張洋 劉志杭 金丹

摘要：以質(zhì)子型離子液體：二羥乙基胺正辛酸（Bis[（2-hydroxyethyl） ammonium] caprylate，BOEAC）作為添加劑，配置了不同質(zhì)量濃度的BOEAC水溶液，使用MS-10A摩擦試驗(yàn)機(jī)對(duì)質(zhì)子離子液體水溶液的減摩抗磨性能、極壓性能和潤(rùn)滑穩(wěn)定性能進(jìn)行試驗(yàn)研究。試驗(yàn)結(jié)果表明：BOEAC離子液體水溶液具有顯著的減摩抗磨性能，其中10%BOEAC離子液體水溶液的最大無卡咬負(fù)荷高達(dá)847N，相比于純水（98N）減摩抗磨性能顯著，甚至高于普通基礎(chǔ)油，可作為水基潤(rùn)滑液的極壓添加劑。BOEAC離子液體能夠顯著改善其水溶液的成膜性能，這是由于BOEAL分子能夠在摩擦副表面迅速形成吸附膜和化學(xué)反應(yīng)膜，使摩擦副表面的摩擦系數(shù)降低，抗磨性能提升。作為一種不含鹵素等有毒元素的新型綠色離子潤(rùn)滑劑，可通過調(diào)節(jié)BOEAC濃度配比，替代傳統(tǒng)潤(rùn)滑劑，在各種工況中應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：二羥乙基胺正辛酸;減摩抗磨;成膜性能

中圖分類號(hào)：TF762+.4? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-957X（2021）10-0017-03

0? 引言

重工業(yè)是國(guó)家發(fā)展的支柱產(chǎn)業(yè)，決定著國(guó)防、基建等的國(guó)家基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展命運(yùn)。然而隨著國(guó)家環(huán)保意識(shí)的加強(qiáng)，對(duì)重工業(yè)的治理力度逐漸加大。因此在重工業(yè)發(fā)展的各個(gè)方面，都要注意對(duì)環(huán)保材料的使用。金屬加工潤(rùn)滑劑，作為金屬切削、軋制等流程中必不可少的材料，需求量逐年遞增，然而，傳統(tǒng)的油基潤(rùn)滑劑多含有S、P、Cl等元素，嚴(yán)重污染環(huán)境、危害人體健康。因此，需要一種綠色環(huán)保的新型潤(rùn)滑液，改善金屬加工中的潤(rùn)滑性能，防止金屬表面劃傷剝離[1]。水基潤(rùn)滑液具有綠色環(huán)保、來源廣泛等特性，然而由于水的黏度較低、成膜能力有限，因此需要加入合適的水溶性添加劑來改善水在低速區(qū)的極壓抗磨性能，使水溶液具有良好的成膜能力和潤(rùn)滑性能[2]。

近年來，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)一種“綠色潤(rùn)滑劑”：離子液體具有不揮發(fā)、不可燃、良好的化學(xué)和熱穩(wěn)定性等理性潤(rùn)滑劑的性質(zhì)，吸引了相關(guān)學(xué)者對(duì)該領(lǐng)域的研究[3-5]。然而市場(chǎng)上現(xiàn)存的離子液體大多含有鹵素元素，在金屬摩擦過程中易生成鹵化氫，對(duì)金屬產(chǎn)生腐蝕，因此限制了其在金屬加工業(yè)中的使用，且離子液體的溶解性較低，如何制備具有良好水溶性和性能穩(wěn)定的離子液體水溶液，也是需要考慮的重要問題[6-7]。

本文所使用的離子液體屬于質(zhì)子型季銨鹽類離子，相關(guān)研究表明該類離子液體具有較好的水溶性和可生物降解性，這些特征引起了人們對(duì)其在潤(rùn)滑和摩擦學(xué)中的研究，2014年Tulia Espinosa小組將1%的質(zhì)子型季銨鹽類離子液體二羥乙基胺丁二酸加入到水中在藍(lán)寶石/鋼摩擦副上進(jìn)行了摩擦學(xué)試驗(yàn)，結(jié)果表明其不僅顯著縮短了磨合期，并且呈現(xiàn)出超滑現(xiàn)象。該研究結(jié)果證明質(zhì)子型季銨鹽類離子液體可作為水機(jī)潤(rùn)滑添加劑。因此，本文作者前期合成了一種只含有C、H、O、N且水溶性良好的質(zhì)子型季銨鹽類離子液體：二羥乙基胺正辛酸（BOEAC），將以其水溶液作為研究對(duì)象，系統(tǒng)的研究其在鋼/鋼摩擦副的摩擦學(xué)性能，并對(duì)其減摩抗磨機(jī)理進(jìn)行分析。

1? 試驗(yàn)部分

質(zhì)子型離子液體添加劑二羥乙基胺正辛酸通過布朗斯特酸堿中和反應(yīng)合成并提純而成。BOEAC離子液體的分子式為C12H27NO4，常溫下為淡黃色膠狀液體，BOEAC分子結(jié)構(gòu)見表1。常溫下在純水中的溶解度≥70g（水100g）。本文用電子天平分別稱取一定量的BOEAC離子液體，加入適量的去離子水配置出質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%、5%、10%、15%、20%五種濃度梯度的水溶液，用磁力攪拌器攪拌20分鐘至溶質(zhì)充分溶解，靜置24小時(shí)后溶質(zhì)未出現(xiàn)變質(zhì)和析出現(xiàn)象。

試驗(yàn)選用上海鋼球廠生產(chǎn)的？準(zhǔn)12.7mm軸承鋼鋼球，硬度HRC64～66，使用前分別用乙醇和丙酮超聲清洗十分鐘，再用去離子水沖洗十分鐘，氮?dú)獯蹈珊蠓湃朊芊獯芊獯?。試?yàn)使用MRS-10A型四球試驗(yàn)機(jī)分別從濃度、載荷和轉(zhuǎn)速三個(gè)角度進(jìn)行長(zhǎng)磨試驗(yàn)，測(cè)試BOEAL水溶液的減摩抗磨性能，并對(duì)其減摩穩(wěn)定性能和極壓性能進(jìn)行試驗(yàn)，并使用光學(xué)顯微鏡對(duì)磨斑表面進(jìn)行分析。

2? 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 減摩抗磨性能試驗(yàn)性能

2.1.1 濃度對(duì)減摩抗磨性能的影響

試驗(yàn)研究BOEAL離子液體水溶液濃度與其減摩抗磨性能的關(guān)系。試驗(yàn)條件：載荷300N，轉(zhuǎn)速1200r/min，時(shí)間20min，濃度分別為1%、5%、10%、15%、20%、25%，試驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。

前期對(duì)純水的潤(rùn)滑性能進(jìn)行測(cè)試，試驗(yàn)結(jié)果表明100N載荷下鋼球摩擦副迅速出現(xiàn)干磨現(xiàn)象，摩擦表面出現(xiàn)燒結(jié)，并伴隨刺耳噪聲，機(jī)器迅速停機(jī)，這是由于純水承載能力有限，無法形成有效的潤(rùn)滑膜。從圖1中可以看出，不同濃度BOEAL水溶液摩擦系數(shù)都在0.1以下，說明BOEAL離子液體的加入能夠顯著改善純水的潤(rùn)滑性能。當(dāng)濃度為1%時(shí)其摩擦系數(shù)相對(duì)較大，達(dá)到0.094，這主要是因?yàn)榇藭r(shí)BOEAL離子液體的含量較少，不能完全吸附于整個(gè)金屬表面，無法將摩擦副表面完全分隔開形成有效流體潤(rùn)滑，因此1%BOEAL水溶液的摩擦系數(shù)相對(duì)較大。隨著濃度的增加，溶液中的離子液體增多，分子吸附數(shù)量增加，吸附膜強(qiáng)度增大，摩擦系數(shù)降低。當(dāng)濃度達(dá)到15%時(shí)，BOEAL水溶液的摩擦系數(shù)最低達(dá)到0.078，此時(shí)分子吸附膜接近飽和。當(dāng)濃度繼續(xù)增加時(shí)，潤(rùn)滑劑分子在金屬表面的吸附已達(dá)到飽和狀態(tài)，隨著黏度增大，離子液體間的內(nèi)摩擦力增加，從而在宏觀上表現(xiàn)出內(nèi)摩擦力增大。BOEAL水溶液的磨斑直徑隨濃度的增加呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)，BOEAL水溶液的磨斑直徑在0.33～0.46mm之間變化，而隨著濃度的增加，磨斑直徑顯著降低，這是因?yàn)闈?rùn)滑膜強(qiáng)度的提升是由摩擦副表面潤(rùn)滑劑分子的吸附率和黏度共同決定的，隨著濃度的增加，潤(rùn)滑液黏度增大，潤(rùn)滑劑分子在摩擦副表面的吸附率增加，潤(rùn)滑膜的整體承載能力提高，膜厚增加，從而使摩擦副粗糙峰的動(dòng)態(tài)接觸率降低，因此，BOEA水溶液的磨斑直徑隨濃度的增加而降低。

2.1.2 載荷對(duì)減摩抗磨性能的影響

試驗(yàn)研究BOEAL離子液體水溶液載荷與其減摩抗磨性能的關(guān)系。試驗(yàn)條件：轉(zhuǎn)速1200r/min，時(shí)間20min，濃度5%，載荷分別為100N、200N、300N、400N、500N、600N、700N、800N，試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

從圖2中可以看出隨載荷的增加BOEAL水溶液的摩擦系數(shù)先減小后增加。當(dāng)載荷為500N時(shí)離子液體水溶液的摩擦系數(shù)達(dá)到最小值0.080。分析原因，當(dāng)載荷較小時(shí)，隨載荷的增加摩擦副表面逐漸形成穩(wěn)定的化學(xué)反應(yīng)膜，使得摩擦系數(shù)降低，而當(dāng)載荷達(dá)到500N后，摩擦副表面的化學(xué)反應(yīng)膜被逐漸破壞，粗糙峰間的直接接觸率增大，導(dǎo)致摩擦系數(shù)逐漸增加。同時(shí)隨載荷的增加，鋼球表面的接觸應(yīng)力和變形量增加，必然會(huì)導(dǎo)致鋼球表面的實(shí)際接觸面積增大，實(shí)際磨損量隨之增加。

從圖2可以看出，在100N載荷下BOEAL水溶液潤(rùn)滑的鋼球具有最大的摩擦系數(shù)和最小的磨斑直徑，這也從側(cè)面證明了摩擦系數(shù)和磨損率之間沒有直接的關(guān)系，為進(jìn)一步探究BOEAL水溶液潤(rùn)滑的鋼球摩擦和磨損狀態(tài)，對(duì)100N和800N載荷下BOEAL水溶液潤(rùn)滑的鋼球磨斑表面進(jìn)行分析。（圖3、圖4）

從圖3和圖4中可以看出，隨載荷的增加，摩擦副間的接觸壓力增大，磨損加劇，磨斑直徑較大。在100N載荷下，摩擦副表面的粗糙峰較為明顯，未能被迅速磨平，峰谷內(nèi)的潤(rùn)滑液不能起到承載潤(rùn)滑的作用，粗糙峰間擠壓和磨削程度較嚴(yán)重，導(dǎo)致摩擦系數(shù)較大。而在800N載荷下摩擦副表面的粗糙峰被迅速磨平，峰谷內(nèi)的潤(rùn)滑液起到承載潤(rùn)滑的作用]，并且由于離子液體自身所含的羥基、羧基等極性基團(tuán)吸附于鋼球摩擦副表面形成的吸附膜，以及BOEAL離子液體與摩擦副表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)形成的化學(xué)反應(yīng)膜共同作用，使摩擦副在較高載荷下反而具有較好的減摩效果。

2.1.3 轉(zhuǎn)速對(duì)減摩抗磨性能的影響

試驗(yàn)研究BOEAL離子液體水溶液轉(zhuǎn)速與其減摩抗磨性能的關(guān)系。試驗(yàn)條件：轉(zhuǎn)速1200r/min，時(shí)間20min，濃度5%載荷，轉(zhuǎn)速分別為100N、200N、300N、400N、500N、600N、700N、800N，試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。

從圖5中可以看出當(dāng)轉(zhuǎn)速在800～1400r/min時(shí)，隨轉(zhuǎn)速的增加，潤(rùn)滑膜的膜厚和強(qiáng)度增加，會(huì)使摩擦系數(shù)降低，同時(shí)轉(zhuǎn)速增加又會(huì)使水基潤(rùn)滑液中的分子活性增加，使摩擦副表面的吸附膜和化學(xué)反應(yīng)膜強(qiáng)度增加，這些因素共同作用使?jié)櫥ず穸群统休d能力增加，摩擦系數(shù)降低。當(dāng)轉(zhuǎn)速繼續(xù)增加時(shí)，摩擦副表面的動(dòng)態(tài)接觸率增加，同時(shí)流體的剪切稀化和溫升共同作用，使流體的粘度降低，潤(rùn)滑膜強(qiáng)度減弱，摩擦系數(shù)增加。隨轉(zhuǎn)速的增加，鋼球表面的動(dòng)態(tài)接觸率增加，因此相同時(shí)間內(nèi)鋼球表面的磨損量增加。

2.2 極壓性能分析

試驗(yàn)條件：時(shí)間10s，溫度18～35℃，轉(zhuǎn)速1760r/min，濃度取0.5%和5%。

從表2中可以看出，由于水的承載能力有限，在98N載荷下無法形成有效的潤(rùn)滑膜，而少量BOEAC離子液體的加入即可顯著提高水的承載能力。其中，5%BOEAC水溶液的承載能力超過了基礎(chǔ)油，達(dá)到643N，隨著BOEAC濃度增加，BOEAC水溶液的PB值增大，當(dāng)BOEAC離子液體濃度達(dá)到15%時(shí)，其PB值高達(dá)964N，具有優(yōu)異的極壓性能。由于BOEAC水溶液中離子與離子之間以及離子與金屬摩擦副之間的較強(qiáng)靜電作用，使摩擦副間的流體膜不容易被擠出接觸區(qū)而承受更大的載荷，因此離子液體相比于相近黏度的非離子液體具有更好的承載能力。

2.3 穩(wěn)定性試驗(yàn)分析

潤(rùn)滑液的減摩穩(wěn)定性是評(píng)價(jià)潤(rùn)滑液性能的重要指標(biāo)。對(duì)BOEAL水溶液進(jìn)行長(zhǎng)磨穩(wěn)定性試驗(yàn)，試驗(yàn)條件為：轉(zhuǎn)速1200r/min，時(shí)間20min，載荷300N，濃度分別為：1%、10%、20%。

圖6中給出了300N載荷下不同濃度BOEAC水溶液摩擦系數(shù)隨運(yùn)動(dòng)時(shí)間的變化關(guān)系。BOEAC水溶液在磨合初期（0-100s）摩擦系數(shù)相對(duì)波動(dòng)較大，而隨著磨合時(shí)間的增加，摩擦系數(shù)逐漸趨于穩(wěn)定。這主要是因?yàn)樵谀p初期鋼球表面具有宏觀和微觀的幾何缺陷，使得鋼球表面粗糙峰間的實(shí)際接觸點(diǎn)壓力較大，擠壓碰撞較為頻繁，在宏觀上磨損劇烈，摩擦系數(shù)波動(dòng)較大。1%BOEAC水溶液極性分子較少，粘度較低使得潤(rùn)滑膜較薄，潤(rùn)滑膜分割摩擦副粗糙峰的能力較差，粗糙峰間的擠壓碰撞較為劇烈，因此相對(duì)于中、高濃度的離子液體水溶液，具有較大的摩擦系數(shù)和不穩(wěn)定性。在磨合過程中，由于摩擦副粗糙峰間的磨削擠壓使表面產(chǎn)生塑性變形，較大的粗糙峰逐漸被磨平，導(dǎo)致鋼球表面接觸狀態(tài)得到改善，鋼球摩擦副間的磨損率降低。當(dāng)進(jìn)入穩(wěn)定磨損階段時(shí)，潤(rùn)滑狀態(tài)比較穩(wěn)定，摩擦系數(shù)較為穩(wěn)定。

3? 結(jié)論

①BOEAC水溶液具有較好的減摩抗磨性能，在各種試驗(yàn)條件摩擦系數(shù)均在0.1以下，且潤(rùn)滑穩(wěn)定性較好。②BOEAC離子液體具有強(qiáng)極性，在摩擦過程中能夠迅速與金屬表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成穩(wěn)固的物理吸附膜和化學(xué)吸附膜，使其具有良好的承載能力，可作為極壓添加劑使用。③離子液體的加入能夠有效提高純水的成膜能力，且由于離子液體強(qiáng)靜電作用的影響，相比于同黏度的非離子液體，其具有更強(qiáng)的抗壓和成膜能力。④作為一種綠色環(huán)保的潤(rùn)滑液添加劑，可以通過調(diào)節(jié)其在水溶液中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，改善其減摩抗磨性能，從而適應(yīng)不同工況對(duì)其成膜和潤(rùn)滑性能的要求。

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