擦學(xué)性能進(jìn)行了評(píng)價(jià). 選擇用2%的p-cresol-AOT凝膠和PAO10基礎(chǔ)油在變載(100～600 N)、變頻率(15～45 Hz)和變溫度(20～140 ℃)的條件下進(jìn)行測(cè)試. 由圖6(a, a1)可以看出，在變載條件下，空白PAO10潤(rùn)滑油的潤(rùn)滑保護(hù)作用持續(xù)到300 s，當(dāng)負(fù)載增加到200 N時(shí)，摩擦系數(shù)急劇增加，出現(xiàn)潤(rùn)滑失效的現(xiàn)象. 而對(duì)于2%凝膠潤(rùn)滑劑，隨著載荷的增加，摩擦系數(shù)值一直保持較低的趨勢(shì)，摩擦曲線在整個(gè)試驗(yàn)過程中保持相對(duì)穩(wěn)定. 即使在載荷增加到600 N時(shí)，仍起到良好的潤(rùn)滑作用，說明凝膠具有較高的潤(rùn)滑性能和較強(qiáng)的承載能力. 凝膠潤(rùn)滑劑和空白基礎(chǔ)油PAO10在頻率和溫度變化下的摩擦學(xué)性能如圖6(b, b1)和(c, c1)所示. 可以從中得出結(jié)論，該凝膠潤(rùn)滑劑在變載(100～600 N)、變頻率(15～45 Hz)和變溫度(20～140 ℃)的摩擦測(cè)試條件下仍然具有良好的潤(rùn)滑效果.

Fig. 6 Friction coefficient curve and wear volume of 2% gel and PAO10 under the condition of (a, a1) load ramp, (b, b1) frequency ramp and (c, c1) temperature ramp圖6 2%凝膠潤(rùn)滑劑與基礎(chǔ)油在(a，a1)變載條件下的摩擦系數(shù)曲線及相應(yīng)磨損體積，(b，b1)變頻條件下的摩擦系數(shù)曲線和磨損體積和(c，c1)變溫條件下的摩擦系數(shù)曲線和磨損體積

2.5.2 P-cresol-AOT凝膠因子對(duì)不同類型潤(rùn)滑油摩擦性能的影響

為了探索p-cresol-AOT 凝膠因子對(duì)不同類型潤(rùn)滑油摩擦性能的影響[24]，選擇礦物油500SN，液體石蠟和全配方潤(rùn)滑劑0W-20為基礎(chǔ)潤(rùn)滑油，凝膠因子的添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%. 如圖7(a，a1)所示，基礎(chǔ)油500SN在載荷300 N，頻率25 Hz，溫度為25 ℃條件下，摩擦系數(shù)達(dá)到了0.45，對(duì)應(yīng)的凝膠潤(rùn)滑劑在摩擦測(cè)試中摩擦系數(shù)并沒有出現(xiàn)波動(dòng)，一直保持較低且穩(wěn)定的趨勢(shì)，平均摩擦系數(shù)僅有0.12. 從圖7(a1)磨損體積圖中可以看出，凝膠潤(rùn)滑劑比基礎(chǔ)油磨損體積減少了約10倍. 由此可知，p-cresol-AOT凝膠因子加入到500SN基礎(chǔ)油中形成的凝膠潤(rùn)滑劑確實(shí)可以改善其潤(rùn)滑和抗磨性能. 從圖7(b)可知，在載荷為200 N時(shí)，液體石蠟的摩擦系數(shù)為0.2，并且摩擦系數(shù)不穩(wěn)定，以液體石蠟為基礎(chǔ)油的凝膠潤(rùn)滑劑，摩擦系數(shù)一直平穩(wěn)保持在0.12，這說明凝膠潤(rùn)滑劑具備較好的潤(rùn)滑性能. 對(duì)磨損體積分析可以得知，凝膠潤(rùn)滑劑摩擦之后磨痕的磨損體積比液體石蠟減少了30倍，這說明凝膠潤(rùn)滑劑顯著改善了液體石蠟的抗磨性能. 不僅檢測(cè)凝膠因子對(duì)空白基礎(chǔ)油摩擦學(xué)性能的影響，而且進(jìn)一步檢測(cè)其與全配方潤(rùn)滑油的兼容性，如圖7(c)所示，選擇全配方潤(rùn)滑油0W-20作為基礎(chǔ)潤(rùn)滑油與對(duì)應(yīng)的凝膠潤(rùn)滑劑進(jìn)行潤(rùn)滑效果對(duì)比，全配方潤(rùn)滑油0W-20作為市場(chǎng)上常見的全配方商品機(jī)油，本身具有良好的承載能力. 首先考察了其在較高載荷條件下的摩擦學(xué)行為，結(jié)果顯示，全配方潤(rùn)滑油的承載力為600 N，在700 N的條件下出現(xiàn)嚴(yán)重的潤(rùn)滑失效，0W-20潤(rùn)滑油的磨損較為嚴(yán)重. 在相同的高承載(700 N)測(cè)試條件下，其相對(duì)應(yīng)的凝膠潤(rùn)滑劑的摩擦系數(shù)低于全配方潤(rùn)滑油，并且摩擦曲線很平穩(wěn)，沒有發(fā)生潤(rùn)滑失效. 由圖7(c1)中磨損體積可知，0W-20的凝膠潤(rùn)滑劑磨損體積僅僅是0W-20的1/15，這說明凝膠潤(rùn)滑劑具有優(yōu)異的抗磨性能，極大地降低了磨損.根據(jù)以上分析可知，P-cresol-AOT凝膠因子加入到多種潤(rùn)滑油中形成的凝膠潤(rùn)滑劑均能改善基礎(chǔ)潤(rùn)滑油的減摩和抗磨性能[25].

Fig. 7 Friction oefficient and wear volume of p-cresol-AOT in different base oils: (a, a1) in 500SN (load: 300 N); (b, b1) in liquid paraffin (load: 200 N); (c, c1) in 0W-20 (load: 700 N) (frequency: 25 Hz; temperature: 25 ℃; time: 30 min)圖7 p-cresol-AOT在不同基礎(chǔ)油中的摩擦系數(shù)圖和磨損體積柱狀圖: (a, a1)在500SN基礎(chǔ)油中(載荷：300 N)；(b, b1)在液體石蠟中(載荷：200 N)；(c, c1)在全配方商品油0W-20中(載荷：700 N)(頻率：25 Hz；溫度：25 ℃；測(cè)試時(shí)間：30 min)

2.6 磨斑表面的形貌以及元素分析

為了更好地分析摩擦接觸區(qū)域發(fā)生的摩擦現(xiàn)象，采用三維輪廓儀、掃描電子顯微鏡以及X射線光電子能譜(XPS)對(duì)磨斑進(jìn)行分析. 首先，鋼塊被不同濃度凝膠潤(rùn)滑劑和基礎(chǔ)油PAO10潤(rùn)滑后產(chǎn)生的磨斑被超聲清洗，吹干后待用. 采用非接觸式三維輪廓儀對(duì)磨斑微觀形貌進(jìn)行掃描分析[20,26]，由此可以得到磨損體積和微觀圖像. 圖8為PAO10和1%～5%凝膠潤(rùn)滑劑潤(rùn)滑后磨斑的3D形貌，圖8(a)為被基礎(chǔ)油PAO10潤(rùn)滑后產(chǎn)生的磨斑形貌，從形貌圖中可以觀察到磨斑較深，深度達(dá)到了7.77 μm，刮擦產(chǎn)生的犁溝劃痕明顯，磨斑的周圍被擠壓出現(xiàn)了較明顯的凸起，可以看出磨損比較嚴(yán)重.1%凝膠潤(rùn)滑劑潤(rùn)滑后產(chǎn)生的磨斑微觀形貌如圖8(b)所示，1%凝膠潤(rùn)滑劑潤(rùn)滑后的磨斑深度僅有0.513 μm，磨損深度大約是基礎(chǔ)油PAO10產(chǎn)生的磨斑深度的1/15，磨斑周圍沒有因?yàn)閿D壓引起的凸起，磨損僅表現(xiàn)為輕微刮擦. 另外，其他濃度(2%～5%)的凝膠潤(rùn)滑劑潤(rùn)滑后產(chǎn)生的磨斑與1%凝膠潤(rùn)滑劑潤(rùn)滑后產(chǎn)生的磨斑微觀形貌類似，均表現(xiàn)為較淺的劃痕. 通過磨斑形貌的微觀分析，表明1%～5%凝膠潤(rùn)滑劑具有優(yōu)異的潤(rùn)滑保護(hù)性能，減少了摩擦副在摩擦過程中產(chǎn)生的磨損.

為了更清楚地看出磨斑處產(chǎn)生的磨損形式，采用高倍掃描電子顯微鏡(SEM)對(duì)磨斑處表面進(jìn)行形貌分析，圖9(a～f)分別是基礎(chǔ)油PAO10和1%～5%凝膠潤(rùn)滑劑摩擦測(cè)試后磨斑的SEM圖片，可以觀察到被基礎(chǔ)油PAO10潤(rùn)滑后的磨斑表現(xiàn)為較深的犁溝，磨斑表面遍布了腐蝕坑，這說明摩擦處發(fā)生了黏著磨損，磨損較為嚴(yán)重；圖9(b)示出的是1%凝膠潤(rùn)滑劑潤(rùn)滑后的磨斑，可以看出磨斑犁溝較淺，但表面仍然出現(xiàn)了刮痕和小小的腐蝕坑，推測(cè)在凝膠潤(rùn)滑摩擦過程中仍然有黏著磨損，隨著凝膠因子濃度的增大，磨斑表面不再出現(xiàn)腐蝕坑，而且磨斑犁溝更淺，這說明隨著凝膠因子濃度的增加，凝膠潤(rùn)滑劑的潤(rùn)滑性能有所提升[27].

為了更詳細(xì)地分析摩擦過程中發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)，采用X射線光電子能譜(XPS)分析了被2%凝膠潤(rùn)滑劑潤(rùn)滑的磨痕處的元素和化學(xué)成分. 摩擦試驗(yàn)結(jié)束后，用超聲清洗法去除殘留的凝膠潤(rùn)滑劑. 如圖10(a)所示，根據(jù)結(jié)合能表，F(xiàn)e2p在709.8、710.6和710.8 eV處的結(jié)合能峰表明FeO、Fe3O4和Fe2O3的化合物存在. S2p譜圖在162.4、162.6和168.5 eV處出現(xiàn)的結(jié)合能峰表明可能生成Na2S2O3、FeS2和Na2SO4. 根據(jù)以上分析，推測(cè)在磨痕表面發(fā)生了摩擦化學(xué)反應(yīng)，潤(rùn)滑劑與摩擦副之間形成了新的化合物從而起到潤(rùn)滑作用.

3 結(jié)論

Fig. 8 The 3D morphologies of wear scars lubricated by PAO10 and 1%～5% gel lubricants圖8 分別用PAO10和1%～5%凝膠潤(rùn)滑劑潤(rùn)滑后磨斑的3D形貌

a. 報(bào)道了一種無需合成且制備簡(jiǎn)單的雙組份凝膠因子，由琥珀酸二(2-乙基己基)酯磺酸鈉(AOT)與對(duì)甲苯酚在基礎(chǔ)油中原位自組裝而成. 該凝膠因子自組裝能力較強(qiáng)，能使多種潤(rùn)滑油包括500SN、PAO10、PAO40、液體石蠟、烷基萘和全配方商品油形成凝膠.

Fig. 9 SEM morphologies of wear scars lubricated by PAO10 and 1%～5% gel lubricants圖9 分別用PAO10和1%～5%凝膠潤(rùn)滑劑潤(rùn)滑后鋼塊磨痕形貌的SEM照片

Fig. 10 XPS element analysis about wear scar lubricated by 2% gel圖10 2%凝膠潤(rùn)滑劑潤(rùn)滑后產(chǎn)生磨痕的XPS元素分析

b. 分別研究了所制備的雙組份凝膠因子的濃度、載荷、頻率和溫度對(duì)PAO10凝膠潤(rùn)滑劑摩擦學(xué)性能影響，發(fā)現(xiàn)p-cresol-AOT在PAO10中不僅能形成凝膠，減少存儲(chǔ)不便，防止了爬移泄露等問題，而且極大地改善了PAO10的減摩、抗磨及極壓性能.

c. 探索了p-cresol-AOT在不同潤(rùn)滑油中的摩擦性能，得出該凝膠因子不僅能改善常見的基礎(chǔ)潤(rùn)滑油的摩擦學(xué)特性，而且能極大地改善全配方潤(rùn)滑油0W-20的潤(rùn)滑和抗磨性能，所以該類凝膠潤(rùn)滑劑在機(jī)械潤(rùn)滑領(lǐng)域具有極大的應(yīng)用前景，有望成為一種摩擦學(xué)性能優(yōu)異的新型潤(rùn)滑材料.