蒙脱土在酯类合成基础油中的摩擦学性能研究
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摘要：以癸二酸二异辛酯（DOS）为基础油，在高频往复试验机上考察了蒙脱土K10、蒙脱土KSF与工业蒙脱土的性能。结果表明：三种蒙脱土不能降低DOS的摩擦系数，KSF与工业蒙脱土对DOS的抗磨损性能改善也不够明显，但质量分数为0.2%的蒙脱土K10在DOS中具有较好的抗磨性能，与纯的DOS相比，可使钢球磨斑直径降低22%，磨损体积下降约63%；与KSF及工业蒙脱土相比，K10尺寸小，比表面积大，容易吸附在摩擦接触表面，形成具有抗磨作用的摩擦膜。
关键词：蒙脱土；酯类基础油；性能；摩擦磨损
中图分类号：TE624.82文献标识码：A
0引言
一些固体纳米微粒在油中能表现出优异的减摩与抗磨性能，包括MS2（M=W与Mo）、金属纳米微粒与碳纳米管等。但这些纳米微粒往往制备成本高，从而限制其作为添加剂的应用[1]。硅酸盐矿物微粉具有类似于石墨的层状结构，在基础油中也能表现出较好的性能[2-3]。蒙脱土是高黏土与膨润土等层状硅酸盐矿的主要成分，它由两层Si-O四面体和一层八面体组成，片层的厚度可达纳米级，其层状结构和较大的比表面积，在摩擦的过程中能吸附金属离子，对摩擦副的承载能力有所提高[4]。近年来，蒙脱土微粒在油中的性能越来越受到重视[5-8]。与矿物油相比，合成酯不但有较好的性能，还具有良好的生物降解性[9-11]，因此，合成酯在许多领域被用来替代矿物基础油。本论文主要探讨了三种不同结构的蒙脱土微粒在合成酯癸二酸二异辛酯（DOS）中的摩擦学性能，并对相关摩擦机理进行了表征与分析。
1实验
1.1实验材料和仪器设备
材料和试剂：蒙脱土K10（Al2O9Si3；比表面积240 m2/g，阿拉丁试剂）、蒙脱土KSF（Al2O9Si3；比表面积20～40 m2/g，阿拉丁试剂）、癸二酸二异辛酯（C26H50O4；DOS；阿拉丁试剂）、市售工业蒙脱土、丙酮。
仪器设备：济南益华摩擦学测试技术有限公司生产的MGW-001型高频往复试验机（HFRR；控温精度为±1 ℃；球-盘摩擦副，材料为GCr15钢，钢球直径6.0 mm，洛氏硬度HRC58～66，Ra
1.2摩擦磨损试验
按质量比为0.2%的比例称取不同类型的蒙脱土粉末，添加到DOS中后在超声波清洗器中超声分散30 min，然后在HFRR上评价其摩擦性能，测试条件：滑动速度为0.1 m/s（根据50 Hz的频率和1000 μm的冲程计算）、测试温度60 ℃、载荷7.84 N、摩擦时间75 min。对摩擦学性能的影响；然后选取K10为对象，研究了蒙脱土添加量（0%、0.1%、02%、0.4%与0.6%）、测试温度（20 ℃、40 ℃、60 ℃与80 ℃）与载荷（3.92 N、5.88 N、7.84 N与98N）等对DOS摩擦学性能的影响。测试完毕后，利用LM、SEM与EDS对磨斑进行表征。
2结果与讨论
2.1原料表征与分散性测试
图2（a）为蒙脱土K10的SEM图像，可以看出蒙脱土K10为尺寸几百纳米到几微米大小的层状微粒堆积而成，这种结构具有较大的比表面积（240 m2/g），片层的厚度在纳米级。图2（b）所示的蒙脱土KSF也为层状结构，但片层尺寸大，结构较为致密，比表面积较小（20～40 m2/g）。图2（c）所示的工业蒙脱土与K10类似，具有典型的层片状结构，但片层尺寸要远大于K10。
以DOS为基础油，分别配制质量分数为0.2%的三种蒙脱土样品，超声分散30 min，利用高速离心机，在3000 r/min转速下离心2 min取上清液置于紫外-可见分光光度计中测定吸光度。观察发现，超声30 min之后K10可以完全分散，KSF和工业蒙脱土均有少量沉淀没有分散。离心之后三种样品还分散着少量添加剂。K10的分散稳定性相对较好。分别配制质量分数为0.175%、0.15%的KSF和工业蒙脱土样品，超声分散30 min之后，质量分数为0175%的两个样品仍有微量沉淀，质量分数为015%的KSF和工业蒙脱土样品可以完全分散。见表1。
2.2摩擦学测试结果与分析
图3为添加不同种类蒙脱土的DOS的摩擦学测试结果。该图显示：添加0.2%不同蒙脱土的DOS样品和纯DOS样品的摩擦系数非常接近，表明蒙脱土在DOS中几乎没有减摩作用。添加0.2%蒙脱土KSF的DOS的平均磨斑直径为380 μm，添加0.2%工业蒙脱土的DOS的平均磨斑直径为387 μm，它们两者比纯DOS的磨斑直径（397 μm）略微减小，表明这两种蒙脱土在DOS中具有一定的抗磨损作用，但效果不明显；添加蒙脱土K10的DOS时磨斑直径为310 μm，与纯的DOS相比，上球磨斑直径减小了22%，利用磨斑直径可以计算出DOS时的磨损体积（即被磨损掉的球缺体积）为406522 μm3，添加K10的DOS时151483 μm3，磨损体积下降约63%。
然后选择K10为对象，进一步研究了摩擦条件对蒙脱土在DOS中的摩擦学性能的影响，结果显示见图4～图6。
图4是不同K10添加量对DOS摩擦学性能的影响规律。图4显示，添加量对DOS的摩擦系数影响较小，当K10添加量为0.2%时，DOS的摩擦系数（μ=0.1807）和平均磨斑直径最小，但摩擦系数与纯DOS（μ=0.1832）非常接近，表明蒙脱土在DOS中的减摩效果一般；平均磨斑直径随着K10添加量的增加先减小后增加，与纯的DOS相比，添加0.2%的K10的磨斑直径可以下降22%左右，表明蒙脱土K10起到了较好的抗磨作用。随着K10含量的增加，摩擦系数略有升高，但可以忽略不计；同时平均磨斑直径变化也不大。实验中观察到，K10含量过高，即使超声震荡，也很难使K10全部分散在DOS中，不能分散的固体颗粒甚至还会干扰基础油的作用，较为适宜的添加量为0.2%。
图5显示了测试温度对添加0.2% K10的DOS的摩擦学性能的影响。数据显示：40 ℃前的摩擦系数稳定在0.17左右，没有随着温度的升高呈现出明显的变化，但40 ℃后，随着温度的升高摩擦系数出现明显的上升趋势；平均磨损直径则随着温度的升高呈现逐渐上升的趋势，表明低温有利于蒙脱土K10改性DOS的摩擦学性能。
图6显示了测试载荷对含有蒙脱土K10的DOS的摩擦学性能的影响。结果表明随着载荷的增加，平均摩擦系数略微减小，变化不大。平均磨斑直径在7.84 N前基本没有变化，稳定在310 μm左右，表明载荷不高于7.84 N时，K10在DOS中的抗磨损性能能得到充分发挥，但载荷上升到9.80 N时，磨斑直径明显增加，表明过高的载荷不利于K10的抗磨损性能的发挥。
2.3磨斑表征
测试完成后，分别选择添加0.2%的三种蒙脱土DOS后的磨斑进行微观表征，包括磨斑显微图、三维图与轮廓曲线，结果显示见图7。图7（a）显示，工业蒙脱性DOS时，磨痕较深，材料表面出现了较为明显的剥落，说明黏着和磨粒磨损均较剧烈；用KSF取代工业蒙脱土后，磨斑表面受破坏也较严重（图7（b）），磨损量接近工业蒙脱性DOS时的磨损量。图7（c）为含有0.2%K10的DOS的磨斑，三维图像可以看出，磨斑表面较为平整，没有出现剥落，与工业蒙脱土相比，磨损面积从1346 μm2降到960 μm2，降低约28.7%。这再次证实了K10可改善DOS的抗磨损性能。
表面元素EDS分析结果显示在图8。图8表明，纯的DOS时，磨斑表面主要元素为铁、氧、碳、铬，当0.2% K10改性DOS时，摩擦表面出现了Si、Mg与Al等元素，它们均来自蒙脱土K10，表明K10改性DOS时，K10进入到了摩擦接触区域，参与了，并通过摩擦化学反应形成含有Si、Al与Mg等元素组成的摩擦膜，从而磨损得到降低；当用工业蒙脱土与KSF时，由于微粒尺寸大，很难进入到摩擦接触区域，因而对DOS的性能基本没有影响。
3结论
（1）三种蒙脱土相比，尺寸更小的K10比蒙脱土KSF和工业蒙脱土拥有更加优越的抗磨性能，但三种蒙脱土几乎不影响DOS的摩擦系数。
（2）与纯的DOS时相比，含0.2% K10的DOS时，磨斑直径可减小22%。K10的功能主要原因在于小尺寸的K10微粒容易进入摩擦接触面，形成含有Si、Al与Mg的摩擦膜，从而抗磨能力增强。
（3）摩擦条件对K10在DOS中的抗磨性能有一定影响，K10添加量增加时，磨斑直径先降低后增加，适宜的添加量在0.2%，但添加量对摩擦系数的影响较小；随着温度的升高，磨斑直径与摩擦系数逐渐增大；载荷增加时，摩擦系数呈下降趋势，但变化较小，磨斑直径在7.84 N前变化较小，随后明显增加。
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