耿 珊，魏 泰，張 巖，田成剛

（甘肅省特種設(shè)備檢驗(yàn)檢測研究院，甘肅 蘭州 730050）

在機(jī)械部件的運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，連接構(gòu)件之間存在著摩擦磨損，這些摩擦磨損會消耗大量的能量，甚至導(dǎo)致設(shè)備受損。據(jù)統(tǒng)計，機(jī)械設(shè)備的故障有80%都是因?yàn)槟p而損壞，在這80%中有50%以上的原因都與潤滑失效有關(guān)。

潤滑油中的主要成分是基礎(chǔ)油和添加劑。添加劑一般有功能性添加劑和非功能性添加劑。添加劑的使用可以更加符合工作需求。因此，添加劑對潤滑油有著舉足輕重的意義[1]。潤滑油添加劑的開發(fā)、生產(chǎn)和使用，已經(jīng)成為環(huán)境保護(hù)、節(jié)能減排、提高效益的重要經(jīng)濟(jì)戰(zhàn)略。文章敘述了功能性添加劑、非功能性添加劑和其他新型添加劑，以便讓讀者了解添加劑性能、作用機(jī)理和用途[2-3]。

1 功能性添加劑

1.1 清凈劑

1.1.1 清凈劑介紹

清凈劑一般有磺酸鹽、水楊酸鹽、酚鹽和環(huán)烷酸鹽。硫代磷酸鹽目前已經(jīng)被淘汰。因環(huán)烷酸鹽清凈性能較差，環(huán)烷酸鹽在市面上較為少見，但是部分國外的油品生產(chǎn)廠家將環(huán)烷酸鹽當(dāng)作船用潤滑油添加劑的重要成分。磺酸鹽使用較為廣泛，原因是磺酸鹽高溫清凈性較好，單位質(zhì)量總堿值較高，酸中和能力較好。除此之外，烷基酚鹽相較于磺酸鹽具有更強(qiáng)的分散能力，并且也具有較好的抗氧化性能[4]。

1.1.2 清凈劑檢測

在油品元素的檢測項(xiàng)目中鈣元素一般為清凈劑元素的典型代表，一般清凈劑的鈣元素在檢測時能多達(dá)1 000 μg/g。

1.1.3 清凈劑的應(yīng)用

清凈劑因?yàn)闆]有抗氧化的能力，一般不單獨(dú)使用，在內(nèi)燃機(jī)所使用的潤滑油和風(fēng)機(jī)變速齒輪箱所使用的潤滑油中都添加了清凈劑。

1.1.4 清凈劑的作用機(jī)理

清凈劑一般是雙性化合物，由親水的極性集團(tuán)與親油的非極性集團(tuán)組成，具有增溶作用，其增溶作用小于分散劑的增溶作用。結(jié)構(gòu)決定性能，清凈劑可以使原來不溶解的物質(zhì)分散在介質(zhì)內(nèi)，其主要原因是清凈劑與油中不溶于油的氧化縮合產(chǎn)物、膠質(zhì)等形成膠團(tuán)，使縮合產(chǎn)物的官能團(tuán)失去活性。

清凈劑的作用機(jī)理是正鹽單分子吸附于固體表面，在金屬表面形成保護(hù)膜。當(dāng)油中存在污染顆粒時會形成膠團(tuán)，使這些污染顆粒分散在油中且不沉積在一起，這樣不會對油品和設(shè)備造成損害。清凈劑作用機(jī)理如圖1所示。

1.2 分散劑

1.2.1 分散劑介紹

分散劑主要功能為分散、抑制油泥、漆膜和淤渣等沉積物，使這些沉積物形成膠粒分散在油中。分散劑可以按有無金屬元素分為有灰和無灰2種類型[5]，無灰分散劑的分散能力比有灰分散劑的能力好10倍左右。

1.2.2 分散劑作用機(jī)理

一些相對質(zhì)量較大的表面活性物質(zhì)組成了分散劑，其中含有親油基、極性基和連接基。相較于清凈劑，分散劑的分子結(jié)構(gòu)大，其分散能力也強(qiáng)于清凈劑。分散劑吸附在粒子表面從而使粒子分散在油中；有些分散劑也利用靜電斥力作用在膠溶更大的粒子上，讓粒子分散在油中，這種分散劑一般是相對分子質(zhì)量較小，離子化極性較大的分散劑；還有些分散劑因?yàn)槠漭^大的相對分子質(zhì)量，在粒子之間形成較大較厚的隔離帶，使粒子分散。

現(xiàn)今分散劑主要由琥珀酰亞胺組成，由曼尼奇堿烷基酚組成的情況較少。一般認(rèn)為琥珀酰亞胺的熱穩(wěn)定性隨著烷基自由基長度的增加而增加。因此，開發(fā)了新的添加劑，如s-5a-1300或s-5a-2300型等。最近，關(guān)于季銨鹽配合物的添加劑有了一些新的發(fā)現(xiàn)。分散劑的代表物質(zhì)及用途優(yōu)點(diǎn)見表1。

表1 分散劑的代表物質(zhì)及用途優(yōu)點(diǎn)

1.3 抗氧化劑

1.3.1 抗氧化劑的介紹

潤滑油氧化會形成一些醛類或羧酸類的副產(chǎn)物，這些副產(chǎn)物會導(dǎo)致油品結(jié)焦，最終導(dǎo)致設(shè)備構(gòu)件在工作中的載荷和阻力變大，從而損壞設(shè)備構(gòu)件。除此之外，在潤滑油儲存時也會受到光照、熱的情況導(dǎo)致潤滑油氧化。

1.3.2 抗氧化劑的作用機(jī)理

抑制氧化一般有2種途徑，一是將過氧化自由基轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定狀態(tài)；二是破壞氫過氧化物。

受阻酚類為抗氧化添加劑的代表，目前使用的自由基終止鏈有3種類型：酚型、胺酚型和胺。胺基和酚類添加劑通常被稱為初級抗氧化劑，因?yàn)?，它們作用于氧化鏈的初始步驟，將自由基轉(zhuǎn)化為非活性狀態(tài)?？寡趸瘎┑淖饔脵C(jī)理及典型代表見表2。

表2 抗氧化劑的作用機(jī)理及典型代表

1.3.3 抗氧化劑的應(yīng)用

抗氧化劑很少單獨(dú)使用，在使用的過程中分為主抗氧化劑和副抗氧化劑。主抗氧化劑主要功能是終止油品的氧化反應(yīng)鏈繼續(xù)，一般主抗氧化劑是自由基終止劑型的抗氧化劑。副抗氧化劑主要是在主抗氧化劑存在的情況下，起到協(xié)同延緩油品氧化的速率，一般副抗氧化劑為烷基過氧化氫分解劑。

今后抗氧化劑趨向于復(fù)合抗氧化劑的研發(fā)，并且隨著機(jī)械設(shè)備趨向高速、大功率的發(fā)展，抗氧化劑在高溫工況的性能也需提高。除此之外，隨著人們物質(zhì)文明的發(fā)展，抗氧化劑的環(huán)境友好性也需要提高。關(guān)于二烷基二硫代磷酸鋅的替代必然會成為研究者的研究熱點(diǎn)，關(guān)于芳胺類添加劑具有毒性等問題也需要更好地解決。

1.4 極壓抗磨劑

1.4.1 極壓抗磨劑的介紹

極壓抗磨劑的作用機(jī)理主要是潤滑油抗磨添加劑吸附在金屬表面形成保護(hù)膜，繼而保護(hù)設(shè)備的表面不受磨損。極壓抗磨劑的作用機(jī)理及典型代表見表3。

1.4.2 極壓抗磨劑的應(yīng)用

市面上較為廣泛的是含磷的極壓抗磨劑，在320號齒輪油中極壓抗磨劑代表元素磷元素的含量基本在400～500 μg/g。

1.5 防銹劑

防銹劑的作用和抗磨劑的作用相類似，也是阻隔兩金屬表面的直接接觸。防銹劑一般按結(jié)構(gòu)分為磺酸鹽、羧酸及羧酸衍生物、酯類、有機(jī)磷酸及鹽類和有機(jī)胺及雜環(huán)化合物5大類[11]。防銹劑的作用機(jī)理及典型代表見表4。

表4 防銹劑的作用機(jī)理及典型代表

2 非功能性添加劑

2.1 黏度指數(shù)改進(jìn)劑

黏度指數(shù)改進(jìn)劑其實(shí)就是輔助提高油品的黏溫性能。黏度改進(jìn)劑的結(jié)構(gòu)隨著溫度的變化而變化，溫度升高，化合物膨脹，潤滑油粘度增加，如圖2所示。

圖2 黏度指數(shù)改進(jìn)劑隨溫度的變化圖

高聚合物增稠添加劑的一個重要特性是其機(jī)械穩(wěn)定性，因?yàn)殚L鏈分子在通過泵或通過各種壓降區(qū)域時容易破裂，這也是開發(fā)黏度指數(shù)改進(jìn)劑需要著重考慮的地方。

2.2 抗泡劑

潤滑油在使用過程中，可能會因?yàn)辇X輪的高轉(zhuǎn)速、混入污染物、抗泡添加劑損耗或者一些高位壓導(dǎo)致潤滑油有過多的泡沫。

消除泡沫的方法主要有3種：

第1種為物理消泡劑，用升溫降溫的方式改變油膜的厚度和脆度，從而使泡沫消失。

第2種為物理方法，是用機(jī)械的方式，比如用壓力的快速變化，促使油中的泡沫破碎。

第3種為化學(xué)抗泡法，添加和發(fā)泡物質(zhì)反應(yīng)的化學(xué)試劑，或者添加能夠溶解發(fā)泡物質(zhì)的溶劑，或者是添加抗泡劑。

抗泡添加劑不同種類的優(yōu)缺點(diǎn)見表5。

表5 抗泡添加劑不同種類的優(yōu)缺點(diǎn)

3 新材料添加劑

新型的潤滑油添加劑有離子液、新型纖維素納米晶體顆粒、石墨烯等材料[13]。

離子液因?yàn)榫哂休^強(qiáng)的表面吸附能力，熱穩(wěn)定性，極低的揮發(fā)性能，成為了近幾年研究的熱點(diǎn)。用離子液作為潤滑油添加劑時，潤滑油表現(xiàn)出優(yōu)異的耐磨性能[14]。

碳量子點(diǎn)由于其低毒、環(huán)保以及良好的可設(shè)計性等性能，被研究者廣泛關(guān)注。碳量子點(diǎn)通常是球形和準(zhǔn)球形納米顆粒，直徑小于10 nm，主要由碳核（非晶形、石墨化和部分石墨化結(jié)構(gòu))和表面基團(tuán)(如含氧基團(tuán)、有機(jī)小分子、聚合物以及離子液體及其衍生物）組成[15]。

Ma等[16]提出將銅（Ⅱ）氧化物納米顆粒分散在機(jī)油中，分析了含水量和粘度值，研究了分散潤滑劑的物理性能，發(fā)現(xiàn)銅（Ⅱ）氧化物納米顆粒分散在機(jī)油中可以減少活塞板上的磨損和摩擦。

孫曉峰等[17]發(fā)現(xiàn)二聚酯改性的納米金剛石作為潤滑油添加劑具有優(yōu)異的抗磨性能。

潘秋紅和張錫鳳[18]通過使用抗壞血酸作為還原劑，聚乙二醇（PEG-2000）作為改性劑和1-丁醇作為生長劑，通過油水界面生長方法制備油溶性Cu納米顆粒，發(fā)現(xiàn)該油溶性Cu納米顆粒長期分散在潤滑油中可以降低油液的摩擦系數(shù)。

近幾年，石墨烯因?yàn)榱己玫臋C(jī)械強(qiáng)度，抗氧化性，高導(dǎo)熱性和優(yōu)良的摩擦學(xué)性能成為了潤滑油添加劑研究的熱點(diǎn)。到目前為止，研究人員認(rèn)為石墨烯和其他超分散“金剛石-石墨”添加劑可以形成多功能的單原子和多原子表面層，減小摩擦系數(shù)，防止機(jī)器部件磨損。

4 未來添加劑的發(fā)展趨勢

潤滑油添加劑需要的技術(shù)含量較高，添加劑的質(zhì)量直接決定潤滑油的功能特性。今后，潤滑油必將向更加環(huán)保的方向發(fā)展，且潤滑油添加劑技術(shù)將更先進(jìn)。潤滑油添加劑也將向復(fù)合添加劑方向發(fā)展。

潤滑油添加劑未來研發(fā)建議考慮以下3個方面：

（1）新型設(shè)備的出現(xiàn)。新型的設(shè)備對潤滑油的要求從出現(xiàn)方式到工作條件都將會有新的要求，所以進(jìn)一步會影響添加劑研究的方向和思路。

（2）低碳環(huán)保的要求。油液對環(huán)境的影響，現(xiàn)在倡導(dǎo)低碳生活，排放的廢氣要符合標(biāo)準(zhǔn)，并且添加劑本身的毒性及對人類健康和環(huán)境的影響也令人關(guān)注。

（3）和基礎(chǔ)油的油溶性。基礎(chǔ)油的發(fā)展，添加劑需要滿足和基礎(chǔ)油的油溶性。不同來源的油、不同的烴含量等因素也會影響添加劑的性能，像不含芳烴的IV組油比石油具有更低的溶解能力。鑒于這種情況也需要新的添加劑。