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傳統(tǒng)潤滑油抗磨劑的研究趨勢

2017-09-12 10:48 來源: 作者:

  潤滑油是現(xiàn)代工業(yè)和國防工業(yè)運轉(zhuǎn)的血液,而潤滑油添加劑則是各種高級潤滑油的精髓,是提高潤滑油性能的關(guān)鍵。使用潤滑油的目的就是用來減少機(jī)械的摩擦和磨損,提高機(jī)械效率,降低能耗,防止燒結(jié),延長機(jī)械壽命。而抗磨劑正是隨之應(yīng)運而生的潤滑油添加劑,用來減少摩擦磨損,防止燒結(jié)。

  抗磨劑作為現(xiàn)代潤滑油的5大添加劑之一11,在潤滑油添加劑中占有舉足輕重的地位,其新產(chǎn)品的研究與開發(fā)也一直處于現(xiàn)代潤滑油發(fā)展的前列。尤其是如今日益強(qiáng)調(diào)的“環(huán)境友好,健康綠色”主題,對現(xiàn)代潤滑油抗磨劑提出了巨大挑戰(zhàn)。本文作者針對現(xiàn)代工業(yè)對潤滑油的新要求,闡述了傳統(tǒng)潤滑油抗磨劑的研究趨勢,并對其前景進(jìn)行了展望。

  1傳統(tǒng)潤滑油抗磨劑所面臨的挑戰(zhàn)傳統(tǒng)潤滑油抗磨劑,按活性元素分,可以分為硫類抗磨劑(包括硫化烯烴(SIB和HPSIB)、硫化酯和硫化油等)、磷類抗磨劑(包括(酸性)磷酸酯、亞磷酸酯、烷基膦酸酯等)、鹵類抗磨劑(包括氯化石蠟、氯代烴、氯代脂肪酸等)、有機(jī)金屬類(包括環(huán)烷酸鉛和二烷基二硫代磷酸鹽(ZnDDP)等)、硼類抗磨劑(包括無機(jī)硼酸鹽和有機(jī)硼酸酯)等。

  *基金項目:總后勤部科研項目(油20040204)。

  但隨著現(xiàn)代工業(yè)的快速發(fā)展及人類對自生環(huán)境的要求和健康意識的不斷提高,這些單活性元素型抗磨劑已經(jīng)越來越難滿足苛刻工況及時代發(fā)展對它們的要求。如氯類抗磨劑對因其毒性問題已被有的國家如美國和西歐禁用;環(huán)烷酸鉛也因生態(tài)和毒性問題逐漸被淘汰;硫類、磷類抗磨劑及ZnDDP因其含有的P和S會使尾氣轉(zhuǎn)化器中的三效催化劑中毒、影響氧氣傳感器測量準(zhǔn)確性及對生態(tài)環(huán)境的毒性,已被國際規(guī)定限量使用;而硼類抗磨劑也存在一直“懸而未決”的分散穩(wěn)定性和水敏感性問題等等。

  2傳統(tǒng)抗磨劑的研究趨勢正是傳統(tǒng)潤滑油抗磨劑所面臨的巨大挑戰(zhàn)給抗磨劑的研究注入了新的動力。在傳統(tǒng)的單活性元素型抗磨劑難以滿足要求的情形下,潤滑油抗磨劑的研究正呈現(xiàn)出活性元素復(fù)合化、金屬稀土化、分子結(jié)構(gòu)雜環(huán)化和無灰化的多元化和一體化研究趨勢。也就是說,各個趨勢是相互聯(lián)系、相互融合、相互包含的,而不是絕對分開的。例如抗磨劑分子設(shè)計中,活性元素復(fù)合化就可以通過分子結(jié)構(gòu)雜環(huán)化來實現(xiàn),而稀土金屬本身就是一類活性元素,無灰化只是對分子設(shè)計提出具體要求而已。

  特別是在國際規(guī)定對硫、磷類傳統(tǒng)單元素型抗磨劑限量使用和工況要求日益苛刻的情形下,傳統(tǒng)抗磨劑的多元化和一體化可以說是一個必然的發(fā)展趨勢。

  對其研究中,又可以分為2大類別:單個抗磨劑分子咪坐個或2個以上活性元素,后者則是研究2個或2個以上抗磨劑分子間的協(xié)同增效作用。其實,在傳統(tǒng)抗磨劑中已經(jīng)存在具有復(fù)合活性元素的抗磨劑,譬如著名的ZnDDP就是屬于含有復(fù)合活性元素的單抗磨劑分子。

  2.1單個抗磨劑分子的研究對單個的活性元素復(fù)合型抗磨劑分子設(shè)計時,根據(jù)所含活性元素,又可分為稀土金屬類和雜環(huán)類。前者是活性元素復(fù)合化和金屬稀土化的體現(xiàn),后者則是分子結(jié)構(gòu)雜環(huán)化和無灰化的表現(xiàn)。

  2.1.1稀土金屬類對于稀土金屬類活性元素復(fù)合型抗磨劑而言,稀土金屬是指包括鈧、釔和鑭系在內(nèi)的、有著獨特價電子構(gòu)型的17種未被完全認(rèn)識的金屬,它們與其它相同晶體結(jié)構(gòu)金屬相比,摩擦因數(shù)和磨損率都有著明顯的優(yōu)勢。所以,盡管該類抗磨劑屬于有灰型抗磨劑,但由于稀土金屬特殊的摩擦學(xué)性質(zhì),使得該類抗磨劑的研究方興未艾。

  一般認(rèn)為,稀土金屬類活性元素復(fù)合型抗磨劑的抗磨機(jī)制為:?方面,稀土金屬會以單質(zhì)或氧化物、硫化物(或硫酸鹽)、磷酸鹽的形式在摩擦表面生成化學(xué)反應(yīng)膜從而起到抗磨減摩的作用;另一方面,稀土金屬會“擴(kuò)滲”進(jìn)入摩擦副亞表面而改善材料表面的晶界結(jié)構(gòu),從而使材料的耐磨性和耐腐蝕性得到改善,這也是較ZnDDP抗磨減摩性能明顯提高的主要原因;還有人認(rèn)為稀土化合物與潤滑油之間具有協(xié)同作用。如典型的有二烷基二硫代磷酸稀土鹽(ReDDPRe烷基二硫代氨基甲酸稀土鹽(ReDTC,Re為LaPr NdSn)、環(huán)烷酸稀土鹽、烷氧基硼酸稀土鹽(異辛氧基硼酸釤、環(huán)已氧基硼酸鑭和十二烷氧基硼酸鈰)、硫代硼酸稀土鹽(十二烷硫基硼酸鑭和十二烷硫基硼酸鈰)等等都表現(xiàn)出了良好的油溶性,又表現(xiàn)出了極佳的、不亞于二烷基二硫代磷酸鋅(ZnDDP)的抗磨性能。

  2.1.2雜環(huán)類對于雜環(huán)類活性元素復(fù)合型抗磨劑而言,要求雜環(huán)分子通常都具有緊湊而又穩(wěn)定的芳香結(jié)構(gòu),并含有多個活性元素(如N、SP、BF或Cl)。比較典型的有:一般認(rèn)為,雜環(huán)類活性元素復(fù)合型抗磨劑的摩擦學(xué)性能與雜環(huán)分子結(jié)構(gòu)、共軛性、芳香性、取代基的結(jié)構(gòu)以及活性元素的數(shù)目、種類、位置密切相關(guān)??偟恼f來,其潤滑性能會隨分子結(jié)構(gòu)中的N原子數(shù)的增多而提高;分子中的共軛性越高,其邊界潤滑膜強(qiáng)度越好。該類抗磨劑的抗磨機(jī)制19為:由于雜原子活性的不同,一類原子如SP、F或C會在摩擦表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成化學(xué)反應(yīng)膜,而另一類如BN則會在摩擦表面生成吸附膜,正是由于吸附膜和化學(xué)反應(yīng)膜的共同作用才使得該類抗磨劑具有良好的抗磨減摩效果。

  尤其重要的是,該類抗磨劑是一類除具有優(yōu)良的抗磨性之外還具有抗腐蝕性、抗氧化性、銅催化減活性,并能作為同時用于潤滑油和燃料油的多效添加劑。相比ZnDDP,它還具有無灰化的優(yōu)點,被認(rèn)為是ZnDDP最有力的替代者,所以對其的研究長期以來都是熱點。

  2.2多個抗磨劑分子間的研究對多個抗磨劑協(xié)同增效的研究中,硼類抗磨劑與稀土金屬類抗磨劑的協(xié)同作用是焦點所在。這主要是因為兩類抗磨劑本身就是性能優(yōu)異的抗磨劑,再加上又都發(fā)現(xiàn)各自所含的硼和稀土金屬在摩擦過程中都有著與化學(xué)熱處理類似的對摩擦副亞表面的滲透作用,所以這2類抗磨劑的協(xié)同作用勢必會引起更多關(guān)注。

  過程中發(fā)生摩擦化學(xué)反應(yīng),在摩擦副表面生成由稀土金屬的單質(zhì)、氧化物、硫化物(硫酸鹽)、磷酸鹽組成的化學(xué)反應(yīng)膜;另一方面,硼類抗磨劑也會在摩擦過程中在摩擦副表面生成一層含有單質(zhì)硼及其氧化物、FexOy等組成的防護(hù)膜;但更重要的是,稀土金屬的存在會對硼向摩擦副亞表面的擴(kuò)散起到“摩擦催滲”作用,再加上其本身的滲透作用,它們會在摩擦副亞表面形成稀土金屬硼I的摩擦共滲層,使得材料硬度增加,耐磨性增強(qiáng),這也是2類抗磨劑之所以具有協(xié)同增效作用的主要原因。

  但現(xiàn)在所研究35的這2類抗磨劑協(xié)同作用中,稀土金屬類抗磨劑分子一般還含有其它活性元素如義P,屬于活性元素復(fù)合型,而硼類抗磨劑分子卻一般是單元素型。所以未來的研究,應(yīng)首先在硼類抗磨劑分子中通過雜環(huán)引入其它活性元素成為活性元素復(fù)合型抗磨劑,其實這也有助于增強(qiáng)它的水解穩(wěn)定性,再研究其與稀土金屬類抗磨劑的相互作用。

  3前景展望現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展特別是汽車工業(yè)的發(fā)展以及環(huán)保法規(guī)的制定,對現(xiàn)代潤滑油的質(zhì)量提出了新的要求,也對現(xiàn)代潤滑油抗磨劑提出了更高的要求,即低(或無)硫、低(或無)磷、低(或無)灰分。傳統(tǒng)潤滑油抗磨劑的研究,朝著活性元素復(fù)合化、金屬稀土化、分子結(jié)構(gòu)雜環(huán)化和無灰化的多元化和一體化的發(fā)展是一種必然的趨勢。但在短期內(nèi)還是很難撼動抗磨劑ZnDDP的絕對地位,因為ZnDDP除作為優(yōu)異的抗磨劑之外,還是優(yōu)良的抗氧化劑、抗腐蝕劑和金屬鈍化劑。所以,傳統(tǒng)抗磨劑的研究也必須滿足未來潤滑油抗磨劑發(fā)展的多功能化(或多效化)要求,即應(yīng)像ZnDDP那樣,不僅具有優(yōu)異的抗磨減摩性能,還具有抗氧、抗腐蝕、催化減活等其它性能。

作者:佚名  來源:中國潤滑油網(wǎng)