艾仑宝润滑油脂吸附和成膜性能研究进展

日期:2021-03-01 分类:公司新闻 浏览:199 来源:深圳市艾仑宝润滑材料有限公司


润滑油脂吸附和成膜性能研究进展

代书雷1,晏金灿2*

   (1. 深圳市艾仑宝润滑材料有限公司,广东深圳;2. 中山大学惠州研究院,广东惠州)

摘要:油脂的吸附和成膜性能对齿轮的润滑尤为关键,本文综述了吸附性对表界面成膜效果的影响来探索减少摩擦的方法,总结了前人的研究成果和模型,分析了吸附与成膜的方式,也总结了吸附和成膜性能对摩擦化学反应机制影响的研究进展

 

关键词:润滑;吸附;成膜摩擦化学

 

 

前言

 齿轮传动时不仅有线接触,还有滑动接触,往往由于接触面积小而使得单位接触压力高。润滑油脂保持于运动部件间的油膜,能有效防止摩擦副间直接相接触的能力,而油脂和摩擦副发生吸附作用形成牢固的油膜可以加强齿轮油的润滑作用,防止齿面直接接触,降低摩擦,从而减小磨损。但在高速或高载荷时,常会使油膜变薄甚至局部破裂,导致摩擦与磨损加剧,甚至引起擦伤和咬合。因此油脂的吸附和成膜性能对齿轮的润滑尤为关键,本文主要综述吸附和成膜性能的研究进展。


 

 

 润滑是使用润滑剂减少两个表面之间接触中摩擦和磨损的过程或技术,摩擦化学常常研究润滑油脂在表界面的吸附和成膜性能,进而推测润滑剂在摩擦过程中表界面上的化学反应机制早在1956年 Bowden和 Tabor提出了粘着摩擦理论,表示为摩擦化学影响润滑性能的关键在于摩擦副表面的润滑机制,吸附成膜性能是影响润滑机制的重要因素[1]

 润滑按摩擦副之间摩擦状态的不同,可以分为流体润滑和边界润滑。介于流体润滑和边界润滑之间的润滑状态称为混合润滑。流体润滑是指在适当条件下,两相互摩擦表面被一层具有一定厚度(1.5~2微米以上)的粘性流体隔开,此时摩擦只存在于流体分子之间的润滑状态,流体润滑的摩擦系数很低。

 边界润滑是指两相互摩擦表面间存在一层薄膜(边界膜)时的润滑状态。边界膜可分为吸附膜和反应膜等。润滑剂中的极性分子吸附在摩擦表面所形成的膜称为吸附膜。吸附膜又分为物理吸附膜和化学吸附膜。[2]物理吸附膜是指分子间作用力将极性分子吸附在固体表面上,并定向排列形成一至数个分子层厚的表面膜。化学吸附膜则是指润滑油极性分子的有价电子与金属表面的电子发生交换而产生的化学键合作用,使金属皂的极性分子定向排列并吸附在表面上所形成的表面膜。而润滑油中的添加剂,如含硫、磷、氯等有机化合物的极压剂,与金属表面起化学反应生成能承受较大载荷的表面膜称为化学反应膜。

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图1物理吸附和化学吸附原理图

 影响吸附膜润滑性能的因素有极性分子的结构和吸附量、温度、速度和载荷等。一般来说,极性分子吸附量达到饱和时,膜的润滑性能良好并稳定。当极性分子中碳原子数目增加也即链长增长时,摩擦系数降低。当工作温度超过一定范围时,吸附膜将发生脱附时润滑失效。通常吸附膜的摩擦系数随速度的增加而下降,直到某一定值。

 

1物理吸附

 近年来,很多课题组研究了吸附对润滑过程中的影响。Wu Hongxing[3]等人研究了石蜡油中不同浓度的聚异丁烯胺丁二酰亚胺(PIBS)通过分子间作用力对纳米二硫化钼吸附形成摩擦副油膜及其对摩擦学行为的影响,结果显示摩擦系数明显降低,表明吸附通过形成润滑油膜而增强润滑性能。Fu Hanming[4]等人研究了以DLC膜为抗磨支撑层,以离子液体(ILs)和多烷基环戊烷(MACs)为润滑层的两种高性能液体为润滑层的协同润滑系统,形成了吸附膜和摩擦转移膜达到抗磨减磨的作用因此,ILs和MACs可以提高DLC膜流动性,在吸附作用下降低摩擦损耗。

 

Arman Mohammad Khan[5]等人采用酸处理DLC膜提高摩擦改性剂分子与表面的吸附性能。这种处理方法提高了DLC的亲水性,且对有机摩擦改性剂ArmeenT的吸增加了50%。在微尺度摩擦实验中表明,ArmeenT吸附的增强明显降低摩擦系数。Xie HongMei [6]等人用镁合金钢触头往复式板上球摩擦试验机,研究了二硫化钼和纳米二氧化硅复合添加到基础油中的摩擦学性能。结果表明,纳米二氧化硅与纳米二硫化钼的最佳质量比为0.25:0.75。与基础油相比,在基础油中添加最佳组合添加剂可使摩擦系数降低43.8%,表面粗糙度(Sa)降低31.7%。与此同时,纳米二硫化钼和纳米二氧化硅的复合添加,相对于单一纳米颗粒的添加,在润滑膜稳定性方面表现得更为明显。二氧化硅和二硫化钼复合材料在摩擦过程中形成物理吸附膜和摩擦化学,以及不同形状和润滑机理的纳米粒子之间的微观配合,使其具有优异的摩擦学性能

   

  Wang Yurong等人[7]合成了一种新型N-(3-(二乙氧基磷酰基)丙基)-N,N-二甲基十八烷-1-溴化铵(NP)表面活性剂。NP与1wt %的D -葡萄糖酸钠或1wt %的三乙醇胺作为水基润滑剂添加剂,具有优异的润滑性能,为钢在水溶液中提供了良好的无腐蚀环境。通过电接触电阻、X射线光电子能谱和石英晶体微天平的测量,初步探讨了其润滑机理。通过物理吸附和摩擦化学反应,在接触表面形成了稳定的保护膜。结果表明,水基添加剂具有良好的抗磨性能,可与油性润滑剂相媲美,并优于阳离子表面活性剂类似物。

       由研究可以看出,物理吸附常常是润滑油脂和添加剂最开始的阶段,为接下来发生摩擦化学反应奠定了基础。

 

 

 

2化学吸附

     Zhang Jun [8]等人将吸附在不锈钢表面的十二烷基硫酸钠(SDS)质量和结构与界面润滑行为,特别是二氧化锆/不锈钢摩擦副的粘滑现象。测量SDS 在不锈钢表面上的吸附等温线,并在固/液界面处发现四阶段吸附行为。随着SDS浓度的增加,吸附的SDS分子的质量增加,而吸附层的结构从单体变为半纤维。强调边界润滑,因为水基润滑由于其低粘度而容易在流体动力润滑中失效。在一定的载荷和滑动条件下,在吸附的SDS薄膜的边界润滑中观察到粘滑现象。分析静态和动态摩擦系数对SDS浓度和滑动速度的影响。粘滑现象与SDS边界膜的吸附质量和吸附结构有关。Jia Wenpeng [9]等人成功地合成了梳状聚(乙二醇)甲醚丙烯酸酯(P(OEGMA))。分别用流变仪、扫描电镜和摩擦磨损试验机对制备的P(OEGMA)水溶液进行了流变学、形态学和摩擦学性能的表征。结果表明合成的P(OEGMA)与工业线性聚乙二醇(PEG)相比,具有较小的均匀尺寸,从而降低了水溶液中的粘度。所得P (OEGMA)水溶液的摩擦系数极低(<0.01),在高压(>300MPa)下具有良好的耐磨性,良好的磨合周期、聚合物分子与固体表面良好的界面吸附性能、水化效应和水动力效应是获得理想润滑性能的重要原因。

   

 S. Bernat [10] 等人研究:羧酸在钢表面形成低剪切强度薄膜具有降低摩擦的能力。通过原子力显微镜观察了各种羧酸在极性和非极性溶剂中的吸附行为。使用摩擦磨损试验机对添加羧酸的基础油进行了摩擦学测试。结果表明,无论是极性还是极性润滑油,羧酸的表面覆盖均随链长的增加而增加。在非极性的润滑油中,羧酸通过在表面均匀分布而吸附到表面,而在极性润滑油中,促进了致密多层形成,相比于在非极性的润滑油中羧酸以致密的单层形式吸附,这有助于更大程度的降低摩擦。

 

 Wang Jingjing[11]等人研究了类金刚石薄膜在水蒸气环境中的宏观摩擦,自配位DLC膜界面吸附水分子的比例与水蒸气压力的关系,通过第一原理计算和模型拟合,阐明摩擦系数与气体压力的直接关系。计算结果表明,无氢DLC膜(ta-C)和氢化DLC膜(HCF)表面均存在水分子的化学吸附和物理吸附。

 

 从研究可以看出,化学吸附一般用离子键或共价键等键合方式,吸附更加紧密,也对摩擦化学反应产生更直接的影响。

 

 

3. 成膜性能

考虑到接触表面织构形貌,油膜厚度可以表示为如下形式:

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式中:δ1(x,y)和δ2(x,y)分别为接触表面形貌;V(x,y)为表面弹性变形,这里采用傅里叶变换法计算[12]

 

   吴金勇[13]等人研究了表面圆柱形凹坑的直径、间距和排列方向对弹流润滑接触摩擦系数的影响。结果表明,过大或过小的凹坑直径都不利于形成油膜,降低摩擦;凹坑间距越小,对油膜形成有利,摩擦系数就越低。

 

  Pauline Cusseau[14]等人研究的润滑剂由添加到矿物基础油中的不同化学组成,分子量和构象的聚合物组成。等温条件下进行了膜厚测量,以阐明聚合物添加对润滑油在流体润滑边界润滑两种状态下性能的影响。Li Weimin[15]等人研究了天然大蒜油作为一种高性能、环保型、极压型润滑油添加剂,采用四球摩擦磨损试验机和往复摩擦磨损试验机对不同基础油NGO和硫化异丁烯(SIB)的承载能力进行了对比评价。四球试验结果表明,在基液中加入1wt %的NGO可以显著改善基液的焊接点,从约126 kgf提高到800kgf或更高。此外,四球试验和SRV试验结果表明,与传统的极压添加剂SIB相比,NGO能够在基础中提供更好的承载能力。Guo Yuexia [16]等人首次通过氧化石墨烯-二氧化硅杂化纳米核(GO@SiO2)制备了无溶剂离子纳米流体(NFs)。由于本质上是单组分材料,GO@SiO2 NFs在没有任何溶剂的情况下表现出类似液体的行为,并在聚乙二醇(PEG)基础油中表现出优异的分散稳定性。添加少量的GO@SiO2 NFs可以显著改善聚乙二醇基油的润滑性能。结果表明GO@SiO2 NFs在滑动表面上形成了一个保护性的摩擦膜。Wang Junhai [17]等人采用水溶液法制备了一种新型的润滑油添加剂——高铼酸镧,并在表面活性剂的作用下分散成季戊四醇酯(PETE)基油。通过氮化硅球和镍基高温合金摩擦副四球摩擦试验和摩擦磨损试验机试验,研究了作为固体润滑添加剂的高铼酸镧对复合润滑油在大温度范围内的极压性能和减阻性能的影响。结果表明,添加铼酸镧对PETE的热稳定性和抗氧化性能无明显影响,提高了基础油的极压性能。在一定程度上降低了摩擦系数,减小了磨痕直径。复合油在分解温度点以下的润滑性能与基础油相似350度到600度的范围内含有高铼酸镧盐添加剂的复合油摩擦系数明显低于基础油这是归因于高铼酸镧的剪切敏感性和耐高温条件下相变使其形成一个有效的与氧化物的高温合金耐磨层矩阵从而减少摩擦在高温环境中。

  李晓涛[18]等人对鲍登,弗里克尔及金斯伯里等人提出的边界润滑模型整理得出表面的临界温度表达式:T =深圳市艾仑宝润滑材料有限公司其中:T一边界膜的临界温度;E一润滑油的吸附热;Wm0一吸附膜脱吸所需的能量;Wab一金属粘结点剪断时释放瞬间温度的能量;x一两个吸附中心间的距离;Vs一每个凸峰在另一表面上的滑行速度;t0一垂直于固体表面上分子热振动周期;R一通用气体常数。提出凸峰上接触点上的局部温升,要小于吸附膜的临界温升使表面膜不被破坏。Saiko Aoki[19]等人研究边界润滑条件下各向异性表面粗糙度横向方向与高密度吸附膜之间的协同减摩效应,在低速条件下摩擦逐渐减小。结果表明,减摩效果不仅可以通过横向粗糙度产生的微观EHL效应来解释,还可以通过一些其他承载效应来解释,这取决于吸附薄膜的形成状态。Wei Xiaoli[20]等人研究了nc-(W,Ti)C/a-C(Al) 膜在边界润滑下的吸附和摩擦化学性质,制备了纳米复合涂层。与基础油添加剂DMTD相结合,涂层在大载荷范围内表现出优异的边界润滑摩擦性能。通过理论计算、X射线光电子能谱(XPS)和气相色谱(GC)分析,提出了低负荷下吸附诱导减摩和高负荷下摩擦化学反应诱导减摩两级减摩机理。

 

 

4. 吸附成膜性能对摩擦化学的影响

 

  常用的润滑基础油由于对金属摩擦副表面有良好的粘附性,可以很好的形成油膜,将摩擦副隔开,可以起到减摩抗磨的作用,但低的承载能力导致膜易破裂而失效,固体润滑剂有良好的承载能力和成膜性能,但不易于摩擦副表面吸附是其致命弱点。通过改性的纳米材料润滑添加剂提高纳米材料的吸附性能从而提高成膜性能,并填充到摩擦副界面微穴,摩擦过程中不断修复损伤部位,形成良好的承载能力和低摩擦状态[21]。徐晓璐[22]等人在不同基材上采用两步法制备聚酰亚胺薄膜,考察膜的附着强度,摩擦性能,观察PI膜表面的磨损形貌及转移膜形貌,测量了不同基材的硬度结果表明,在A3钢镀Ni基材上制备的聚酰亚胺固体润滑膜具有良好的附着强度和摩擦磨损性能。聂明德[23]等人以聚四氟乙烯(PTFE)为固体润滑剂填料对GM型齿轮润滑成膜膏进行了改进, 并且研制出了两种新的成膜膏系列产品。以PTFE为主要固体润滑剂填料的GM-3和MFC-1型两种润滑成膜膏也都具有良好的润滑性能,在摩擦过程中于摩擦表面形成了转移膜,因而改善了润滑成膜膏的摩擦学性能。解国新[24]等人利用纳米级膜厚测量仪考察几种具有不同阳离子侧链长度的普通磷酸盐离子液体在不同压力下的成膜能力,同时利用相近粘度的硅油作为对比对象,探讨离子液体的润滑失效及抗压能力。结果表明,在卷吸速度较高时,这几种离子液体的润滑行为符合弹流润滑规律,而在较低卷吸速度时符合薄膜润滑规律,由于离子液体中离子与带电固体表面之间存在较强的静电作用,使离子液体比相近粘度的硅油具有更强的抗压能力。I. A. Buyanovskii[25]分析了吸附层在边界润滑条件下固体摩擦磨损研究的几个关键方向。讨论了摩擦化学吸附层。特别注意尝试建立边界润滑过程的物理和数学模型。Meirong Cai[26]等人综述了摩擦和润滑控制的前沿研究,强调了物理化学方面的重要性,列举了摩擦学问题的最新化学解决方案。众所周知,在增强载荷作用下,非润湿不会有利于摩擦的减少,因为施加载荷时液体很容易被挤出接触区域,润滑油必须湿润表面才能形成有效的润滑膜。

 

  一般认为,摩擦化学主要涉及在干摩擦和润滑状态下的情况。在干摩擦时,摩擦副表面发生接触,在摩擦发生时,由于相互运动机械能转化为大量热能,温度可高达1300K,空气中的氧气进而与摩擦副表面金属发生氧化反应,生成一层氧化膜,随着摩擦继续进行,氧化膜脱落,进而形成新的氧化膜,周而复始,使金属摩擦副表面受到大量磨损。此时可对摩擦表面添加润滑油,在摩擦过程中,基础油会发生氧化、热分解和聚合反应等。众所周知,碳氢化合物的氧化机理是自由基反应,包含链引发、链增长、链转移和链终止。像纳米氮化硼润滑添加剂与摩擦副表面发生了化学反应,使得在摩擦副表面生成一层化学反应膜,从而保护摩擦副的表面,减少了摩擦副表面的摩擦与磨损。均与摩擦副磨损表面发生了相互作用 ,并形成主要由吸附膜和摩擦化学反应膜组成的复杂表面膜,生成了FeB、FeN等,而氮的存在使分子间能形成氢键,增强了油膜的厚度,使产品起到良好的减摩性能。另外在摩擦过程中,发生化学反应,形成了含硼的润滑膜覆盖在摩擦金属表面,起到抗磨作用。

Yu. N. [27] 通过对封闭系统中接触形貌和断裂循环过程的热力学分析,建立了无润滑和有边界润滑的多晶固体摩擦磨损的数学模型。在计算边界润滑情况下的摩擦时,假设接触间隙为带活动壁的微轴承,吸附用Dubinin Radushkevich方程描述。由于物理吸附分子不局限于表面,润滑层存在的条件是其反压与各接触点的常压相等。通过对描述两相(润滑层和气相)在不同压力、相同温度下共存平衡条件的指向方程的积分,得到了润滑层的反压力。计算结果与实验结果的比较验证了该模型的正确性。

 

 

5. 总结和展望

 

本文综述了摩擦与润滑相关知识,总结了前人所做的研究,提高减磨抗磨效果,要选择合适的润滑材料,摩擦副表面通过形成一层紧密的吸附润滑膜,可以降低摩擦副表面摩擦磨损,较好的保护摩擦副表面,提高设备的使用寿命。

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