中長(zhǎng)鏈脂肪酸酯潤(rùn)滑基礎(chǔ)油的摩擦學(xué)性能研究

程 忠 ，吳 莉 ，溫瑞瑞 ，王銳濤，高新蕾＊

（1.武漢輕工大學(xué) 化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，武漢 430023；2.武漢工程大學(xué) 化工與制藥學(xué)院 綠色化工過(guò)程省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室湖北省新型反應(yīng)器與綠色化學(xué)工藝重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430073）

不同碳鏈的脂肪酸可從豐富的天然資源提取，脂肪酸通常是由脂肪或生物油的酯鍵水解而制備.最常見(jiàn)的脂肪酸碳鏈在4～28個(gè)碳，碳原子數(shù)通常是偶數(shù)，而C8～C18脂肪酸更常用于酯類(lèi)潤(rùn)滑基礎(chǔ)油的制備［1］.酯類(lèi)油［2－3］的潤(rùn)滑性能取決于分子中極性功能團(tuán)（酯基在摩擦表面的強(qiáng)吸附作用）和脂肪酸的長(zhǎng)碳鏈對(duì)摩擦表面的覆蓋，并在摩擦表面上形成界油膜，使摩擦表面受到保護(hù)，因而酯類(lèi)油的潤(rùn)滑性能一般優(yōu)于同黏度的礦物油［4］.酯類(lèi)潤(rùn)滑油由于其生物降解性良好，無(wú)毒及原材料廉價(jià)等優(yōu)點(diǎn)而成為環(huán)境友好潤(rùn)滑劑的優(yōu)秀基礎(chǔ)油［5］.

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者主要集中研究原料酸碳鏈長(zhǎng)為C4～C10的脂肪酸多元醇酯作為潤(rùn)滑基礎(chǔ)油的摩擦學(xué)性能，對(duì)長(zhǎng)碳鏈脂肪酸多元醇酯的潤(rùn)滑油摩擦學(xué)性能的相關(guān)研究報(bào)道還不多，基于此，本文利用原料酸碳鏈長(zhǎng)為C10～C18偶數(shù)的脂肪酸與多元醇酯化反應(yīng)，合成一系列中長(zhǎng)碳鏈脂肪酸酯類(lèi)化合物，初步探索中長(zhǎng)鏈脂肪酸酯在不同載荷下所表現(xiàn)出的摩擦磨損性能，即以5種脂肪酸、1，4－丁二醇及甘油為原料，利用對(duì)甲苯磺酸作催化劑，采用直接酯化法［6］合成脂肪酸丁二酯、脂肪酸甘油三酯.在四球摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)上考察10種脂肪酸酯的摩擦學(xué)性能，為在不同工況下的潤(rùn)滑基礎(chǔ)油的選擇提供科學(xué)依據(jù).

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 酯類(lèi)基礎(chǔ)油的制備

將癸酸、月桂酸、肉豆蔻酸、棕櫚酸、硬脂酸這5種脂肪酸分別與1，4－丁二醇和甘油進(jìn)行酯化反應(yīng).在配有回流冷凝管、溫度計(jì)、攪拌子、分水器的500mL的三口燒瓶中加入一定摩爾比（脂肪酸丁二酯的酸醇比2.1∶1，脂肪酸甘油三酯的酸醇比3.1∶1）的脂肪酸和醇，在氮?dú)獗Ｗo(hù)下加熱到150℃.再加入1%反應(yīng)物總質(zhì)量比的對(duì)甲苯磺酸作為催化劑，在150～160℃下反應(yīng)4～5h得到粗產(chǎn)物.將粗產(chǎn)物溶解于石油醚和乙醇的1∶1混合液中，再用5%的氫氧化鈉溶液洗3 次，除去未反應(yīng)完全的脂肪酸，然后用水洗至中性，洗滌的過(guò)程中保持溫度在50～60℃，防止溫度過(guò)低，產(chǎn)物出現(xiàn)凝固.最后旋轉(zhuǎn)蒸餾除去產(chǎn)物中的石油醚、乙醇及水，得到脂肪酸酯.按照上述方法，制備得到10種酯類(lèi)潤(rùn)滑基礎(chǔ)油.

1.2 四球摩擦磨損試驗(yàn)及表征方法

采用MR－S10B四球機(jī)（濟(jì)南試金集團(tuán)有限公司制造）測(cè)定酯類(lèi)潤(rùn)滑基礎(chǔ)油的摩擦學(xué)性能.實(shí)驗(yàn)?zāi)Σ粮睘辄c(diǎn)－點(diǎn)接觸形式，GCr15 的鋼球符合GB308標(biāo)準(zhǔn)，直徑12.7mm，硬度為59～61HRC.按照GB／T3142－48方法測(cè)定酯類(lèi)基礎(chǔ)油的最大無(wú)卡咬載荷（PB值）.由于所制備的酯在常溫下均為固態(tài)，因此長(zhǎng)磨試驗(yàn)測(cè)試溫度為85℃，轉(zhuǎn)速為1 250r／min，載荷分別為196 N，294 N，392 N，490N，588N，試驗(yàn)時(shí)間9999s.采用光學(xué)顯微鏡觀測(cè)3粒鋼球的磨斑直徑，并取3次測(cè)量的平均值作為磨損的評(píng)價(jià)［7］.

2 結(jié)果與討論

2.1 最大無(wú)卡咬負(fù)荷（PB值）

從表1和表2可以看出，隨著脂肪酸碳鏈的增加，脂肪酸丁二酯和脂肪酸甘油三酯的PB值都有顯著的提高，但是當(dāng)脂肪酸碳原子數(shù)增加到16或18時(shí)，酯的承載能力有下降的趨勢(shì)，脂肪酸甘油三酯要比脂肪酸丁二酯的承載能力下降明顯，棕櫚酸丁二酯表現(xiàn)出最優(yōu)的承載能力647N.總體上看，脂肪酸碳原子數(shù)為10～18的范圍內(nèi)，在85℃下脂肪酸丁二酯的承載能力要比脂肪酸甘油三酯的承載能力好.

表1 脂肪酸丁二酯在85℃下的承載能力Tab.1 Carrying capacity of fatty acid butanediol ester under 85℃

表2 脂肪酸甘油三酯在85℃下的承載能力Tab.2 Carrying capacity of fatty acid triglycerides under 85℃

2.2 摩擦系數(shù)及磨斑直徑分析

表3和表4為脂肪酸酯在85℃下的長(zhǎng)磨試驗(yàn)結(jié)果，其中“—”表示試驗(yàn)過(guò)程中載荷太小，摩擦過(guò)程中產(chǎn)生的摩擦力很小.由于傳感線鋼絲較粗，導(dǎo)致摩擦系數(shù)測(cè)不準(zhǔn)，實(shí)測(cè)值為負(fù)數(shù).“卡咬”表示在長(zhǎng)磨試驗(yàn)過(guò)程中，鋼球表面間油膜破損，導(dǎo)致金屬表面間直接接觸，酯類(lèi)潤(rùn)滑油無(wú)法再繼續(xù)發(fā)揮抗磨減摩的作用，此時(shí)機(jī)器發(fā)生刺耳的尖叫，人為停止機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn).

表3 脂肪酸丁二酯在85℃下的長(zhǎng)磨試驗(yàn)Tab.3 Long friction test of fatty acid butanediol ester under 85℃

表4 脂肪酸甘油三酯在85℃下的長(zhǎng)磨試驗(yàn)Tab.4 Long friction test of fatty acid triglycerides under 85℃

從表3 和表4 可 以看出，在低載荷（196～294N）下，脂肪酸酯均未發(fā)生卡咬現(xiàn)象，而且隨著脂肪酸碳鏈的增加，摩擦系數(shù)（COF）和磨斑直徑（WSD）均呈下降的趨勢(shì)，尤其是294N 下脂肪酸甘油三酯下降趨勢(shì)最為明顯，如圖1 所示.同時(shí)，從圖2可以看出，癸酸甘油三酯、月桂酸甘油三酯在摩擦過(guò)程中摩擦系數(shù)波動(dòng)非常之大，極其不穩(wěn)定，肉豆蔻酸甘油三酯分別在2 000s和5 800s處出現(xiàn)摩擦系數(shù)短暫的波動(dòng)后繼續(xù)保持平穩(wěn)的狀態(tài)，而棕櫚酸甘油三酯在6 000s以?xún)?nèi)處于一個(gè)穩(wěn)定的低摩擦系數(shù)狀態(tài)，在6 000s以后摩擦系數(shù)緩慢上升直至再一次處于平穩(wěn)狀態(tài).這說(shuō)明在較低載荷的摩擦磨損過(guò)程中長(zhǎng)碳鏈的脂肪酸甘油酯要比中等碳鏈長(zhǎng)的脂肪酸甘油酯摩擦系數(shù)變化穩(wěn)定.

圖2 85℃下294N 脂肪酸甘油三酯的摩擦系數(shù)變化Fig.2 The friction coefficient of fatty acid triglycerides with time at 294Nunder 85℃

在中載荷（392～490N）下，癸酸丁二酯、癸酸甘油三酯、肉豆蔻酸甘油三酯、棕櫚酸甘油三酯、硬脂酸甘油三酯在摩擦過(guò)程中發(fā)生卡咬現(xiàn)象，其中脂肪酸甘油三酯卡咬現(xiàn)象發(fā)生的最為頻繁，說(shuō)明脂肪酸甘油三酯要比脂肪酸丁二酯容易發(fā)生卡咬.而且還可以看出，出現(xiàn)卡咬的酯主要發(fā)生在肉豆蔻酸甘油三酯、棕櫚酸甘油三酯和硬脂酸甘油三酯.說(shuō)明在85℃及中等載荷下長(zhǎng)碳鏈的脂肪酸甘油三酯要比中等碳鏈長(zhǎng)的脂肪酸甘油三酯在摩擦過(guò)程中更易發(fā)生卡咬.

如圖3所示，在高載荷（588N）下，脂肪酸丁二酯和脂肪酸甘油三酯均有發(fā)生卡咬現(xiàn)象.其中只有月桂酸丁二酯及肉豆蔻酸丁二酯在9 999s摩擦過(guò)程中未出現(xiàn)卡咬，且在摩擦過(guò)程中摩擦系數(shù)也表現(xiàn)比較穩(wěn)定.肉豆蔻酸丁二酯的摩擦系數(shù)要比月桂酸丁二酯的摩擦系數(shù)小，說(shuō)明肉豆蔻酸丁二酯的減摩效果最好.在摩擦試驗(yàn)中0到1 000s時(shí)兩者均有摩擦系數(shù)先下降后上升的現(xiàn)象，這是出于試驗(yàn)的磨合階段，1 000s后逐漸平穩(wěn)下來(lái)進(jìn)入穩(wěn)定期.在5 500s時(shí)，兩者摩擦系數(shù)再一次上升，肉豆蔻酸丁二酯的上升幅度較大.在6 000s到9 999s期間，兩者的摩擦系數(shù)均出不斷上下波動(dòng)的趨勢(shì)，說(shuō)明在長(zhǎng)時(shí)間摩擦后，酯的潤(rùn)滑性質(zhì)發(fā)生改變，使其摩擦效果不穩(wěn)定.由表3所示，月桂酸丁二酯的磨斑直徑比肉豆蔻酸丁二酯小，說(shuō)明月桂酸丁二酯的抗磨性能要比肉豆蔻酸丁二酯的好.

圖3 85℃下588N月桂酸丁二酯與肉豆蔻酸丁二酯的摩擦系數(shù)變化Fig.3 The friction coefficient of the lauric acid butanediol ester and the myristic acid butanediol ester with time at 588Nunder 85℃

3 結(jié)論

1）隨著脂肪酸碳鏈的增加，脂肪酸丁二酯和脂肪酸甘油三酯的PB值都有顯著的提高，在85℃下脂肪酸丁二酯的承載能力要比脂肪酸甘油三酯的承載能力好.

2）在低載荷（196～294N）下，隨著脂肪酸碳鏈的增加，脂肪酸甘油三酯的摩擦系數(shù)和磨斑直徑均呈下降的趨勢(shì).而且長(zhǎng)碳鏈的脂肪酸甘油三酯要比中等碳鏈長(zhǎng)的脂肪酸甘油三酯摩擦系數(shù)變化穩(wěn)定.

3）在中載荷（392～490N）下，脂肪酸甘油三酯要比脂肪酸丁二酯容易發(fā)生卡咬，長(zhǎng)碳鏈的脂肪酸甘油三酯要比中等碳鏈長(zhǎng)的脂肪酸甘油三酯在摩擦過(guò)程中更易發(fā)生卡咬.

4）在高載荷（588N）下，脂肪酸丁二酯的摩擦性能要好于脂肪酸甘油三酯，其中肉豆蔻酸丁二酯具有良好的抗磨減摩作用.

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