趙甘林

(長(zhǎng)沙環(huán)境保護(hù)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙　410004)

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硫、磷、氮極壓抗磨添加劑在可降解基礎(chǔ)油中的摩擦學(xué)特性研究

趙甘林

(長(zhǎng)沙環(huán)境保護(hù)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙410004)

【摘要】礦物基潤(rùn)滑劑存在著生物降解性差的弊端，它所造成的污染已經(jīng)引起人們的高度重視。本文以季戊四醇酯為可降解基礎(chǔ)油，分別以硫烯、T306、T406為添加劑，在四球摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)上實(shí)驗(yàn)了潤(rùn)滑劑的摩擦學(xué)特性，用掃描電鏡觀察了磨痕形貌。結(jié)果表明季戊四醇酯對(duì)硫烯的感受性比較好。在小劑量添加時(shí)，季戊四醇酯潤(rùn)滑性能好。

【關(guān)鍵詞】生物降解；季戊四醇酯；硫烯；T306；T406；摩擦

因潤(rùn)滑劑造成的環(huán)境污染問(wèn)題越來(lái)越受到人們的普遍關(guān)注。目前全世界使用的潤(rùn)滑劑，除一部分由機(jī)械正常消耗及部分回收再生利用和用作燃料外，其余都直接或間接地流入環(huán)境，嚴(yán)重污染著陸地、江河和湖泊，影響生態(tài)環(huán)境和生態(tài)平衡。可生物降解的潤(rùn)滑劑的研究就在這種情況下發(fā)展起來(lái)。

合成酯類油[1]是一種降解性能非常高的、理想的“綠色”基礎(chǔ)油[2]。季戊四醇酯(粘度指數(shù)<200時(shí))是一種性能優(yōu)良的綠色潤(rùn)滑劑基礎(chǔ)油[3]，具有較好的生物降解性能、熱穩(wěn)定性能和抗磨減磨性能，已在航空領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用[4-5]。脂肪酸季戊四醇酯的合成一般是在一定的質(zhì)子性有機(jī)溶劑中進(jìn)行的，產(chǎn)品需經(jīng)過(guò)蒸餾除溶劑后才能使用，能耗大、成本高，不適合現(xiàn)在環(huán)保、安全、低能耗、綠色化工的技術(shù)要求。因此由于其“表面的價(jià)格”原因而無(wú)法普及。添加劑中的極性官能團(tuán)起著提高承載能力的關(guān)鍵作用[6]，而目前常用的極壓抗磨添加劑主要是含硫、磷、氮的化合物。

目前，多數(shù)添加劑都是以礦物油為基礎(chǔ)油進(jìn)行研制的，市場(chǎng)上很少見(jiàn)到可生物降解潤(rùn)滑油的專用添加劑。這里以季戊四醇酯為基礎(chǔ)油，研究了含硫、磷、氮添加劑對(duì)季戊四醇酯的極壓抗磨特性的影響，并分析其作用機(jī)理。

1試驗(yàn)研究

1.1季戊四醇酯的理化性能

季戊四醇酯理化性能如表1。

含硫、磷、氮添加劑是實(shí)驗(yàn)室合成或購(gòu)買的工業(yè)品，其理化性能見(jiàn)表2。

1.2試驗(yàn)方法

使用SQ-3四球摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)，根據(jù)四球?qū)嶒?yàn)標(biāo)準(zhǔn)GB/T12583-90，測(cè)試項(xiàng)目如下表3。

表1　季戊四醇酯的理化性能

表2　添加劑的理化性能指標(biāo)

表3　四球摩擦磨損試驗(yàn)條件

2試驗(yàn)結(jié)果分析

試驗(yàn)結(jié)果如圖所示。圖1是磨斑直徑隨添加劑的添加量的變化曲線。由圖可以看出，當(dāng)無(wú)添加劑時(shí)，季戊四醇酯磨斑直徑為0.80mm，當(dāng)添加劑的添加量小于0.5%時(shí)，季戊四醇酯的磨斑直徑變化不大；當(dāng)添加的添加量大于1%時(shí)，季戊四醇酯的磨斑直徑變化較大?？偟脕?lái)講，添加劑T406對(duì)季戊四醇酯的磨斑直徑影響較大，其季戊四醇酯的抗磨性最好。而添加劑硫烯以及添加劑T306，隨著其添加劑量的繼續(xù)增大，磨斑直徑又有增大的趨勢(shì)，這可能與添加劑中活性成份對(duì)其腐蝕有一定地影響。

圖1　添加劑的加入量對(duì)磨斑直徑的影響

將三種添加劑分別以1%、2%、3%、4%、5% 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)加入季戊四醇酯基礎(chǔ)油中，分別測(cè)定油品的pB值，結(jié)果如圖2所示。

圖2　添加劑的加入量對(duì)最大無(wú)卡咬負(fù)荷的影響

由圖2最大無(wú)卡咬負(fù)荷隨添加劑添加量的變化曲線可看出，無(wú)添加劑時(shí)，季戊四醇酯的最大無(wú)卡咬負(fù)荷600。隨著加入添加劑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)增大，季戊四醇酯的最大無(wú)卡咬負(fù)荷值等各項(xiàng)性能指標(biāo)都有不同程度的變化。pB值隨著添加量的增加先升高后降低，添加劑的量為2%時(shí)，pB值達(dá)到最大，之后稍微有點(diǎn)下降，然后趨于平穩(wěn)。

將三種添加劑分別以1%、2%、3%、4%、5% 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)加入季戊四醇酯基礎(chǔ)油中，分別測(cè)定油品的pD值，結(jié)果如圖3所示。

圖3　添加劑的加入量對(duì)燒結(jié)負(fù)荷的影響

由圖3燒結(jié)負(fù)荷隨添加劑添加量的變化曲線可看出，無(wú)添加劑時(shí)，季戊四醇酯的燒結(jié)負(fù)荷1038。隨著加入添加劑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)增大，季戊四醇酯的燒結(jié)負(fù)荷值都有不同程度的增加。其中加入硫烯時(shí)，季戊四醇酯的燒結(jié)負(fù)荷增加的最大，當(dāng)加入5%時(shí)，能夠增加到7840N。其次為T406，當(dāng)其加入量為5%時(shí)，其燒結(jié)負(fù)荷也能增加到6076N。

3作用機(jī)制探究

含硫、磷、氮的極壓抗磨添加劑的作用機(jī)理報(bào)道的比較多，本文主要對(duì)其進(jìn)行總結(jié)。硫烯在基礎(chǔ)油中的潤(rùn)滑作用主要有兩種：

(1)在載荷較低(196N下)的情況下生成的高分子金屬有機(jī)化合物的含量最高. 據(jù)此我們推測(cè)，在摩擦過(guò)程中，SO與Fe表面發(fā)生了摩擦化學(xué)反應(yīng)，并生成了含鐵的高分子物質(zhì)。因此可以推測(cè)在鋼球表面，特別是在摩擦磨損過(guò)程中暴露出來(lái)的新鮮鋼球表面形成了高分子有機(jī)鐵化合物，即摩擦聚合物。這種直接結(jié)合在摩擦副接觸表面的摩擦聚合物在一定的摩擦磨損試驗(yàn)條件下具有良好的潤(rùn)滑性能[7]。

(2) 在載荷較高(392N下)的情況下，鋼球磨斑表面均生成了FexOy、FeS 和FeSO4[8]。

磷酸酯產(chǎn)品中中性磷酸酯的活性較弱，不易在摩擦表面形成化學(xué)保護(hù)膜，酸性酯的性能稍優(yōu)，但是酸性較強(qiáng)，在重負(fù)荷條件下易產(chǎn)生化學(xué)腐蝕、磨損，使其性能變差。對(duì)磷型極壓抗磨劑的作用機(jī)理，不同學(xué)者提出不同的觀點(diǎn)。早在40年代就提出所謂“化學(xué)拋光作用”[9]的說(shuō)法，即摩擦過(guò)程中形成鐵和金屬磷化物的共晶層。后來(lái)許多學(xué)者證明這種解釋是站不住腳的，并提出存在磷酸鹽層[10-11]。Godfreg[12]用電子衍射法發(fā)現(xiàn)在摩擦表面生成FePO4和FePO4·H2O混合物。目前，普遍的觀點(diǎn)是在各個(gè)條件下，磷型添加劑在摩擦表面確實(shí)形成了磷酸鹽[13-14]。1974年Forbes等[15]提出二烷基亞磷酸酯極壓抗磨作用機(jī)理。

而對(duì)于T406添加劑的作用機(jī)理主要是在金屬表面形成一種吸附膜，從而起到抗磨減摩的作用。

4結(jié)論

(1) 硫烯(T321) 可以顯著提高季戊四醇酯的燒結(jié)負(fù)荷值(pD值)，當(dāng)添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到5%時(shí)，燒結(jié)負(fù)荷可以達(dá)到7840N，與礦物油相當(dāng)。

(2) 在硫烯的添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%時(shí)，潤(rùn)滑劑表現(xiàn)出最好的性能，pB為1118N，pD值為4900N，磨斑直徑為0.40mm。

(3) 磷系極壓抗磨添加劑的品種較為復(fù)雜，不僅表現(xiàn)在化合物的種類上，也表現(xiàn)在元素組成上，其大量的研發(fā)工作是在不降低極壓抗磨性能的前提下，提高其熱氧化穩(wěn)定性，降低磷消耗以延長(zhǎng)其使用壽命。

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《環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展》簡(jiǎn)介

環(huán)境保護(hù)部主管和環(huán)境保護(hù)部環(huán)境與經(jīng)濟(jì)政策研究中心主辦的《環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展》(原《環(huán)境科學(xué)動(dòng)態(tài)》，CCSCI來(lái)源期刊，全國(guó)中文核心期刊)于1976年創(chuàng)刊，現(xiàn)已加入“中國(guó)學(xué)術(shù)期刊(光盤版)全文收錄期刊”、“中國(guó)期刊全文數(shù)據(jù)庫(kù)(CJFD)全文收錄期刊”、“萬(wàn)方數(shù)據(jù)-數(shù)字化期刊群全文收錄期刊”、“中國(guó)學(xué)術(shù)期刊綜合評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)庫(kù)(CAJCED)統(tǒng)計(jì)源期刊”、“中文科技期刊數(shù)據(jù)庫(kù)(全文版)收錄期刊”。

2011年6月第三期本刊改版并定位為“國(guó)家級(jí)政策指導(dǎo)性學(xué)術(shù)期刊”，依據(jù)從環(huán)境保護(hù)的視角報(bào)道可持續(xù)發(fā)展理論與實(shí)踐辦刊宗旨，創(chuàng)新設(shè)置“理論戰(zhàn)略探索”、“政策專題研究”、“法律法規(guī)研討”、“典型案例解析”、“研究動(dòng)態(tài)瞭望”、“研究成果報(bào)道”、“生態(tài)文明之窗”等欄目。本刊底蘊(yùn)深厚尤其自2011年改版以來(lái)一直發(fā)揮集中選題的宣傳優(yōu)勢(shì)，提前發(fā)布選題，開(kāi)展征稿組稿，期刊學(xué)術(shù)質(zhì)量顯著提高。

據(jù)知網(wǎng)《中國(guó)學(xué)術(shù)期刊影響因子年報(bào)》評(píng)估，我刊學(xué)術(shù)影響因子顯著大幅度提高，多年來(lái)一直位于全國(guó)收錄環(huán)境科學(xué)類期刊前列。同時(shí)知網(wǎng)《2015年發(fā)行與傳播統(tǒng)計(jì)報(bào)告》顯示：我刊機(jī)構(gòu)用戶總計(jì)近5000個(gè)，分布于11個(gè)國(guó)家和地區(qū)，如美國(guó)國(guó)會(huì)圖書館、代頓ITS公司、美國(guó)海軍軍事學(xué)院、法國(guó)國(guó)防部、牛津大學(xué)、韓國(guó)最高法院、韓國(guó)最高檢察院、日本國(guó)會(huì)圖書館、新加坡國(guó)家圖書館、伊士曼化學(xué)公司、陶氏化學(xué)、NSD生物技術(shù)咨詢、南澳大利亞大學(xué)等國(guó)外機(jī)構(gòu)，我刊業(yè)已成為對(duì)外宣傳我國(guó)環(huán)境保護(hù)成就和研究成果的重要窗口。

Tribological Properties of Sulfur，Phosphorus and Nitrogen Extreme Pressure and Anti-wear Additives in Biodegradable Base Oil

ZHAO Ganlin

(Changsha Environmental Protection College，Changsha，Hunan 410004，China)

Abstract：The disadvantage of the existence of the biological degradation of mineral based lubricants. The pollution has caused people's high attention. In this paper，pentaerythritol ester used as biodegradable base oil，added sulfur，T406，T306 as additives，respectively. Experimental study on the tribological properties of lubricant on the four ball friction and wear tester，and the morphology of wear scar was observed by scanning electron microscope. The results show that sensitivity of pentaerythritol ester vinyl sulfides is better. In the small dosage，pentaerythritol ester showed good lubricating performance.

Keywords：Biodegradation；pentaerythritol ester；thiochromene；T306；T406；friction

中圖分類號(hào)：X21

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1673-288X(2016)02-0159-03

作者簡(jiǎn)介：趙甘林，講師、工程師，主要從事環(huán)境工程、教學(xué)管理研究

引用文獻(xiàn)格式：趙甘林.硫、磷、氮極壓抗磨添加劑在可降解基礎(chǔ)油中的摩擦學(xué)特性研究[J].環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展，2016，41(2)：159-161.