氨基甲酸鉬復(fù)合石墨烯對(duì)內(nèi)燃機(jī)油抗磨性的研究

陳 思，魯子善，王 瑜，宋應(yīng)金*，王茜昆，龐欣雨

（1.哈爾濱商業(yè)大學(xué)，黑龍江 哈爾濱150076；2.哈爾濱石油學(xué)院，黑龍江 哈爾濱150076；3.廣東以色列理工學(xué)院，廣東 汕頭515063）

引 言

有研究表明，潤(rùn)滑油經(jīng)常會(huì)進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸內(nèi)，并在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行過(guò)程中參與燃燒，因此，發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)潤(rùn)滑油的消耗會(huì)造成大量的顆粒污染物排放[1,2]。為了減少環(huán)境污染，所以對(duì)潤(rùn)滑油的品質(zhì)有了更高的要求。

有機(jī)鉬類(lèi)化合物的潤(rùn)滑性能良好，在近年來(lái)受到了潤(rùn)滑油脂添加劑行業(yè)的廣泛關(guān)注。含油溶性有機(jī)鉬的潤(rùn)滑油在內(nèi)燃機(jī)各機(jī)械部件運(yùn)動(dòng)中展現(xiàn)出了優(yōu)良的抗磨減磨作用，大幅提升了燃油的經(jīng)濟(jì)性，并對(duì)延長(zhǎng)發(fā)動(dòng)機(jī)工作壽命有幫助。其中，第三代有機(jī)鉬化合物二烷基二硫代氨基甲酸鉬（MoDTC）效果尤為顯著[3～5]。

苯三唑脂肪酸胺鹽類(lèi)化合物具有極好的防腐、防銹、油性抗氧及一定的抗磨性，將其添入天然礦物油和潤(rùn)滑油中，用作防銹劑、抗氧劑、金屬鈍化劑、減磨劑、防腐劑等，可取得很好的效果[6～8]。

在潤(rùn)滑性能方面，厚度薄、機(jī)械強(qiáng)度高、層間剪切力低且具有良好穩(wěn)定性的石墨烯材料，被廣泛用于解決摩擦極力研究等問(wèn)題中[9,10]。此次實(shí)驗(yàn)研究將二烷基二硫代氨基甲酸鉬（MoDTC）、苯三唑和石墨烯進(jìn)行復(fù)合，探究其對(duì)潤(rùn)滑油抗磨性能的影響。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備及試劑

設(shè)備：實(shí)驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)采用上柴SC7H250Q6，6 缸直列、高壓共軌、DOC+DPF+SCR+ASC，發(fā)動(dòng)機(jī)具體參數(shù)見(jiàn)表1；過(guò)濾設(shè)備、離心設(shè)備、超聲分散系統(tǒng)、攪拌加熱設(shè)備、四球極壓實(shí)驗(yàn)機(jī)、鋼球（材質(zhì)GCr15，直徑

12.77mm）、直讀鐵譜儀、原子發(fā)射光譜儀。

試劑：二烷基二硫代氨基甲酸鉬（MoDTC）、苯三唑衍生物、改性石墨烯、MVI500 基礎(chǔ)油、石油醚（90～120℃）、15W/50CH-4、5W/30CH-4（含三元復(fù)合劑）。

表1 發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)Table 1 The engine parameters

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

選取氨基甲酸鉬母液0.25%，0.5%，0.75%，1%，1.25%體積分?jǐn)?shù)；苯三唑母液0.05%，0.15%，0.25%，0.35%，0.45%體積分?jǐn)?shù)，根據(jù)GB/T 3142-1982《潤(rùn)滑劑承載能力的測(cè)定四球法》中規(guī)定的方法和技術(shù)要求進(jìn)行試驗(yàn)，探究抗磨單劑的抗磨效果；探究氨基甲酸鉬和氨基甲酸鉬與苯三唑的最佳配比，再選取最佳配比后與石墨烯進(jìn)行三元復(fù)合，探究其復(fù)合后的抗磨效果。并將上述三元復(fù)合抗磨劑加入到5W/30CH-4 柴油機(jī)油和15W/40CH-4 柴油機(jī)油中進(jìn)行臺(tái)架試驗(yàn)，研究復(fù)合抗磨劑對(duì)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)能效果的影響。

2 結(jié)果與討論

2.1 氨基甲酸鉬質(zhì)量分?jǐn)?shù)

選取氨基甲酸鉬0.25%，0.5%，0.75%，1%，1.25%質(zhì)量分?jǐn)?shù)并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試，氨基甲酸鉬單組分抗磨性如表2 所示。

表2 單組分氨基甲酸鉬抗磨效果Table 2 The anti-wear effect of molybdenum carbamate

12h 相容性實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，基礎(chǔ)油與添加劑表現(xiàn)出了良好的相容性。由表2 和圖1 可知，隨著氨基甲酸鉬質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，磨痕直徑逐漸減小，因氨基甲酸鉬市場(chǎng)價(jià)格較高，1.25%為極限添加量，繼續(xù)增加含量影響產(chǎn)品經(jīng)濟(jì)性，根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)綜合實(shí)際性和經(jīng)濟(jì)性判斷添加量為1.25%時(shí)效果較好。

圖1 單組分氨基甲酸鉬抗磨效果Fig.1 The anti-wear effect of molybdenum carbamate

2.2 苯三唑質(zhì)量分?jǐn)?shù)

選取苯三唑0.05%，0.15%，0.25%，0.35%，0.45%質(zhì)量分?jǐn)?shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，苯三唑單組分抗磨性如表3 所示。

表3 單組分苯三唑抗磨效果Table 3 The antiwear effect of benzotriazole

圖2 單組分苯三唑抗磨效果Fig.2 The antiwear effect of benzotriazole

經(jīng)過(guò)12h 相容性實(shí)驗(yàn)，基礎(chǔ)油與添加劑表現(xiàn)出良好的相容性。由表3 和圖2 可知，隨著苯三唑質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，磨痕直徑有所改變。

上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，隨著氨基甲酸鉬質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，磨痕直徑逐漸減?。浑S著苯三唑質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，磨痕直徑有所改變。說(shuō)明單組分氨基甲酸鉬有很好的抗磨效果，單組分苯三唑也具有一定抗磨效果。在此之上，選用不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的氨基甲酸鉬與苯三唑進(jìn)行復(fù)合，并探究其復(fù)合效應(yīng)，選取上述實(shí)驗(yàn)后得出效果最好的添加劑量進(jìn)行復(fù)合。根據(jù)GB/T3142-1982 潤(rùn)滑劑承載能力測(cè)定法進(jìn)行四球法實(shí)驗(yàn)，選取最佳配比。

2.3 氨基甲酸鉬與0.05%苯三唑進(jìn)行復(fù)合

因苯三唑市場(chǎng)價(jià)格較高，根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)綜合實(shí)際性和經(jīng)濟(jì)性判斷，選取添加量0.05%苯三唑。

表4 氨基甲酸鉬與0.05%苯三唑復(fù)合抗磨效果Table 4 The antiwear effect of molybdenum carbamate and 0.05% benzotriazole composite

圖3 氨基甲酸鉬與0.05%苯三唑復(fù)合抗磨效果Fig.3 The antiwear effect of molybdenum carbamate and 0.05%benzotriazole composite

12h 相容性實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，基礎(chǔ)油與添加劑表現(xiàn)出了良好的相容性。

由表4 和圖3 可知，0.05%苯三唑與氨基甲酸鉬復(fù)合，抗磨效果最好的是1.25%氨基甲酸鉬和0.05%苯三唑復(fù)合。且復(fù)合后鋼球磨痕直徑明顯小于單劑的磨痕直徑。

綜合上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果，復(fù)合抗磨劑的抗磨效果明顯要好于單劑的抗磨效果，且氨基甲酸鉬（MoDTC）與0.05%苯三唑復(fù)合的抗磨效果較優(yōu)。

2.4 石墨烯與1.25%氨基甲酸鉬（MoDTC）與0.05%苯三唑復(fù)合

石墨烯是世界上最薄、最堅(jiān)硬的納米材料，石墨烯具備固體潤(rùn)滑劑的一些基本屬性，并且具有較好的自潤(rùn)滑性。將二元復(fù)合效果最好的1.25%氨基甲酸鉬（MoDTC）與0.05%苯三唑和不同含量的石墨烯進(jìn)行三元復(fù)合，選取石墨烯0.025%，0.035%，0.045%，0.055%，0.065%進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，探究其抗磨效果，抗磨性見(jiàn)表5。

經(jīng)過(guò)12h 相容性實(shí)驗(yàn)，基礎(chǔ)油與添加劑表現(xiàn)出良好的相容性。

表5 1.25%氨基甲酸鉬（MoDTC）與0.05%苯三唑與石墨烯復(fù)合抗磨效果Table 5 The antiwear effect of 1.25% molybdenum carbamate（MoDTC）and 0.05% benzotriazole and graphene composite

圖4 1.25%氨基甲酸鉬（MoDTC）與0.05%苯三唑與石墨烯復(fù)合抗磨效果Fig.4 The antiwear effect of 1.25% molybdenum carbamate（MoDTC）and 0.05% benzotriazole and graphene composite

由表5 和圖4 可知，加入石墨烯之后，四球?qū)嶒?yàn)中鋼球的磨痕直徑改變并不明顯，暫無(wú)法證明加入石墨烯后的三元復(fù)合抗磨效果要明顯優(yōu)于未加入石墨烯二元復(fù)合的抗磨效果，需開(kāi)展進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)論證。

2.5 直讀鐵譜、元素光譜分析

采用上柴SC7H250Q6 發(fā)動(dòng)機(jī)分別對(duì)5W/30CH-4 柴油機(jī)潤(rùn)滑油（含二元復(fù)合劑），以下簡(jiǎn)稱柴油機(jī)油、5W/30CH-4 柴油機(jī)油（含三元復(fù)合劑）和15W/50CH-4（空白）柴油機(jī)油進(jìn)行13 工況程序運(yùn)行500h 的臺(tái)架實(shí)驗(yàn)評(píng)定對(duì)比；每100h 取一次在用潤(rùn)滑油，使用鐵譜儀及發(fā)射光譜儀對(duì)磨損顆粒的磨損量、形態(tài)、主要摩擦副材料的元素分布情況進(jìn)行測(cè)定，并對(duì)柴油機(jī)油消耗量進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。實(shí)驗(yàn)各項(xiàng)結(jié)果如以下圖表所示。

表6 5W/30CH-4 柴油機(jī)油（含二元復(fù)合劑）直讀鐵譜數(shù)據(jù)Table 6 The direct reading ferrographic data of 5W/30CH-4 diesel engine oil（including binary compounding agent）

表7 5W/30CH-4 柴油機(jī)油（含三元復(fù)合劑）直讀鐵譜數(shù)據(jù)Table 7 The direct reading ferrographic data of 5W/30CH-4 diesel engine oil（including ternary compounding agent）

表8 15W/50CH-4 柴油機(jī)油（空白）直讀鐵譜數(shù)據(jù)Table 8 The direct reading ferrographic data of 15W/50CH-4 diesel engine oil（control group）

圖5 5W/30CH-4 柴油機(jī)油（含二元或或三元復(fù)合劑）和15W/50CH-4 柴油機(jī)油（空白）直讀鐵譜數(shù)據(jù)圖Fig.5 The direct reading ferrograph data of 5W/30CH-4 diesel engine oil（including binary or ternary compounding agent）and 15W/50CH-4 diesel engine oil（control group）

由表6、表7、表8 和圖5 可知，在臺(tái)架實(shí)驗(yàn)中加入石墨烯后的三元復(fù)合抗磨效果被證明要明顯優(yōu)于未加入石墨烯二元復(fù)合的抗磨效果。

直讀鐵譜分析的結(jié)果顯示：運(yùn)行時(shí)間增加，總磨損水平正常穩(wěn)定增加；通過(guò)對(duì)比圖5 可得出5W/30CH-4 柴油機(jī)潤(rùn)滑油（以下簡(jiǎn)稱柴油機(jī)油，含三元復(fù)合劑）和15W/50CH-4 柴油機(jī)油（空白）的磨損水平相差較大。發(fā)射光譜元素分析結(jié)果顯示：臺(tái)架實(shí)驗(yàn)中各時(shí)段的樣品中金屬元素含量呈穩(wěn)定增加態(tài)勢(shì)，無(wú)異常磨損元素急劇增加的情況出現(xiàn)，摩擦副運(yùn)行狀態(tài)正常。通過(guò)對(duì)比表9 與圖6 可知，引入石墨烯后，金屬元素如Fe、Cu 等有所下降，表明石墨烯對(duì)降低磨損有明顯效果。通過(guò)對(duì)比圖8 和圖9 可得：5W/30CH-4 柴油機(jī)油（含三元復(fù)合劑）和15W/50CH-4 柴油機(jī)油（空白）在500h 臺(tái)架實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的在用潤(rùn)滑油中磨屑的金屬含量相近。結(jié)果證明實(shí)驗(yàn)成功達(dá)到了將柴油機(jī)油從15W/50 黏度等級(jí)降低至5W/30 的目的，且磨損水平幾乎不變；即相同磨損條件下，引入復(fù)合劑后，使低黏度等級(jí)柴油機(jī)油（5W/30） 成功替代高黏度等級(jí)柴油機(jī)油（15W/50）成為可能，從而實(shí)現(xiàn)節(jié)能目的。

表9 5W/30CH-4 柴油機(jī)油（含二元復(fù)合劑）光譜元素分析Table 9 The spectral element analysis of 5W/30CH-4 diesel engine oil（including binary compounding agent）

圖6 5W/30CH-4 柴油機(jī)油（含二元復(fù)合劑）光譜元素分析數(shù)據(jù)圖Fig.6 The diagram of spectral element analysis data of 5W/30CH-4 diesel engine oil（including binary compounding agent）

表10 5W/30CH-4 柴油機(jī)油（含三元復(fù)合劑）光譜元素分析Table 10 The spectral element analysis of 5W/30CH-4 diesel engine oil（including ternary compounding agent）

圖8 5W/30CH-4 柴油機(jī)油（含三元復(fù)合劑）光譜元素分析數(shù)據(jù)圖Fig.8 The diagram of spectral element analysis data of 5W/30CH-4 diesel engine oil（including ternary compounding agent）

表11 15W/50CH-4 柴油機(jī)油（空白）光譜元素分析Table 11 The spectral element analysis of 15W/50CH-4 diesel engine oil（control group）

圖9 15W/50CH-4 柴油機(jī)油（空白）光譜元素分析數(shù)據(jù)圖Fig.9 The diagram of spectral element analysis data of 15W/50CH-4 diesel engine oil（control group）

2.6 加入復(fù)合抗磨劑成品油與未加入復(fù)合抗磨劑成品油比較

向5W/30CH-4 柴油機(jī)油中加入1.25%氨基甲酸鉬（MoDTC），0.05%苯三唑與0.045%石墨烯復(fù)合抗磨劑；15W/50CH-4 柴油機(jī)油中不添加復(fù)合抗磨劑進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)；典型數(shù)據(jù)結(jié)果如表12 所示。

由表12 可得出，鋼球在加入了復(fù)合抗磨劑的5W/30CH-4 柴油機(jī)油中其磨痕直徑略小于在未加復(fù)合抗磨劑的15W/40CH-4 柴油機(jī)油中的磨痕直徑。

表12 5W/30CH-4 柴油機(jī)油（含復(fù)合劑）和15W/50CH-4 柴油機(jī)油（空白）的比較Table 12 The comparison between the 5W/30CH-4 diesel engine oil（including compounding agent）and 15W/50CH-4 diesel engine oil（control group）

在成品油中含有清凈分散劑，例如：烷基水楊酸鹽類(lèi)、磺酸鹽類(lèi)和聚異丁烯丁二酰胺等。它們會(huì)與抗磨劑產(chǎn)生“競(jìng)爭(zhēng)吸附”即所謂添加劑之間的“對(duì)抗效應(yīng)”，使成品油（含三元復(fù)合劑）較比與基礎(chǔ)油（含三元復(fù)合劑）的抗磨性略微有所下降，但仍然優(yōu)于空白試樣。

2.7 油耗測(cè)試

表13 5W/30CH-4（含三元復(fù)合劑）柴油機(jī)油和15W/50CH-4（空白）柴油機(jī)油油耗對(duì)比Table 13 The fuel consumption comparison between the 5W/30CH-4 diesel engine oil（including ternary compounding agent）and 15W/50CH-4 diesel engine oil（control group）

由表13 可知，5W/30CH-4 柴油機(jī)油（含三元復(fù)合劑）相比于15W/50CH-4 柴油機(jī)油（空白）消耗的油量更少，節(jié)油率為3.61%。

3 結(jié) 論

（1）二元復(fù)合的抗磨劑的抗磨效果要好于單劑的抗磨效果，抗磨效果較好的是1.25%氨基甲酸鉬和0.05%苯三唑復(fù)合。

（2）通過(guò)直讀鐵譜與光譜分析結(jié)果可表明，加入石墨烯后的三元復(fù)合劑抗磨效果優(yōu)于二元復(fù)合劑抗磨效果。

（3）5W/30CH-4 柴油機(jī)油（含三元復(fù)合劑）的抗磨效果優(yōu)于15W/50CH-4 柴油機(jī)油（空白）的抗磨效果，降低黏度等級(jí)成為可能，引入三元復(fù)合劑并降低黏度等級(jí)后節(jié)油率可達(dá)3.61%，可有效節(jié)能降耗。

本文通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明加入了三元復(fù)合劑的5W/30CH-4 柴油機(jī)油的抗磨效果好于15W/50CH-4 柴油機(jī)油。柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的摩擦功的消耗主要在于潤(rùn)滑油的內(nèi)摩擦，15W/50CH-4 柴油機(jī)油相比較于5W/30CH-4 柴油機(jī)油，前者黏度大、油膜厚；油膜越厚、黏度越大，燃料的消耗量也就越大。所以使用加入了三元復(fù)合劑的5W/30CH-4 柴油機(jī)油可以降低柴油機(jī)黏度，使油膜變薄，減小柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的磨損，減少柴油機(jī)的油耗。三元復(fù)合抗磨劑可從節(jié)省油耗方面達(dá)到節(jié)能減排、保護(hù)環(huán)境的目的，建議該三元復(fù)合劑作為柴油機(jī)潤(rùn)滑油補(bǔ)加劑的一種新產(chǎn)品，推廣使用。