蒙脫土在酯類合成基礎(chǔ)油中的摩擦學(xué)性能研究

晁先泉++朱仁發(fā)++黃飛++胡坤宏

摘要：以癸二酸二異辛酯（DOS）為基礎(chǔ)油，在高頻往復(fù)試驗(yàn)機(jī)上考察了蒙脫土K10、蒙脫土KSF與工業(yè)蒙脫土的潤滑性能。結(jié)果表明：三種蒙脫土不能降低DOS的摩擦系數(shù)，KSF與工業(yè)蒙脫土對(duì)DOS的抗磨損性能改善也不夠明顯，但質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.2%的蒙脫土K10在DOS中具有較好的抗磨性能，與純的DOS相比，可使鋼球磨斑直徑降低22%，磨損體積下降約63%；與KSF及工業(yè)蒙脫土相比，K10尺寸小，比表面積大，容易吸附在摩擦接觸表面，形成具有抗磨作用的摩擦膜。

關(guān)鍵詞：蒙脫土；酯類基礎(chǔ)油；潤滑性能；摩擦磨損

中圖分類號(hào)：TE624.82文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

0引言

一些固體納米微粒在潤滑油中能表現(xiàn)出優(yōu)異的減摩與抗磨性能，包括MS2（M=W與Mo）、金屬納米微粒與碳納米管等。但這些納米微粒往往制備成本高，從而限制其作為潤滑添加劑的應(yīng)用[1]。硅酸鹽礦物微粉具有類似于石墨的層狀結(jié)構(gòu)，在基礎(chǔ)油中也能表現(xiàn)出較好的潤滑性能[2-3]。蒙脫土是高黏土與膨潤土等層狀硅酸鹽礦的主要成分，它由兩層Si-O四面體和一層八面體組成，片層的厚度可達(dá)納米級(jí)，其層狀結(jié)構(gòu)和較大的比表面積，在摩擦潤滑的過程中能吸附金屬離子，對(duì)摩擦副的承載能力有所提高[4]。近年來，蒙脫土微粒在潤滑油中的潤滑性能越來越受到重視[5-8]。與礦物油相比，合成酯不但有較好的潤滑性能，還具有良好的生物降解性[9-11]，因此，合成酯在許多領(lǐng)域被用來替代礦物基礎(chǔ)油。本論文主要探討了三種不同結(jié)構(gòu)的蒙脫土微粒在合成酯癸二酸二異辛酯（DOS）中的摩擦學(xué)性能，并對(duì)相關(guān)摩擦機(jī)理進(jìn)行了表征與分析。

1實(shí)驗(yàn)

1.1實(shí)驗(yàn)材料和儀器設(shè)備

材料和試劑：蒙脫土K10（Al2O9Si3；比表面積240 m2/g，阿拉丁試劑）、蒙脫土KSF（Al2O9Si3；比表面積20～40 m2/g，阿拉丁試劑）、癸二酸二異辛酯（C26H50O4；DOS；阿拉丁試劑）、市售工業(yè)蒙脫土、丙酮。

儀器設(shè)備：濟(jì)南益華摩擦學(xué)測試技術(shù)有限公司生產(chǎn)的MGW-001型高頻往復(fù)試驗(yàn)機(jī)（HFRR；控溫精度為±1 ℃；球-盤摩擦副，材料為GCr15鋼，鋼球直徑6.0 mm，洛氏硬度HRC58～66，Ra<0.05 μm，圓盤直徑10 mm，厚度6 mm，維氏硬度為190～210 HV30，表面粗糙度Ra<0.02μm），詳見圖1；基恩士VK-X100形狀測量激光顯微鏡（LM）；日立SU8010掃描電鏡（SEM）；UV-6300PC紫外可見分光光度計(jì)。

1.2摩擦磨損試驗(yàn)

按質(zhì)量比為0.2%的比例稱取不同類型的蒙脫土粉末，添加到DOS中后在超聲波清洗器中超聲分散30 min，然后在HFRR上評(píng)價(jià)其摩擦性能，測試條件：滑動(dòng)速度為0.1 m/s（根據(jù)50 Hz的頻率和1000 μm的沖程計(jì)算）、測試溫度60 ℃、載荷7.84 N、摩擦?xí)r間75 min。對(duì)摩擦學(xué)性能的影響；然后選取K10為對(duì)象，研究了蒙脫土添加量（0%、0.1%、02%、0.4%與0.6%）、測試溫度（20 ℃、40 ℃、60 ℃與80 ℃）與載荷（3.92 N、5.88 N、7.84 N與98N）等對(duì)DOS摩擦學(xué)性能的影響。測試完畢后，利用LM、SEM與EDS對(duì)磨斑進(jìn)行表征。

2結(jié)果與討論

2.1原料表征與分散性測試

圖2（a）為蒙脫土K10的SEM圖像，可以看出蒙脫土K10為尺寸幾百納米到幾微米大小的層狀微粒堆積而成，這種結(jié)構(gòu)具有較大的比表面積（240 m2/g），片層的厚度在納米級(jí)。圖2（b）所示的蒙脫土KSF也為層狀結(jié)構(gòu)，但片層尺寸大，結(jié)構(gòu)較為致密，比表面積較?。?0～40 m2/g）。圖2（c）所示的工業(yè)蒙脫土與K10類似，具有典型的層片狀結(jié)構(gòu)，但片層尺寸要遠(yuǎn)大于K10。

以DOS為基礎(chǔ)油，分別配制質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.2%的三種蒙脫土樣品，超聲分散30 min，利用高速離心機(jī)，在3000 r/min轉(zhuǎn)速下離心2 min取上清液置于紫外-可見分光光度計(jì)中測定吸光度。觀察發(fā)現(xiàn)，超聲30 min之后K10可以完全分散，KSF和工業(yè)蒙脫土均有少量沉淀沒有分散。離心之后三種樣品還分散著少量添加劑。K10的分散穩(wěn)定性相對(duì)較好。分別配制質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.175%、0.15%的KSF和工業(yè)蒙脫土樣品，超聲分散30 min之后，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0175%的兩個(gè)樣品仍有微量沉淀，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為015%的KSF和工業(yè)蒙脫土樣品可以完全分散。見表1。

2.2摩擦學(xué)測試結(jié)果與分析

圖3為添加不同種類蒙脫土的DOS的摩擦學(xué)測試結(jié)果。該圖顯示：添加0.2%不同蒙脫土的DOS樣品和純DOS樣品的摩擦系數(shù)非常接近，表明蒙脫土在DOS中幾乎沒有減摩作用。添加0.2%蒙脫土KSF的DOS的平均磨斑直徑為380 μm，添加0.2%工業(yè)蒙脫土的DOS的平均磨斑直徑為387 μm，它們兩者比純DOS的磨斑直徑（397 μm）略微減小，表明這兩種蒙脫土在DOS中具有一定的抗磨損作用，但效果不明顯；添加蒙脫土K10的DOS潤滑時(shí)磨斑直徑為310 μm，與純的DOS相比，上球磨斑直徑減小了22%，利用磨斑直徑可以計(jì)算出DOS潤滑時(shí)的磨損體積（即被磨損掉的球缺體積）為406522 μm3，添加K10的DOS潤滑時(shí)151483 μm3，磨損體積下降約63%。

然后選擇K10為對(duì)象，進(jìn)一步研究了摩擦條件對(duì)蒙脫土在DOS中的摩擦學(xué)性能的影響，結(jié)果顯示見圖4～圖6。

圖4是不同K10添加量對(duì)DOS摩擦學(xué)性能的影響規(guī)律。圖4顯示，添加量對(duì)DOS的摩擦系數(shù)影響較小，當(dāng)K10添加量為0.2%時(shí)，DOS的摩擦系數(shù)（μ=0.1807）和平均磨斑直徑最小，但摩擦系數(shù)與純DOS（μ=0.1832）非常接近，表明蒙脫土在DOS中的減摩效果一般；平均磨斑直徑隨著K10添加量的增加先減小后增加，與純的DOS潤滑相比，添加0.2%的K10的磨斑直徑可以下降22%左右，表明蒙脫土K10起到了較好的抗磨作用。隨著K10含量的增加，摩擦系數(shù)略有升高，但可以忽略不計(jì)；同時(shí)平均磨斑直徑變化也不大。實(shí)驗(yàn)中觀察到，K10含量過高，即使超聲震蕩，也很難使K10全部分散在DOS中，不能分散的固體顆粒甚至還會(huì)干擾基礎(chǔ)油的潤滑作用，較為適宜的添加量為0.2%。

圖5顯示了測試溫度對(duì)添加0.2% K10的DOS的摩擦學(xué)性能的影響。數(shù)據(jù)顯示：40 ℃前的摩擦系數(shù)穩(wěn)定在0.17左右，沒有隨著溫度的升高呈現(xiàn)出明顯的變化，但40 ℃后，隨著溫度的升高摩擦系數(shù)出現(xiàn)明顯的上升趨勢；平均磨損直徑則隨著溫度的升高呈現(xiàn)逐漸上升的趨勢，表明低溫有利于蒙脫土K10改性DOS的摩擦學(xué)性能。

圖6顯示了測試載荷對(duì)含有蒙脫土K10的DOS的摩擦學(xué)性能的影響。結(jié)果表明隨著載荷的增加，平均摩擦系數(shù)略微減小，變化不大。平均磨斑直徑在7.84 N前基本沒有變化，穩(wěn)定在310 μm左右，表明載荷不高于7.84 N時(shí)，K10在DOS中的抗磨損性能能得到充分發(fā)揮，但載荷上升到9.80 N時(shí)，磨斑直徑明顯增加，表明過高的載荷不利于K10的抗磨損性能的發(fā)揮。

2.3磨斑表征

測試完成后，分別選擇添加0.2%的三種蒙脫土DOS潤滑后的磨斑進(jìn)行微觀表征，包括磨斑顯微圖、三維圖與輪廓曲線，結(jié)果顯示見圖7。圖7（a）顯示，工業(yè)蒙脫土改性DOS潤滑時(shí)，磨痕較深，材料表面出現(xiàn)了較為明顯的剝落，說明黏著和磨粒磨損均較劇烈；用KSF取代工業(yè)蒙脫土后，磨斑表面受破壞也較嚴(yán)重（圖7（b）），磨損量接近工業(yè)蒙脫土改性DOS潤滑時(shí)的磨損量。圖7（c）為含有0.2%K10的DOS的磨斑，三維圖像可以看出，磨斑表面較為平整，沒有出現(xiàn)剝落，與工業(yè)蒙脫土相比，磨損面積從1346 μm2降到960 μm2，降低約28.7%。這再次證實(shí)了K10可改善DOS的抗磨損性能。

表面元素EDS分析結(jié)果顯示在圖8。圖8表明，純的DOS潤滑時(shí)，磨斑表面主要元素為鐵、氧、碳、鉻，當(dāng)0.2% K10改性DOS時(shí)，摩擦表面出現(xiàn)了Si、Mg與Al等元素，它們均來自蒙脫土K10，表明K10改性DOS潤滑時(shí)，K10進(jìn)入到了摩擦接觸區(qū)域，參與了潤滑，并通過摩擦化學(xué)反應(yīng)形成含有Si、Al與Mg等元素組成的摩擦膜，從而磨損得到降低；當(dāng)用工業(yè)蒙脫土與KSF時(shí)，由于微粒尺寸大，很難進(jìn)入到摩擦接觸區(qū)域，因而對(duì)DOS的性能基本沒有影響。

3結(jié)論

（1）三種蒙脫土相比，尺寸更小的K10比蒙脫土KSF和工業(yè)蒙脫土擁有更加優(yōu)越的抗磨性能，但三種蒙脫土幾乎不影響DOS的摩擦系數(shù)。

（2）與純的DOS潤滑時(shí)相比，含0.2% K10的DOS潤滑時(shí)，磨斑直徑可減小22%。K10的潤滑功能主要原因在于小尺寸的K10微粒容易進(jìn)入摩擦接觸面，形成含有Si、Al與Mg的摩擦膜，從而抗磨能力增強(qiáng)。

（3）摩擦條件對(duì)K10在DOS中的抗磨性能有一定影響，K10添加量增加時(shí)，磨斑直徑先降低后增加，適宜的添加量在0.2%，但添加量對(duì)摩擦系數(shù)的影響較小；隨著溫度的升高，磨斑直徑與摩擦系數(shù)逐漸增大；載荷增加時(shí)，摩擦系數(shù)呈下降趨勢，但變化較小，磨斑直徑在7.84 N前變化較小，隨后明顯增加。

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