(華東交通大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院 江西南昌 330013)

隨著科技的進(jìn)步和設(shè)備的現(xiàn)代化，使得液壓液作為傳遞動(dòng)力的介質(zhì)的同時(shí)，還必須具有潤滑、防銹、冷卻等功效[1]。同時(shí)，由于現(xiàn)代工業(yè)的要求，在高溫高壓的液壓系統(tǒng)中必須應(yīng)用難燃液壓液[2]。

水-乙二醇難燃液壓液(HFC)是現(xiàn)在使用最廣泛的難燃液壓液，其中水是難燃液壓液的抗燃成分，二元醇類中乙二醇可以顯著改善抗燃液壓液體系的低溫性能、降低冰點(diǎn)和傾點(diǎn)，而添加的低分子量的增稠劑或是聚醚，可提高HFC在苛刻條件下的剪切安定性[3]。

水溶性潤滑添加劑的分子中必須含有賦予抗磨和極壓性能的基團(tuán)。研究表明，三嗪衍生物是一類新型無灰環(huán)境友好型潤滑油極壓抗磨添加劑，但是作為水基添加劑的應(yīng)用研究剛剛開始。HE等[4]合成了一種新型水溶性三嗪衍生物，其在水-乙二醇基礎(chǔ)液中具有良好的摩擦學(xué)性能。李芬芳和盛麗萍[5]對(duì)摩擦性能優(yōu)良的三嗪進(jìn)行了改性，合成了3種新型水溶性三嗪衍生物，并對(duì)其摩擦機(jī)制進(jìn)行了初步探討。結(jié)果表明，摩擦過程中，在摩擦副表面生成了含硫、氮等的復(fù)合邊界潤滑膜是該系列添加劑表現(xiàn)出良好的極壓抗磨性能的主要原因。

磺酸鹽中的磺酸根基團(tuán)既是陰離子基團(tuán)，又是強(qiáng)親水基團(tuán)，將其引入添加劑中會(huì)顯著地提高分子的水溶性、增稠性以及對(duì)高價(jià)金屬離子的抵抗性等理化性能。將磺酸鹽作為親水性基團(tuán)，對(duì)油溶性添加劑進(jìn)行改性，可以有效解決添加劑的水溶性和吸附性問題；同時(shí)磺酸鹽在油基中是一種重要的防銹劑，故其在改善水基潤滑液的防銹性能方面有很大的研究價(jià)值。

本文作者合成2種含磺酸鹽的三嗪衍生物，分別為只含有三嗪環(huán)的STB和同時(shí)含有S元素和三嗪環(huán)的STC。將STB和STC加入自制的HFC中配置幾種水-乙二醇難燃液壓液，采用摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)分析其摩擦學(xué)性能，采用掃描電子顯微鏡(SEM)和X-射線光電子能譜(XPS)對(duì)不同HFC潤滑下鋼球表面的磨斑形貌進(jìn)行分析，并與市售的國產(chǎn)及進(jìn)口HFC產(chǎn)品的摩擦學(xué)性能進(jìn)行了對(duì)比，研究含磺酸鹽三嗪衍生物作為高效多功能水基潤滑添加劑的應(yīng)用效果。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 添加劑的合成

實(shí)驗(yàn)采用的三聚氯氰是工業(yè)級(jí)，其他材料均為化學(xué)純。采用的6-(二乙胺基)-2,4-雙(磺酸鈉基) -1,3,5- 三嗪 (STB) 和6-乙基磺胺酸基- 2,4 -雙 (磺酸鈉基) -1,3,5- 三嗪(STC)參照文獻(xiàn)[6]制備，合成路線如圖1所示。

圖1 添加劑的合成路線

1.2 水-乙二醇難燃液壓液的配置

水-乙二醇難燃液壓液的基礎(chǔ)液一般由水和二元醇組成。隨著乙二醇所占比例的增大，傾點(diǎn)會(huì)下降，而抗燃性也隨之降低[7]。為了避免水中的鈣、鎂陽離子和氯、硫酸根等陰離子的影響，一般用去離子(軟化)水配置基礎(chǔ)液。文中實(shí)驗(yàn)自制的HFC是使用乙二醇和去離子(軟化)水按1∶1比混合而成，其冰點(diǎn)為-36 ℃，傾點(diǎn)為-55 ℃。

因水-乙二醇基礎(chǔ)液的黏度太小，無法滿足GB/T 21449-2008中規(guī)定的黏度要求，須要在基礎(chǔ)液加入增稠劑。水溶性聚醚(PAG)具有很強(qiáng)的增稠、抗剪切性，是使用效果最好的增稠劑之一。文中使用南京威爾化工生產(chǎn)的PAG產(chǎn)品(SDN-10D)對(duì)水-乙二醇基礎(chǔ)液進(jìn)行增稠(結(jié)果如表1所示)，發(fā)現(xiàn)PAG的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為17%～20%時(shí)，可以滿足GB/T 21449-2008中規(guī)定的40 ℃黏度要求(41.4～50.6 mm2/s)。

表1 黏度測試結(jié)果

在質(zhì)量分?jǐn)?shù)17%PAG增稠的HFC基礎(chǔ)液中，分別加入2%STB、1.5%STC、2%STB+1%STC、1.5%STB+1.5%STC、1%STB+2%STC，在室溫下磁力攪拌2 h使其完全溶解，配置成5種難燃液壓液。

1.3 HFC性能測試標(biāo)準(zhǔn)及方法

根據(jù)GB/T 21449-2008以及行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，按表2所示的測試標(biāo)準(zhǔn)和試驗(yàn)方法測試水-乙二醇難燃液壓液的各項(xiàng)性能。

表2 水-乙二醇難燃液壓液的測試標(biāo)準(zhǔn)及方法

40 ℃ 運(yùn)動(dòng)黏度使用SNB-1型數(shù)字式黏度計(jì)(上海精天科學(xué)儀器有限公司生產(chǎn))進(jìn)行測定。在Shell-Seta型摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)上按照GB/T 3142-82方法測定基礎(chǔ)油及含添加劑的基礎(chǔ)油的最大無卡咬負(fù)荷(pB值)，試驗(yàn)時(shí)間為10 s。

1.4 摩擦磨損試驗(yàn)

采用濟(jì)南舜茂試驗(yàn)機(jī)廠生產(chǎn)的MMW-1立式萬能摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)，按照GB 3142-82 (同ASTM D2783)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行長磨試驗(yàn)，考察水-乙二醇難燃液壓液的摩擦學(xué)性能。試驗(yàn)條件為：轉(zhuǎn)速1 450 r/min，室溫，試驗(yàn)時(shí)間30 min。鋼球?yàn)樯虾］S承廠生產(chǎn)的二級(jí)GCr15標(biāo)準(zhǔn)鋼球。

試驗(yàn)后用石油醚超聲清洗鋼球2次，各15 min。利用Tescan公司生產(chǎn)的Vega3型掃描電鏡(SEM)和Zeiss Sigma EDS牛津能譜儀(EDS)分析鋼球表面形貌以及鋼球表面的元素分布；利用PHI Quantum 2000型XPS分析鋼球表面的化學(xué)成分。

2 結(jié)果與討論

2.1 難燃液壓液性能分析

對(duì)配置的5種難燃液壓液的理化性能、極壓、抗磨、防銹性能進(jìn)行分析，結(jié)果如表3所示?？芍?，試樣8#和9#的各項(xiàng)性能均滿足表2所示的標(biāo)準(zhǔn)要求?？紤]到應(yīng)用中的水解穩(wěn)定性和低含硫量要求，文中選擇8#樣品(添加劑組成為2%STB + 1%STC)進(jìn)行摩擦學(xué)性能分析。

表3 HFC試樣的測試結(jié)果

為了排除增稠劑對(duì)潤滑效果的影響，準(zhǔn)確考察含磺酸鹽型三嗪水基潤滑添加劑在難燃液壓液中的應(yīng)用效果，在國產(chǎn)和進(jìn)口HFC產(chǎn)品中均添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)17%的PAG增稠劑，同時(shí)添加復(fù)配的磺酸鹽潤滑添加劑(2%STB+1%STC)。表4中對(duì)自制的HFC、國產(chǎn)HFC和進(jìn)口HFC和僅添加17%PAG增稠劑的基礎(chǔ)液的性能進(jìn)行比較。

表4 HFC試樣性能比較

從表4可知，2%STB+1%STC添加劑添加到不同基礎(chǔ)液中，均能提高基礎(chǔ)液的極壓性能。對(duì)比聚醚空白基礎(chǔ)液，加入復(fù)配的磺酸鹽潤滑添加劑(2%STB+1%STC)后，自制HFC的極壓值提升了109%，說明制備的三嗪磺酸鹽在自制的HFC中的極壓性能優(yōu)良。自制的HFC的極壓值大于國產(chǎn)和進(jìn)口HFC產(chǎn)品，且還具有很好的承載能力。

結(jié)合表3和表4可知，合成的含磺酸鹽的三嗪衍生物起到了極壓、抗磨、防銹作用，是一類多功能高效難燃液壓液添加劑。

2.2 抗磨減摩性能比較

圖2所示是添加復(fù)配的磺酸鹽潤滑添加劑(2%STB+1%STC)的4種試樣潤滑下鋼球的磨斑直徑隨載荷的變化曲線。

圖2 載荷對(duì)不同試樣磨斑直徑的影響

可以看出，4種試樣潤滑下鋼球的磨斑直徑均隨著載荷的增加而變大。其中國產(chǎn)HFC在高載荷下抗磨性能很差，而不同載荷下，自制HFC和某進(jìn)口HFC潤滑下的磨斑直徑均小于含聚醚的基礎(chǔ)液潤滑下的磨斑直徑，表現(xiàn)出良好的抗磨性能。相同條件下進(jìn)口HFC潤滑下的磨斑直徑更小，說明添加劑在某進(jìn)口HFC中的抗磨性能更好更穩(wěn)定。在中低載荷下，自制的HFC和進(jìn)口HFC在抗磨性能方面相差不大。

4種試樣的摩擦因數(shù)隨載荷的變化關(guān)系如圖3所示?？梢钥闯?，只含聚醚的基礎(chǔ)液的摩擦因數(shù)較大，但隨著載荷的增大趨于穩(wěn)定。含添加劑的進(jìn)口HFC的摩擦因數(shù)也較大，但是相對(duì)于聚醚空白基礎(chǔ)液有一定的減小，但減摩性能不佳。自制HFC和國產(chǎn)HFC在中低載荷下摩擦因數(shù)較小，但在高載荷下摩擦因數(shù)增大較快。自制HFC摩擦因數(shù)小于相同條件下的進(jìn)口HFC，減摩穩(wěn)定性優(yōu)于國產(chǎn)HFC，摩擦因數(shù)在各個(gè)載荷下均低于聚醚空白基礎(chǔ)液，說明合成的磺酸鹽潤滑添加劑在自制HFC難燃液壓液中具有良好的減摩性能。

圖3 載荷對(duì)不同試樣摩擦因數(shù)的影響

2.3 SEM分析

圖4所示是載荷392 N下添加復(fù)配的磺酸鹽潤滑添加劑(2%STB+1%STC)的4種試樣潤滑下鋼球磨損表面的形貌圖。可以看出，只含PAG的HFC潤滑下的鋼球表面有很深的犁溝，產(chǎn)生犁溝磨損的原因是發(fā)生了磨粒磨損，而含添加劑STB和STC的HFC潤滑下的鋼球表面要平滑很多，磨損表面的磨痕較淺，表明添加劑可以提高基礎(chǔ)液的摩擦學(xué)性能。從圖中還可以看出，相同條件下進(jìn)口HFC潤滑下的磨損表面的光滑程度要好于自制HFC潤滑下的磨損表面，和圖3所示的磨斑直徑測試結(jié)果一致。

圖4 不同HFC試樣潤滑下的鋼表面磨損形貌SEM圖

2.4 XPS分析

圖5 自制HFC潤滑下磨損表面XPS分析

3 結(jié)論

(1) 在以質(zhì)量比1∶1的去離子水和乙二醇的基礎(chǔ)液中，加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)17%～20%的增稠劑PAG，可以滿足難燃液壓液的黏度要求。

(2) 將17%PAG+2%STB+1%STC加入到自制的HFC中，可使基礎(chǔ)液的極壓值提高109%，達(dá)到696 N，并且高于其在兩種市售產(chǎn)品中的極壓值。復(fù)配的磺酸鹽水基潤滑添加劑在自制的HFC溶液中具有很好極壓、抗磨和減摩性能。

(3) 合成的水溶性磺酸鹽添加劑在HFC溶液中通過化學(xué)吸附與鋼球表面發(fā)生摩擦化學(xué)反應(yīng)，在鋼球表面形成一層含無機(jī)硫化物、有機(jī)氮化合物等組成的具有極壓抗磨減摩等功能的復(fù)合邊界潤滑膜。