新型水基添加劑的制備及摩擦學(xué)性能研究

李元寶 , 紀(jì)興華

(1.萊蕪職業(yè)技術(shù)學(xué)院 , 山東 濟(jì)南 271100 ; 2.西安理工大學(xué) , 陜西 西安 710048)

自 20世紀(jì)90年代初以來,水基潤滑劑已廣泛應(yīng)用于機(jī)械加工、金屬切削、機(jī)械傳動和生物潤滑等領(lǐng)域。水基潤滑劑代替油基潤滑劑已成為摩擦學(xué)的一個重要研究方向。WANG等[1]使用聚(4-苯乙烯磺酸鈉)作為液壓油中的水基潤滑劑添加劑。KLEIN等[2]應(yīng)用水基潤滑劑進(jìn)行關(guān)節(jié)潤滑。然而,水基潤滑劑的潤滑性能比油低,因?yàn)槠浔砻鎻埩Φ?黏度差。即使在低速下也難以形成有效的潤滑膜,并且通常伴隨著對摩擦表面的強(qiáng)烈腐蝕。為了使水基潤滑劑滿足工業(yè)應(yīng)用的需要,研究人員研究了添加各種功能性水溶性潤滑添加劑以改善其摩擦學(xué)性能。近年來,水基潤滑劑添加劑的制備越來越受到關(guān)注。然而,這些添加劑的使用通常伴隨著復(fù)雜的制劑和對環(huán)境的一些污染。

離子液體作為新的潤滑材料引起了許多科研人員的關(guān)注。OTERO等[3]研究了季磷離子液體作為潤滑劑或潤滑劑添加劑在鋼/鋼摩擦副上的應(yīng)用,發(fā)現(xiàn)[P4,4,4,2][C2C2PO4]是一種良好的減摩抗磨添加劑。GUSAIN等[4-5]研究潤滑添加劑的摩擦學(xué)性能的結(jié)構(gòu),對其相關(guān)性質(zhì)和環(huán)境友好性進(jìn)行了研究。

在上述研究的基礎(chǔ)上,可以得出結(jié)論,離子液體(ILs)具有良好的潤滑性能,無論它們是用作潤滑劑,還是用作潤滑油的潤滑添加劑,都被證明是水基潤滑的有效添加劑。在此,本研究通過簡單的酸堿中和反應(yīng)合成了一種新的水溶性潤滑添加劑。陰離子源為亮氨酸,陽離子源為四丁基氫氧化磷,制備步驟簡單且具有優(yōu)異的摩擦學(xué)性能。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)材料及合成方法

四丁基氫氧化磷,TCI,40%水溶液,東京仁成工業(yè)株式會社;亮氨酸,J&K,98%,北京百靈威科技有限公司。合成離子液體的溶劑如乙腈和甲醇均為分析純。氨基酸離子液體添加劑均按文獻(xiàn)報道方法合成[6-8]。

1.2 結(jié)構(gòu)及性質(zhì)表征

使用核磁共振波譜(Agilent 400Mz,1H NMR:400 MHz,13C NMR:100 MHz)鑒定了所合成離子液體的結(jié)構(gòu);利用上海陽德石油儀器制造有限公司生產(chǎn)的SYP1003-Ⅲ黏度計測定25 ℃下氨基酸離子液體水基添加劑和水的運(yùn)動黏度。

1.3 摩擦學(xué)性能表征

利用德國Optimol公司生產(chǎn)的SRV-Ⅴ微振動摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)對其減摩抗磨性能進(jìn)行評價,并與純水進(jìn)行對比。其中,SRV-Ⅳ微振動摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)的摩擦副接觸方式為球-盤點(diǎn)接觸。測試條件:溫度25 ℃,環(huán)境相對濕度20%～55%,頻率25 Hz,振幅1 mm,實(shí)驗(yàn)時間30 min。實(shí)驗(yàn)上試樣為直徑10 mm的GCr15鋼球;下試樣為直徑24 mm、厚度7.9 mm,硬度59～61 HRC的GCr15軸承鋼塊,實(shí)驗(yàn)載荷為100 N,下試樣的磨損體積由BRUKER-NPFLEX三維光學(xué)輪廓儀測得。采用掃描電子顯微鏡(SEM)(FEI Quanta 250)分析了磨斑的表面形貌,能量色散X射線光譜儀(EDX)測定了氨基酸離子液體潤滑劑在摩擦副上磨斑表面元素的含量。

2 結(jié)果與討論

2.1 結(jié)構(gòu)表征

亮氨酸季磷鹽離子液體潤滑劑添加劑的核磁共振譜圖數(shù)據(jù)如下:1H NMR (400 MHz,CDCl3)δ(ppm) 3.38～3.26(m,1H),3.24～3.18(m,8H),1.73～1.61(m,8H),1.56～1.43(m,2H),1.41～1.32(m,9H),1.05～0.87(m,18H),13C NMR(100MHz,CDCl3)δ(ppm)183.64、58.05、54.46、43.90、24.33、23.06、21.31、19.08、12.79。

核磁數(shù)據(jù)結(jié)果證明,所合成的氨基酸離子液體潤滑劑添加劑的結(jié)構(gòu)正確,純度約96%。

2.2 物理化學(xué)性質(zhì)

表2給出了氨基酸離子液體潤滑劑添加劑以及純水的運(yùn)動黏度。

表1 25 ℃氨基酸離子液的動力黏度

從表2數(shù)據(jù)可以看出,隨著添加劑濃度的增加,其運(yùn)動黏度也隨之增加。

2.3 摩擦磨損性能

作為鋼/鋼摩擦副的潤滑劑,圖1給出了室溫條件下水和氨基酸離子液體潤滑添加劑的摩擦系數(shù)隨質(zhì)量濃度的變化曲線。

圖1 摩擦系數(shù)隨濃度變化曲線

由圖1可知,水的摩擦系數(shù)約在0.3,但是隨著氨基酸離子液體潤滑添加劑質(zhì)量濃度的增加,摩擦系數(shù)較小并且保持比較平穩(wěn)的趨勢,當(dāng)質(zhì)量濃度為2%時,摩擦系數(shù)基本穩(wěn)定在0.1左右。摩擦實(shí)驗(yàn)結(jié)束后下試樣的磨損體積(實(shí)驗(yàn)條件為頻率25 Hz,振幅1 mm,實(shí)驗(yàn)時間30 min,載荷100 N)如下:純水的磨損體積和其摩擦系數(shù)一致,高居不下,約1.8×10-3mm3,當(dāng)添加劑的質(zhì)量濃度為1%時,其磨損體積約0.9×103mm3,其磨損減少50%,當(dāng)添加劑的質(zhì)量濃度為2%時,其磨損體積約0.8×10-3mm3,其磨損減少56%。

25 ℃條件下經(jīng)純水、1%氨基酸季磷鹽和2%氨基酸季磷鹽潤滑鋼/鋼摩擦副后下試樣磨斑的表面輪廓照片和掃面電鏡照片見圖2。

a.純水 b.添加1%氨基酸季磷鹽 c.添加2%氨基酸季磷鹽

由圖2(室溫下,載荷100 N)可知,下試樣磨斑的表面輪廓照片和SEM形貌也進(jìn)一步證實(shí),隨質(zhì)量濃度的增加,氨基酸離子液體潤滑添加劑磨損體積明顯小于不含有N、P元素的純水,進(jìn)一步說明活性元素N、P的引入能夠顯著提高純水的抗磨性能。

圖3 經(jīng)水和氨基酸離子液體潤滑添加劑潤滑后的鋼/鋼摩擦副上磨斑表面的能譜圖

與純水空白對照點(diǎn),經(jīng)氨基酸離子液體潤滑劑添加劑潤滑后,磨斑上的氮元素和磷元素的含量都有一定程度的提高,這主要是因?yàn)殡x子液體中的活性元素和金屬表面發(fā)生摩擦化學(xué)反應(yīng)生成了金屬氧化物膜以及無機(jī)鹽,這也是其具有較好減摩抗磨性能的原因之一。經(jīng)季磷鹽離子液體潤滑劑添加劑潤滑后的磨斑表面,隨著其質(zhì)量濃度的增加,磷元素的含量都有一定程度的增加。而經(jīng)亮氨酸季磷鹽離子液體水基添加劑潤滑后的磨斑表面檢測到了N和P兩種活性元素,這就是亮氨酸季磷鹽離子液體水基添加劑在重載條件下具有優(yōu)異的摩擦學(xué)性能的主要原因。

3 結(jié)論

合成制備了亮氨酸季磷鹽離子液體潤滑劑添加劑。通過對其物理化學(xué)和摩擦學(xué)性質(zhì)的研究,可以得出一些結(jié)論:①即使?jié)舛葮O低(1%),亮氨酸季磷鹽離子液體水基添加劑也能顯著提高水的減摩和抗磨損性能。②隨著亮氨酸季磷鹽離子液體水基添加劑濃度的增加,其減摩和抗磨性能趨于穩(wěn)定值。③添加劑的優(yōu)異摩擦學(xué)性能歸功于亮氨酸季磷鹽離子液體水基添加劑在金屬表面形成物理吸附保護(hù)膜的能力,以及發(fā)生摩擦化學(xué)反應(yīng)生成金屬氧化物和無機(jī)鹽,能譜EDX的分析結(jié)果也證實(shí)了這一點(diǎn)。