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        超細重質(zhì)碳酸鈣與納米碳酸鈣的摩擦性能對比研究

        2019-12-02 01:23:18趙金城蔣海福李浩銘黃福川
        當代化工 2019年9期
        關(guān)鍵詞:磨斑摩擦學基礎(chǔ)油

        趙金城 蔣海福 李浩銘 黃福川

        摘? ? ? 要:通過對比研究超細重質(zhì)碳酸鈣與納米碳酸鈣的抗磨減摩性能,采用了MR-S10G型杠桿四球摩擦試驗機進行四球?qū)嶒?,利用光學顯微鏡觀察鋼球表面的磨斑形貌。通過對二者磨斑直徑、最大無卡咬負荷以及摩擦系數(shù)的對比分析,結(jié)果表明,二者均具有良好的抗磨減摩效果,其中超細重質(zhì)碳酸鈣具有更加優(yōu)異的抗磨減摩性能。

        關(guān)? 鍵? 詞:納米碳酸鈣;超細重質(zhì)碳酸鈣;四球?qū)嶒?抗磨減摩性能;

        中圖分類號:TQ047? ? ? ?文獻標識碼: A? ? ? ?文章編號: 1671-0460(2019)09-1968-04

        Abstract: The anti-wear and anti-friction properties of ultrafine ground calcium carbonate and nano precipitated calcium carbonate were studied through comparison experiments with MR-S10G four-ball friction testing machine. The results showed that both of them had good anti-wear and anti-friction effect, especially the ultrafine ground calcium carbonate had more excellent anti-wear and anti-friction performance.

        Key words: Nano calcium carbonate; Ultrafine ground calcium carbonate; Four-ball test; Anti-wear and anti-friction

        碳酸鈣作為一種綠色環(huán)保的無機化合物,被廣泛應(yīng)用于造紙、建材、日用化工、涂料、醫(yī)藥、化妝品、密封材料等各個行業(yè)[1]。原材料獲取容易,主要來源于天然方解石、石灰石、白堊、大理石[2]。由于其綠色、環(huán)境友好和具有良好的承載能力的特點,逐漸被應(yīng)用于潤滑劑領(lǐng)域。通過機械方法直接破碎天然方解石、石灰石等礦石進行直接研磨得到所需要細度的粉體,稱為重質(zhì)碳酸鈣,重質(zhì)碳酸鈣粉體細度在2~10 ?m之間,稱為超細碳酸鈣(簡稱UGCC)。將石灰石等原材料經(jīng)過煅燒成石灰,再由一系列化學方法生成碳酸鈣沉淀,最后經(jīng)脫水、粉碎制得所需的碳酸鈣粉體稱為輕質(zhì)碳酸鈣,經(jīng)過化學方法制備的碳酸鈣粒子粒徑小于100 nm,稱為納米級碳酸鈣(簡稱NPCC)。隨著人們對環(huán)保問題的關(guān)注,潤滑材料及其添加劑造成的環(huán)境污染問題受到高度重視[3, 4],因此,未來的潤滑技術(shù)一定兼顧著高效、綠色環(huán)保的多重要求[5]。由于碳酸鈣原材料易得且成本低廉,在考慮到環(huán)境友好和制備成本的情況下,選用碳酸鈣為原料作為環(huán)保潤滑材料添加劑。自從納米材料問世以來,因其獨特的物理化學性能,被廣泛關(guān)注并應(yīng)用于各個領(lǐng)域[6]。近年來,大量的研究也已經(jīng)表明,納米材料作為潤滑材料添加劑可以顯著提高基礎(chǔ)油的減摩抗磨性能[7]。NPCC作為潤滑材料添加劑的研究也引起了大家的關(guān)注。MingZhang等[8]、Xianbing Ji等人[9]分別考察了NPCC粒子作為基礎(chǔ)油添加劑時的摩擦學性能,結(jié)果表明,NPCC能夠有效改善基礎(chǔ)油的摩擦學性能。雖然碳酸鈣作為潤滑材料添加劑的研究不少,但是主要集中在NPCC的研究,而對UGCC添加劑摩擦學性能的研究基本空白。NPCC因具有特殊的物理結(jié)構(gòu)以及比表面積大、表面活化能高的特點[10],使其在分散穩(wěn)定性和耐腐性等方面存在些許不足[11]。而UGCC粒子具有很好的穩(wěn)定性、較低的硬度和很好的韌性,多種優(yōu)良性能的組合可以展現(xiàn)更好地潤滑效果[12]。

        近年來,UGCC因其穩(wěn)定性好、白度高、硬度低、分散性好等優(yōu)點受到越來越多的關(guān)注。因此,本文選用UGCC作為基礎(chǔ)油添加劑與NPCC進行實驗對比,根據(jù)摩擦學實驗對比,結(jié)果表明:UGCC具有比NPCC更優(yōu)異的抗磨減摩性能。

        1? 實驗部分

        1.1? 試驗材料與儀器

        BSM-220.4型號天平,上海卓精電子科技有限公司; FJ200-S實驗室分散勻質(zhì)機,上海昂尼儀器儀表有限公司; KQ-100KDE超聲清洗器,昆山市超聲儀器有限公司; 78-1A型磁力加熱攪拌器,杭州儀表電機有限公司; MR-S10G型杠桿四球摩擦試驗機,濟南時代試金試驗機廠; CCM-600E型光學顯微鏡,上海長方光學儀器有限公司;S-3400N型號掃描電子顯微鏡, 日本日立公司;石油醚,AR,廣東光華科技股份有限公司;已改性NPCC與UGCC,廣西華納新材料科技有限公司;基礎(chǔ)油(美孚PAO6),??松梨诠尽?/p>

        1.2? 油樣的制備

        本實驗采用美孚公司生產(chǎn)的PAO6基礎(chǔ)油作為試驗用油,其基本性能參數(shù)如表1所示。取基礎(chǔ)油(PAO6)40 g,分別加入不同添加量的UGCC粉體(質(zhì)量分數(shù)分別為0.01%、0.03%、0.05%、0.1%),用FJ200-S實驗室分散勻質(zhì)機進行分散(轉(zhuǎn)速為3 300 r/min,分散時間90 min)。待粉體分散后,用78-1A磁力加熱攪拌器進行加熱攪拌(加熱溫度70 ℃,加熱時間60 min)。得到UGCC油樣,立即進行實驗測定。同理配制出不同質(zhì)量分數(shù)的NPCC油樣。

        1.3? 抗磨損性能實驗

        采用濟南時代試金試驗機廠生產(chǎn)的MR-S10G型杠桿四球摩擦試驗機考察NPCC與UGCC的抗磨損性能(設(shè)置載荷為 392 N,轉(zhuǎn)速為1 200 r/min, 溫度75 ℃, 試驗時間60 min。操作方法按SH/T0189- 1992進行)。試驗所用鋼球均為GCr15標準鋼球(AISI-52100), 直徑為12.7 mm, 硬度為HRC64~66(鋼球選用按GB/T 308標準實施)。試驗結(jié)束后,用讀數(shù)顯微鏡(精度±0.01 mm)測量3個試球的磨斑直徑, 取平均值作為磨斑直徑測定值。用CCM-600E型光學顯微鏡(SEM)觀察試驗鋼球的磨斑形貌。

        2? 結(jié)果與分析

        2.1? NPCC與UGCC形態(tài)與粒徑觀察

        圖1為NPCC 與UGCC在S-3400N型號掃描電子顯微鏡下的粉體形貌,圖中可以看出:NPCC粉體基本呈球狀,其粒徑在80~90 nm左右;UGCC粉體粒徑7~9μm左右,粉體呈不規(guī)則六面體,粉體大小基本均勻。

        2.2? NPCC與UGCC摩擦學性能對比分析

        圖2示出了磨斑直徑隨著NPCC添加量的變化曲線。圖2中可以看出:空白基礎(chǔ)油磨斑直徑均值為0.492 mm。NPCC質(zhì)量分數(shù)為0.03%時,曲線達到了最低谷,此時磨斑直徑為0.428,較空白基礎(chǔ)油降低了13.0%。當NPCC添加量增加到0.05%時,曲線反而回升,磨斑直徑又增大到0.492 mm,質(zhì)量分數(shù)繼續(xù)增大到0.1%時,磨斑直徑已經(jīng)達到0.496 mm,抗磨效果反而變差。因此,當NPCC質(zhì)量分數(shù)為0.03% 時的基礎(chǔ)油磨斑直徑,較之其他幾個含有不同質(zhì)量分數(shù)NPCC的基礎(chǔ)油最小。

        圖3為磨斑直徑隨著UGCC添加量的變化曲線??瞻谆A(chǔ)油的磨斑直徑為0.492 mm?;A(chǔ)油中UGCC的質(zhì)量分數(shù)為0.03%時,磨斑直徑為0.420,較之空白基礎(chǔ)油磨斑直徑降低了14.6%。UGCC質(zhì)量分數(shù)為0.05%時,磨斑直徑又增大到0.458 mm,UGCC質(zhì)量分數(shù)為0.1%時,磨斑直徑已經(jīng)達到0.493 mm。因此,實驗說明:基礎(chǔ)油中UGCC質(zhì)量分數(shù)為0.03%時,具有更好的抗磨性能。

        圖4示出NPCC摩擦系數(shù)隨時間變化的曲線。

        如圖4所示:空白基礎(chǔ)油摩擦系數(shù)約為0.046。含有0.01%NPCC的基礎(chǔ)油,摩擦系數(shù)降低但不明顯,NPCC質(zhì)量分數(shù)為0.03%時,摩擦曲線波動較平緩,摩擦系數(shù)約為0.031,較之空白基礎(chǔ)油有明顯的下降。NPCC粒子質(zhì)量分數(shù)為0.05%的基礎(chǔ)油,摩擦曲線波動劇烈,摩擦系數(shù)反而增大。結(jié)果說明:當基礎(chǔ)油中NPCC質(zhì)量分數(shù)為0.03%時,具有很好的減摩效果。

        圖5示出UGCC摩擦系數(shù)隨時間變化的曲線,如圖所示:空白基礎(chǔ)油摩擦系數(shù)約為0.046,摩擦曲線波動范圍大,加入0.01%UGCC的基礎(chǔ)油較之空白基礎(chǔ)油摩擦系數(shù)有所降低,但不明顯。加入0.03%UGCC的基礎(chǔ)油摩擦曲線變平緩,摩擦系數(shù)明顯降低,約為0.027。加入0.05%UGCC的基礎(chǔ)油,摩擦系數(shù)對比之前反而增大,當基礎(chǔ)油含有的UGCC質(zhì)量分數(shù)為0.1%時,摩擦曲線波動劇烈,摩擦系數(shù)明顯增大。結(jié)果表明: UGCC的質(zhì)量分數(shù)為0.03%時,達到優(yōu)良的減摩效果。

        2.3? 最大無卡咬負荷的測定

        圖6為空白基礎(chǔ)油與各種添加劑百分含量為0.03%時的最大無卡咬負荷(PB值)(實驗方法按照國家標準GB/T12583-1998實施)。如圖所示:空白基礎(chǔ)油的PB值為667 N,NPCC與UGCC含量為0.03%時,PB值均為726 N。由此可以看出,NPCC與UGCC作為基礎(chǔ)油添加劑均具有更好的極壓性能。

        2.4? 結(jié)果對比分析

        根據(jù)實驗結(jié)果對比分析:加入NPCC與UGCC質(zhì)量分數(shù)為0.03%時,均具有良好的抗磨減摩性能,此時通過對二者磨斑直徑、摩擦系數(shù)和PB值的對比,可以看出: UGCC具有更優(yōu)異的的摩擦學性能。為探究其二者的摩擦學性能的差異,通過CCM-600E型光學顯微鏡對磨斑表面進行了觀察,圖7為空白基礎(chǔ)油和添加量0.03%的NPCC與UGCC的磨斑形貌。

        從圖7(a)可以看出,鋼球磨斑表面有較嚴重的劃傷,磨痕明顯且有很深的犁溝。比較圖(a),圖(b)鋼球磨斑表面劃傷減緩,磨痕也變淺。圖(c)對比圖(a)與圖(b),磨斑表面光滑,基本無劃傷,磨痕也更淺,抗磨減摩效果顯著。說明UGCC粉體具有更加優(yōu)異的摩擦學性能。

        NPCC粉體的粒徑在80~90 nm之間,呈球狀。摩擦進行時,NPCC粉體進入摩擦區(qū)域,沉積在鋼球表面,并形成一層潤滑膜,該潤滑膜可以減少摩擦副直接的接觸,由此起到抗磨減摩的作用。因為NPCC具有較高表面活化能,使其粉體易團聚,所以隨著添加量的增加,過多的粉體在鋼球表面沉積,團聚在一起形成大顆粒,造成潤滑膜的連續(xù)性減弱,使摩擦學性能降低。太少量的NPCC不足以在鋼球表面形成潤滑膜,因此,不能夠達不到好的抗磨減摩效果。

        UGCC粉體粒徑在7~9μm左右,粉體呈不規(guī)則的六面體,UGCC亦能在鋼球表面形成較好的保護膜,降低摩擦副之間的摩擦損耗,從而達到良好的抗磨減摩作用。UGCC較之NPCC粒徑大且具有較低的硬度,具有更好的韌性,形成的保護膜從而具有更好的抗磨減摩能力。UGCC較之NPCC有更好的熱穩(wěn)定性和耐腐蝕性,使在復(fù)雜的摩擦環(huán)境以及摩擦過程中產(chǎn)生的熱量等作用下,仍具有較好的耐腐蝕性和抗磨減摩能力。二者潤滑效果與其粉體形狀有關(guān),在潤滑過程中, NPCC與UGCC均起到類似軸承滾珠的作用,降低了摩擦副之間的摩擦磨損。呈球狀的NPCC硬度較高,且球狀粒徑相對于鋼球表面摩擦小,不能很好的對其表面凹處進行修復(fù),而UGCC硬度相對較低,粉體呈不規(guī)則六面體,能夠更加有效地對鋼球表面溝壑進行填補和修復(fù),協(xié)同其更好的韌性,能夠更加有效發(fā)揮其抗磨減摩性。UGCC粉體粒徑達到微米級別,同樣具備微觀粒子的物理特性,具備更加優(yōu)異的抗磨減摩性能。

        3? 結(jié) 論

        (1)分別配制出的含有NPCC的基礎(chǔ)油和含有UGCC的基礎(chǔ)油均具有很好的抗磨減摩性能,且UGCC的抗磨性能較之NPCC的抗磨減摩性能更好。

        (2)配制的基礎(chǔ)油中的UGCC的質(zhì)量分數(shù)為0.03%時,磨斑直徑從0.492 mm降到0.420 mm,降低了14.6%。摩擦系數(shù)從0.046左右降到0.027。

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