層狀二硅酸鈉作為潤滑脂添加劑的摩擦學性能

張 哲，陳國需，李華峰，陳 力，李 進，夏 迪

（后勤工程學院 油料應用與管理工程系，重慶 401311）

石墨、二硫化鉬等之所以具有良好的潤滑性，是由于其層狀晶體結構具有在外力作用下易剪切滑動的性質。層狀二硅酸鈉是具有與二硫化鉬結構類似的晶體，其網(wǎng)格由單層的硅－氧四面體組成，金屬離子處于層間，作為層間柱撐物；單個片層的厚度大約為1nm，橫向尺寸在30nm到幾個微米之間［1］。層狀二硅酸鈉具有良好的離子交換與吸附特性，能夠作為離子交換劑、吸附劑使用；利用其強的離子交換能力，制備了環(huán)保型的無磷洗滌助劑，也能夠作為合成新型多孔材料的前驅體，是一類重要的功能材料［2－6］。目前，層狀二硅酸鈉作為一種潤滑添加劑的研究集中在潤滑油方面，作為潤滑脂添加劑的研究并不多。筆者在前人研究的基礎上，考察了微米級的層狀二硅酸鈉作為添加劑制備的鋰基潤滑脂的摩擦學性能。

1 實驗部分

1.1 試劑及原料

層狀二硅酸鈉（LSD），實驗室球磨自制。油酸、硬脂酸、Span60，均為化學純。石油醚（沸程90～120℃），分析純。十二羥基硬脂酸鋰；液體石蠟；500SN基礎油。

1.2 層狀二硅酸鈉的改性

參考課題組前期的準備［6－9］，設計了層狀二硅酸鈉（LSD）改性的正交實驗。3因素3水平的L9（34）的正交設計表如表1所示，實驗結果列于表2。由此得到改性LSD最優(yōu)方案A1B1C1，即以油酸為改性劑，LSD與油酸的質量比為1/0.5，采用球磨方式進行改性。

表1 層狀二硅酸鈉（LSD）改性的L9（34）正交設計表Table 1 The L9（34）orthogonal design for modification of LSD

表2 LSD改性正交實驗結果和直觀分析Table 2 Orthogonal test results and analysis for modification of LSD

對LSD和改性LSD粉體進行FT-IR和XRD表征，并采用中科院東方集成Microtrac公司激光粒度儀測定其粒徑分布。將LSD粉體以質量分數(shù)0.5%加入液體石蠟中，在恒溫80℃水浴超聲振蕩30min，觀察30d中的分散情況，檢驗其在油性介質中的分散穩(wěn)定性。

1.3 潤滑脂樣品的制備

以十二羥基硬脂酸鋰為預制皂，采用分散法制備潤滑脂?；A油為500SN基礎油，皂分含量按照9%（質量分數(shù)）計算。

將2/3基礎油加入煉制釜內攪拌升溫，加入預制皂，繼續(xù)攪拌升溫，直至預制皂和基礎油完全熔化，此時溫度大致為200℃。高溫膨化5～10min。待釜內物料呈真溶液狀態(tài)時，加入剩余的冷油，使其與皂混合物形成稠化劑晶核，保持溫度在170℃繼續(xù)攪拌5min。將得到的基礎脂迅速分為5份，在溫度降至120℃時，加入計量好的LSD，攪拌均勻。待冷卻至室溫后，在三輥磨研磨6遍，得到基礎脂及LSD質量分數(shù)分別為0.5%、1%、2%、3%的潤滑脂樣品。采用相同的步驟得到添加改性LSD的潤滑脂。

1.4 摩擦磨損試驗

采用濟南宏試金試驗儀器有限公司 MMW-1P雙顯示立式萬能摩擦磨損試驗機考察潤滑脂的摩擦學性能。點接觸方式，標準鋼球由石油化工科學研究院提供，材質為GCr15，尺寸12.7000mm。

采用SH/T0204方法，在轉速（1200±50）r/min、溫度（75±2）℃、時間（60±1）min、負荷（392±2）N的條件下測定潤滑脂抗磨性能。采用GB/T3142潤滑劑承載能力測定法，在轉速（1450±50）r/min、室溫、時間10s的條件下測定潤滑脂的極壓性能。

2 結果與討論

2.1 層狀二硅酸鈉（LSD）和改性LSD的性質

2.1.1 在油中的分散穩(wěn)定性

將一定量的LSD和改性LSD分散在液體石蠟中，使其質量分數(shù)為0.5%，考察30d內二者在液體石蠟中的分散情況，圖1為該兩體系的分層體積隨時間的變化。分層體積代表下層的體積數(shù)，總體積為10mL。從圖1可以看出，含LSD粉體液體石蠟在10d時間內逐漸分層，分層快且明顯，10d后LSD沉淀體積約在0.2mL；含改性LSD粉體液體石蠟分層不明顯，分層體積少且保持穩(wěn)定，粉體與液體石蠟仍然保持均相。說明改性LSD親油性增加，能在油性介質中長時間穩(wěn)定存在。

將LSD和改性LSD粉體分別分散在液體石蠟中，經過24h，在顯微鏡下觀察二者在液體石蠟中的分散情況，結果示于圖2。由圖2可以看出，在24h后LSD在液體石蠟中產生團聚，分散效果差；改性LSD仍然能較好地分散在液體石蠟中，保持了整體的均一性。

圖1 層狀二硅酸鈉（LSD）和改性LSD粉體在液體石蠟的分層體積隨時間的變化Fig.1 The change of stratified volume of paraffin LSD and modified LSD powders in liquid over time

圖2 LSD和改性LSD粉體分散在液體石蠟中的光學照片F(xiàn)ig.2Optical pictures of LSD and modified LSD powders dispersed in liquid paraffin

2.1.2 改性LSD的分子結構特征

圖3為油酸和由其改性的LSD的FT-IR譜。從圖3可以看出，在3474.5cm－1處出現(xiàn)了—OH的伸縮振動，2923.7、2853.4cm－1處的強吸收分別對應于—CH2—和—CH3的C—H伸縮振動，表明LSD粉體表面存在長鏈結構；1560.7cm－1處的強吸收對應于羧酸鹽離子的反對稱伸縮振動，屬于羧酸鹽的特征吸收；位于1462.3、1445.4cm－1處的吸收是羧酸鹽的對稱伸縮振動；1052cm－1處的強吸收是長鏈酸酯的對稱伸縮振動，表明油酸與硅酸鹽表面的羥基發(fā)生了作用。這些特征吸收峰的出現(xiàn)證明油酸以化學鍵合作用吸附于硅酸鹽粉體表面。

圖3 油酸（OA）和由其改性的LSD的FT-IR譜Fig.3 FT-IR spectra of oil acid（OA）and the LSD modified by OA

2.1.3 LSD和改性LSD的晶態(tài)

圖4為LSD和改性LSD樣品的XRD譜。由圖4可以看出，LSD和改性LSD所出現(xiàn)的衍射峰相互對應，說明改性前后，LSD粉體的晶態(tài)沒有發(fā)生變化，屬于同一晶系，改性沒有破壞晶體結構。

圖4 LSD和改性LSD的XRD譜Fig.4 XRD patterns of LSD and modified LSD samples

2.1.4 改性LSD的粒度

圖5為改性LSD粉體的粒徑分布。實線代表累積分布，直方柱為各個粒徑所占比例。從圖5可見，改性LSD粉體的粒度分布比較均勻，基本保持在一個穩(wěn)定的數(shù)值附近，大約占總體的70%，其余顆粒占30%，分布范圍為1～10μm，其中位直徑D50＝3.74μm，符合作為潤滑添加劑的粒度要求［10］。

圖5 改性LSD粉體的粒徑分布Fig.5 Particle size distribution of modified LSD powder

2.2 層狀二硅酸鈉（LSD）粉體的加入對潤滑脂性質的影響

2.2.1 對理化指標的影響

加有LSD的潤滑脂的理化指標列于表3。從表3可以看出，LSD粉體的加入對潤滑脂基本理化指標錐入度和滴點均沒有產生明顯的影響。

表3 LSD粉體的加入對潤滑脂理化指標的影響Table 3 The effects of LSD powder on physicochemical indexes of grease

2.2.2 對抗磨減摩和極壓性能的影響

圖6為添加不同質量分數(shù)LSD的潤滑脂的平均摩擦系數(shù)。從圖6可以看出，隨著LSD添加量的增加，潤滑脂的摩擦系數(shù)先減小后增大，且添加LSD的潤滑脂的摩擦系數(shù)均小于基礎脂。在LSD添加量（質量分數(shù)，下同）為1%時，摩擦系數(shù)達到最小，與基礎脂比較，摩擦系數(shù)降低了21.9%，說明LSD能有效改善基礎脂的減摩性能。

圖6 添加不同量LSD粉體的潤滑脂的平均摩擦系數(shù)Fig.6 The average friction coefficient of the grease with different additions of LSD powder

圖7 不同LSD添加量的潤滑脂的鋼球磨斑直徑（WSD）Fig.7 WSD of the grease with different additions of LSD powder

圖7為不同LSD添加量的潤滑脂摩擦磨損試驗鋼球的磨斑直徑（WSD）。從圖7可以看出，隨著LSD添加量的增大，WSD先減小后增大，隨后又減小。在LSD添加量為0.5%時 WSD達到最小值0.60mm，相比基礎脂，其 WSD降低了24.1%。同時可以看出，添加LSD的潤滑脂的WSD均大幅小于基礎脂的WSD，說明LSD的加入，對改善鋰基潤滑脂的抗磨性效果顯著。

圖8為不同LSD添加量的潤滑脂摩擦磨損試驗鋼球表面形貌100倍的光學照片。從圖8也可以看出，添加LSD的潤滑脂的摩擦磨損試驗后鋼球的WSD均小于基礎脂的WSD，但磨斑大部分不圓整，只有LSD添加量為1%的潤滑脂所得鋼球表面的磨損情況好于其他樣品。

圖8 不同LSD添加量的潤滑脂的鋼球表面磨斑形貌Fig.8 The morphologies of the wear scar for the grease with different additions of LSD powder

圖9 不同LSD添加量的潤滑脂的極壓性能Fig.9 The extreme pressure properties of the grease with different additions of LSD powder

圖9示出了潤滑脂的PB和PD值隨其LSD添加量的變化。可以看出，隨著LSD添加量的增加，潤滑脂的PB值逐漸增大，較之基礎脂，LSD添加量為3%的潤滑脂的PB值提高了118.5%，但PD值沒有變化。說明LSD能夠顯著提高潤滑脂的油膜承載能力，但對提高抗燒結能力無效果。在點接觸的摩擦學環(huán)境下，潤滑脂中的LSD粉體剝離、分解，對摩擦表面產生了機械拋光作用，使接觸界面變得更加光滑。這一方面提高了摩擦副的接觸面積，提高了油膜承載能力；另一方面增大了摩擦副兩表面之間的吸引力，從而提高了兩表面發(fā)生黏著的頻率，潤滑脂的抗燒結能力得不到改善。另外，由于標準中抗燒結負荷每一級的負荷相差較大，在LSD添加量提高不顯著的情況下，其微小的作用會被掩蓋，這也是抗燒結負荷沒有提高的可能原因之一。

2.2.3 在提高潤滑脂摩擦學性能方面與改性LSD粉體的比較

將改性LSD以最佳添加量為1%加入基礎脂中，考察其和LSD粉體對提高潤滑脂摩擦學性能上的區(qū)別，結果列于表4。從表4可以看出，與添加質量分數(shù)1%LSD的潤滑脂相比，添加改性LSD的潤滑脂的摩擦學性能較優(yōu)，摩擦系數(shù)和磨斑直徑降低，PB提高，PD沒有變化。表明添加改性LSD粉體可進一步提高潤滑脂的摩擦學性能，對改善摩擦學環(huán)境具有積極作用。LSD粉體經改性后，表面能降低，有效防止了顆粒之間的團聚，使粉體發(fā)揮了自身的小尺寸效應，加之表面覆蓋的油酸改性劑，在一定的條件下發(fā)揮了油性劑的作用，和LSD協(xié)同改善了潤滑脂的磨擦學性能。

表4 在提高潤滑脂摩擦學性能方面LSD與改性LSD粉體的比較Table 4 The comparison of LSD and modified LSD for enhancing tribological properties of grease

2.3 添加改性LSD的潤滑脂在不同載荷下的摩擦學性質

分別測定添加不同量改性LSD的潤滑脂在低載荷（196N）和高載荷（588N）下的摩擦系數(shù)和鋼球磨斑直徑，轉速保持（1200±50）r/min，溫度（75±2）℃，時間60min，結果如圖10、11所示。從圖10、11可以看出，除在載荷196N下添加改性LSD粉體的潤滑脂的摩擦系數(shù)高于基礎脂外，在載荷392N和588N下的摩擦系數(shù)均低于同負荷下的基礎脂；磨斑直徑的變化趨勢與摩擦系數(shù)相似，在低負荷下效果不太理想，但在負荷392N和588N下，不同添加量下均明顯低于基礎脂。說明層狀二硅酸鈉在中高負荷下能更有效的改善基礎脂的摩擦學性能。綜合對比可以看出，改性LSD的添加量為1%的潤滑脂有相對優(yōu)異的摩擦學性能。

圖10 添加不同量改性LSD的潤滑脂在不同載荷下的摩擦系數(shù)Fig.10 The friction coefficient of the grease with different additions of modified LSD under different loads

圖11 添加不同量改性LSD的潤滑脂在不同載荷下的鋼球磨斑直徑（WSD）Fig.11 WSD of the tested ball for the grease with different additions of modified LSD powder under the different loads

2.4 LSD的抗磨減摩機理

圖12為添加質量分數(shù)1%改性LSD的潤滑脂摩擦磨損后鋼球表面的EDX元素分析結果。從圖12可以看出，在鋼球表面檢測出了LSD的特征元素Na和Si。結合LSD本身的結構特性，可以看出，添加LSD的潤滑脂之所以具有好的摩擦學性能，是因為LSD的層狀晶體結構使其在受到剪切力的作用下易于滑動，變摩擦副之間的運動為晶層之間的滑移，降低了潤滑脂的摩擦系數(shù)。同時，在點接觸的環(huán)境下，接觸應力高，摩擦產生的能量可能使LSD分解，產生了SiO2和活性O原子，后者和摩擦副的Fe元素反應生成Fe的氧化物等也使摩擦系數(shù)降低，并使表面變得更加光滑，接觸面積增大，提高了油膜承載力。

圖12 添加質量分數(shù)1%改性LSD的潤滑脂摩擦磨損實驗鋼球磨斑表面的EDX譜和元素含量Fig.12 EDX spectrum and the element contents of steel ball friction surface after four-ball test of the grease with mass fraction of 1%LSD powder added

3 結 論

以油酸為改性劑，在層狀二硅酸鈉與油酸質量比為1/0.5時，球磨改性得到的改性層狀二硅酸鈉LSD是一種性能優(yōu)異的鋰基潤滑脂添加劑。以LSD質量分數(shù)為1%加入鋰基脂中，能顯著降低鋰基潤滑脂的摩擦系數(shù)、鋼球磨斑直徑和提高PB值，在中、高負荷下改善鋰基潤滑脂的摩擦學性能。

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