碳鏈長度與羥基數(shù)目對醇潤滑性能的影響

陳琦 張仁輝 何忠義 熊麗萍

摘 要：為了探究醇類物質(zhì)在高載高速工況下的潤滑性能，尤其是碳鏈、羥基與潤滑性能的關(guān)系，開展了碳鏈長度、羥基數(shù)目對醇類物質(zhì)潤滑性能影響的研究。利用四球摩擦機(jī)調(diào)查一系列醇類物質(zhì)的摩擦學(xué)性能，結(jié)合黏度儀、透射電鏡和拉曼等檢測手段，探索碳鏈長度、羥基數(shù)目對潤滑性能的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，隨著碳鏈的增長磨合期變短、摩擦系數(shù)達(dá)到穩(wěn)態(tài)的時(shí)間變短、磨損率降低;隨著羥基數(shù)目的增多磨損率降低、無明顯磨合期和摩擦系數(shù)持續(xù)波動(dòng)（乙二醇）或持續(xù)降低（甘油）。摩擦誘導(dǎo)形成的石墨烯較無定形碳更能有效地促使摩擦體系達(dá)到穩(wěn)定的摩擦系數(shù)，縮短磨合期，研究結(jié)果可為醇類物質(zhì)在機(jī)械設(shè)備領(lǐng)域的應(yīng)用提供參考。

關(guān)鍵詞：摩擦學(xué);碳鏈; 羥基; 醇; 石墨烯; 無定形碳; 潤滑;減摩抗磨

中圖分類號：TH117.1?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號：1008-1542（2021）01-0001-07

隨著中國國民經(jīng)濟(jì)的持續(xù)增長和工業(yè)的快速發(fā)展，摩擦磨損被視為學(xué)科和工業(yè)領(lǐng)域的重要問題。中國工程院調(diào)研結(jié)果顯示，早在2006年中國因摩擦磨損而導(dǎo)致的損失高達(dá)9 500億元，而摩擦學(xué)的相關(guān)知識(shí)和研究成果至少可幫助節(jié)約3 270億元[1]。因此減小甚至消除摩擦磨損成為工業(yè)界和學(xué)術(shù)界亟待解決的問題，而潤滑劑是減少運(yùn)動(dòng)機(jī)械系統(tǒng)摩擦和磨損的有效物質(zhì)[2-3]。由于醇溶液具有綠色環(huán)保、長效潤滑和節(jié)能等特性，彌補(bǔ)了現(xiàn)階段潤滑劑不環(huán)保等劣勢，符合當(dāng)今摩擦學(xué)綠色環(huán)保的發(fā)展理念。自MONTGOMERY[4]和KAJDAS[5]報(bào)道醇在金屬滑動(dòng)界面優(yōu)異的減摩耐磨性能與摩擦化學(xué)反應(yīng)密切相關(guān)以來，基于經(jīng)摩擦化學(xué)反應(yīng)形成的易滑動(dòng)羥基層的減摩機(jī)制，針對醇類物質(zhì)在低載（1～3 N）下的潤滑性能的研究層出不窮。LI等[6-7]和LIU等[8]對多羥基醇及其混合溶液的潤滑性能進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)摩擦體系表現(xiàn)出超低摩擦系數(shù)（μ<0.01）;除此之外，HU等[9]、張文光等[10]和張招柱等[11]報(bào)道了在高載下醇類物質(zhì)同樣具有優(yōu)異的耐磨和承載性能;郭武明等[12]研究了100 N下DLC-CrN涂層自配副在甘油環(huán)境下具有優(yōu)異的耐磨性能。雖然醇類物質(zhì)在高低載下表現(xiàn)出優(yōu)異的摩擦磨損性能，但截止目前，鮮有涉及碳鏈長度和羥基數(shù)目與摩擦磨損性能關(guān)系的研究。

本文從碳鏈長度和羥基數(shù)目角度出發(fā)，探討了其在高載高速工況下對醇類物質(zhì)摩擦磨損性能的影響，重點(diǎn)探討了羥基數(shù)目與碳鏈長度與穩(wěn)態(tài)摩擦系數(shù)的關(guān)系，以及摩擦誘導(dǎo)形成的碳基潤滑物質(zhì)的微結(jié)構(gòu)與形貌、及其磨合期后碳基潤滑物質(zhì)在穩(wěn)定體系摩擦系數(shù)方面的重要作用，以期為醇類物質(zhì)在機(jī)械設(shè)備領(lǐng)域的應(yīng)用提供參考。

1?實(shí)驗(yàn)部分

1.1?材料及制備

甲醇、乙二醇、甘油、正丙醇、正己醇和正辛醇試劑，均為分析純，均購買于阿拉丁試劑網(wǎng)。直徑為10 mm YG8硬質(zhì)合金球作為摩擦副，表面粗糙度約為0.02 μm。YG8配副材料的主要物理性能見表1。YG8硬質(zhì)合金球化學(xué)組成為：

1.2?設(shè)備與方法

所有實(shí)驗(yàn)在四球摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)（MRS-1J）上進(jìn)行。測試時(shí)，上摩擦副的YG8硬質(zhì)合金球以特定的轉(zhuǎn)速持續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，下摩擦副的YG8硬質(zhì)合金球保持靜止。此外，醇溶劑以0.5 mL/min的恒定加速率補(bǔ)給至測試模具中，力學(xué)傳感器實(shí)時(shí)測量和記錄摩擦系數(shù)。實(shí)驗(yàn)載荷和轉(zhuǎn)速分別為98 N和1 450 r/min， 測試室溫為（25±5）℃， 在相同條件下重復(fù)3次實(shí)驗(yàn)，確保測試結(jié)果的準(zhǔn)確性。

拉曼光譜采用LabRam HR800 Jobin-Yvon光譜儀（激發(fā)波長為532 nm）測定，疊加次數(shù)為2，數(shù)據(jù)收集時(shí)間為30 s。黏度采用NDJ-8s黏度儀測定，測定溫度為25 ℃，測定次數(shù)設(shè)為3，取3次平均值作為近似黏度值。采用TF20透射電鏡對磨液中摩擦誘導(dǎo)形成的固態(tài)物質(zhì)的形貌進(jìn)行表征。

2?結(jié)果與討論

2.1?摩擦磨損性能

圖1為體系在甲醇、正丙醇、正己醇和正辛醇為潤滑劑時(shí)的摩擦系數(shù)。其中甲醇的摩擦系數(shù)曲線呈現(xiàn)完全不同的特征，在200～500 s出現(xiàn)明顯的峰值。這一現(xiàn)象在之前的研究[13]中也有發(fā)現(xiàn)。結(jié)果表明，經(jīng)摩擦誘導(dǎo)生成了碳基物質(zhì)石墨烯，并能有效提升和改善體系的摩擦磨損性能。在相同羥基數(shù)目（1個(gè)）下，當(dāng)碳原子數(shù)小于6時(shí)，摩擦系數(shù)隨著碳鏈長度的增長呈下降的趨勢;當(dāng)碳原子數(shù)大于6時(shí)，摩擦系數(shù)反向增大。除此之外，隨著碳原子數(shù)的增加，磨合期和達(dá)到穩(wěn)態(tài)摩擦系數(shù)的時(shí)間都呈縮短趨勢。4種潤滑體系的黏度值如圖2所示，黏度值隨著碳原子數(shù)和碳鏈長度的增加而增大。

圖3為體系在甲醇、乙二醇和甘油為潤滑劑下的摩擦系數(shù)。隨著羥基數(shù)目的增加（1-3個(gè)）， 摩擦系數(shù)先降低后增加。乙二醇為潤滑劑時(shí)，體系的摩擦系數(shù)一直處于波動(dòng)中;甘油為潤滑劑時(shí)，體系的摩擦系數(shù)隨著時(shí)間的增加而逐漸降低。圖4為甲醇、乙二醇和甘油的黏度值，隨著羥基數(shù)目的增加黏度不斷變大。

圖5分別為在4種不同碳鏈長度（見圖5 a））和3種不同羥基數(shù)目（見圖5 b））的醇溶液為潤滑劑時(shí)的平均摩擦系數(shù)。圖6 a）為在甲醇、正丙醇、正己醇和正辛醇為潤滑劑下YG8硬質(zhì)合金球的磨斑直徑，隨著碳原子數(shù)和碳鏈長度的增加，體系的耐磨性能增強(qiáng)，雖然磨斑直徑在正辛醇為潤滑劑下存在小范圍的反彈，但是磨斑直徑仍存在持續(xù)降低的趨勢，這一趨勢在圖5 a）中具有相同的體現(xiàn)。

圖6 b）為在甲醇、乙二醇和甘油為潤滑劑下YG8硬質(zhì)合金球的磨斑直徑，隨著羥基數(shù)目的增加，磨斑直徑不斷減小。

而圖5 b）中摩擦系數(shù)并沒有顯示出與磨斑直徑一致的趨勢，這是由于隨著羥基數(shù)目的增加黏度增大而導(dǎo)致的。

文獻(xiàn)[14—15]報(bào)道了黏度與體系的摩擦學(xué)性能密切相關(guān)，具有較高黏度的潤滑劑能有效提升摩擦體系的減摩耐磨性能。

結(jié)合圖1、圖4、圖5和圖6可知，當(dāng)碳原子數(shù)小于6時(shí)，單羥基醇潤滑下體系的摩擦系數(shù)和磨斑直徑都同步降低;當(dāng)碳原子數(shù)大于6時(shí)，摩擦系數(shù)和磨斑直徑有所增加，但仍然小于甲醇和正丙醇潤滑體系下的摩擦系數(shù)和磨斑直徑。當(dāng)碳原子數(shù)和羥基數(shù)不斷增加時(shí)，多羥基醇潤滑體系下的摩擦系數(shù)先降低后增加，磨斑直徑不斷降低。因此，黏度對體系耐磨性的提升敏感于摩擦系數(shù)。

2.2?磨液中摩擦誘導(dǎo)物質(zhì)的拉曼光譜表征

摩擦過程中在摩擦副界面形成液態(tài)潤滑膜和固態(tài)“轉(zhuǎn)移膜”是確保長效潤滑壽命的有效手段。

ERDEMIR等[15]報(bào)道PAO10潤滑油分子在MoNx-Cu催化下形成無定形碳，有效提升了摩擦體系的摩擦磨損性能。因此，對摩擦誘導(dǎo)形成的固體物質(zhì)進(jìn)行了拉曼光譜分析，如圖7和圖8所示。圖7為體系在甲醇（見圖7 a））、正丙醇（見圖7 b））、正己醇（見圖7 c））和正辛醇（見圖7 d））為潤滑劑下摩擦誘導(dǎo)固體物質(zhì)的拉曼光譜。圖7 a）顯示，峰位處于800～1 000 cm-1之間的物質(zhì)對應(yīng)于氧化鎢（WO2和WO3）[16]，這歸因于磨合期YG8硬質(zhì)合金球在摩擦過程中與氧反應(yīng)形成的產(chǎn)物，磨合期加大了YG8硬質(zhì)合金球的磨損;圖7 a）中處于1 384，1 573和2 925 cm-1的峰對應(yīng)于石墨烯的D，G和D+D′特征峰[17-18]。圖7 b）為無定形碳的拉曼特征峰[19-20]，這表明摩擦過程中在WC的催化和外力剪切作用下，正丙醇分子轉(zhuǎn)變?yōu)闊o定形碳。圖7 c）和圖7 d）中D（1 388，1 386 cm-1），G（1 596，1 597 cm-1），D+D′（2 922，2 924 cm-1）對應(yīng)于石墨烯的特征峰[20-21]。此外，圖7 d）中峰位處于393～412 cm-1對應(yīng)于WO2[16]。WO2的形成致使摩擦體系在正辛醇潤滑下的磨斑直徑略大于在正己醇潤滑下的磨斑直徑。圖8 a）和圖8 b）分別為乙二醇和甘油潤滑下摩擦誘導(dǎo)固體物質(zhì)的拉曼光譜。乙二醇和甘油分子在WC催化和外力剪切作用下分別轉(zhuǎn)變?yōu)闊o定形碳和石墨烯。結(jié)合摩擦磨損分析數(shù)據(jù)，無定形碳的形成雖然在一定程度上降低了磨損，但是難以達(dá)到穩(wěn)態(tài)摩擦系數(shù)。在磨合期后石墨烯使摩擦系數(shù)快速達(dá)到穩(wěn)態(tài)，這歸因于在滑動(dòng)過程中易于剪切的特性[17]。

2.3?磨液中摩擦誘導(dǎo)物質(zhì)的形貌

為了更好地研究摩擦誘導(dǎo)物質(zhì)對摩擦體系摩擦磨損性能的影響，采用透射電鏡對摩擦測試300 s后的磨液進(jìn)行表征。圖9為在甲醇（見圖9 a））、正丙醇（見圖9 b））、正己醇（見圖9 c））和正辛醇（見圖9 d））潤滑下摩擦誘導(dǎo)固體的透射電鏡圖。由于圖7 a）顯示摩擦誘導(dǎo)固體物質(zhì)中含有氧化鎢，因此圖9 a）中選區(qū)（“A”）電子衍射環(huán)無明顯六角點(diǎn)陣特征，但“A”區(qū)域存在明顯的片層結(jié)構(gòu)，分析認(rèn)為摩擦誘導(dǎo)物質(zhì)應(yīng)為類石墨烯，圖9 b）中選區(qū)（“B”）電子衍射顯示摩擦誘導(dǎo)物質(zhì)為無定形碳，圖9 c）中選區(qū)（“C”）電子衍射環(huán)顯示出比較完整的六角點(diǎn)陣，說明摩擦誘導(dǎo)物質(zhì)為石墨烯，圖9 d）中選區(qū)（“D”）電子衍射環(huán)同樣顯示比較完整的六角點(diǎn)陣，表明摩擦誘導(dǎo)物質(zhì)為石墨烯。

圖10為體系在乙二醇、甘油潤滑下摩擦誘導(dǎo)固體的透射電鏡圖。圖10 a）為在乙二醇潤滑下摩擦誘導(dǎo)固體的透射電鏡圖，選區(qū)電子衍射顯示摩擦誘導(dǎo)形成的籠狀物質(zhì)為無定形碳。說明在摩擦過程中乙二醇分子分解產(chǎn)生了大量氣泡，氣泡在摩擦剪切作用下瞬時(shí)聚合為無定形碳。圖10 b）為甘油潤滑下的摩擦誘導(dǎo)固體的透射電鏡圖，選區(qū)電子衍射環(huán)為完整的六角點(diǎn)陣，表明摩擦誘導(dǎo)的物質(zhì)為石墨烯。

3?結(jié)?語

1） 在載荷、轉(zhuǎn)速和具有催化能力的摩擦副材料相互耦合下，醇分子在摩擦過程中可以被誘導(dǎo)形成無定形碳、石墨烯等碳基潤滑物質(zhì)，而且其減摩耐磨性能與醇分子的碳原子數(shù)、碳鏈長度和羥基數(shù)目密切相關(guān)。當(dāng)羥基數(shù)和碳原子個(gè)數(shù)分別為1和6時(shí)，體系具有最優(yōu)的摩擦磨損性能;當(dāng)羥基數(shù)為3時(shí)，體系具有優(yōu)異的耐磨特性。

2） 黏度與體系摩擦磨損性能的關(guān)系主要表現(xiàn)是：黏度值較大時(shí)，YG8硬質(zhì)合金球磨斑直徑較小，說明較大的黏度可以降低體系的磨損。

3） 磨合期后，摩擦體系在單羥基醇潤滑下更易于獲得穩(wěn)定的摩擦系數(shù);摩擦誘導(dǎo)的石墨烯較無定形碳更能有效地促使體系達(dá)到穩(wěn)定摩擦系數(shù)。

4） 摩擦誘導(dǎo)石墨烯的形成機(jī)理有待進(jìn)一步研究，此外，醇分子的同分異構(gòu)體的摩擦學(xué)性能還有待探索。

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