水基润滑添加剂:丙二醇无规共聚醚水溶液的摩擦学性能研究

摘要:选取丙二醇无规共聚醚(Propylene glycol random copolyether,PPE)作为水基润滑液的基础添加剂,研究了PPE水溶液的摩擦学性能。试验中首先利用MRS-10型四球试验机对PPE水溶液进行摩擦磨损性能、极压性能和稳定性能试验研究,试验结果表明PPE水溶液具有较好的减摩抗磨性能和稳定性能,质量分数为10%的PPE水溶液的最大无卡咬负荷(即PB值)在755~784 N之间。然后利用NGY-6型纳米膜厚测量仪对PPE水溶液进行成膜性能研究,结果表明PPE水溶液具备较好的成膜特性,PPE的加入大大提高了纯水的成膜能力,在一定质量分数范围内其膜厚随着水溶液质量分数的增大逐渐增大。


总体而言,PPE是一种应用前景良好的水基润滑添加剂。


随着人们环保意识的增强,绿色无污染的水基润滑液引起了越来越多的关注。相比于油基型润滑液,水基润滑液由于其来源广泛、储存便利、环境友好和可生物降解等优点,正受到更多的青睐[1-4]。


纯水的润滑性能较差,同时对金属易造成腐蚀,因此可以选择合理的添加剂改善其性能[5]。聚醚作为非离子表面活性剂中的一种,其具有逆溶特性,在大多状态下能够形成良好的润滑膜。除此之外,聚醚还具有黏温特性好、耐高温、生物降解性20170415收到初稿,20171114收到修改稿好、毒性低和耐腐蚀等优点,它在水基润滑液中所占比重越来越大,国内外研究逐渐增多[6-7]。李茂生[8]研究了几种聚醚水溶液的润滑性能和防腐性能,结果表明聚烷撑乙二醇的润滑性能较好,而且抑泡性较好。孙跃涛等[9]对月桂酸无规共聚醚水溶液的摩擦磨损性能进行了研究,结果发现月桂酸无规共聚醚水溶液具备了较好的减摩性能但其成膜能力相对较低。黄宝成[10]研究了丙二醇无规共聚醚和油酰三乙醇胺混合溶液的摩擦学性能,结果表明二者具有较好的协同效果,润滑良好。与此同时,国外对于聚醚的研究也取得了一定的进展[11]。


丙二醇无规共聚醚(Propylene glycol random copolyether,PPE)是由丙二醇为起始剂而合成的环月2018年1月顾军等:丙二醇无规共聚醚水溶液的摩擦学性能研究145氧乙烷和环氧丙烷的共聚物。PPE分子结构中既含有疏水性的环氧丙烷基和十一烷基,也含有亲水性的羟基和环氧乙烷基,它是一种重要的非离子表面活性剂,可作为水基润滑液的基础添加剂[12]。


本研究选取PPE作为研究对象,对PPE水溶液进行摩擦学性能研究,分析其减摩抗磨机理,以期能够为环保型水基润滑添加剂提高理论和试验指导。


1试验部分


1.1添加剂的选择


试验所用添加剂为丙二醇无规共聚醚(PPE,江苏海安石油化工),PPE常温下为无色液体,能够全溶于水,具有良好的润滑特性,还可用于日用化妆品中。与此同时,PPE分子中只含有C、H、O三种元素,不含有P、S等有害元素,绿色环保,在自然界中生物降解性好,是一种新型环保的绿色添加剂。


1.2试验设备与方案


试验中使用济南试金集团生产的MRS-10A型四球试验机对减摩抗磨性能进行分析,分别从质量分数、载荷和转速三个方面进行长磨试验研究,考察其减摩抗磨性能。试验时间为30 min,每隔10 s记录一次试验数据,求取摩擦因数的平均值,试验结束后利用Olympus显微镜对四球试验机下面三个钢球的磨斑进行测量,求取钢球磨斑直径的平均值。


试验中使用上海钢球厂制造的GCr15钢球,钢球直径为12.7 mm,表面粗糙度为467 nm。极压性能的考察主要在四球试验机上进行,根据GB/T12583-1998《润滑剂极压性能测定法(四球法)》[13]对PPE水溶解进行极压性能测试。稳定性能主要研究摩擦因数随时间的变化情况,该试验使用四球试验机,每隔10 s记录一次数据。


成膜性能是考察PPE润滑性能好坏的一个重要方面,试验使用NGY-6型纳米膜厚测量仪(清华大学摩擦学国家重点实验室),其膜厚方向分辨率小于0.5 nm,测量范围为0~150 nm,主要从质量分数方面对PPE的水溶液进行成膜能力分析。试验中使用直径为7/8英寸的钢球,其精度为二级,以及摩擦副表面镀铬的玻璃膜圆盘,润滑方式采用全浸泡,示意图如图1所示。


试验前用去离子水分别配制质量分数为1%、5%、10%、15%、20%和25%的PPE水溶液,充分溶解后对水溶液进行摩擦学性能研究。

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2试验结果与讨论


2.1减摩抗磨性能试验分析


2.1.1质量分数对减摩抗磨性能的影响


首先对不同质量分数的PPE水溶液进行减摩抗磨试验分析。试验条件:载荷为750 N,转速为1 200r/min,长磨时间为30 min,质量分数依次为1%、5%、10%、15%、20%和25%。试验结果如图2所示。

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图2为不同质量分数的PPE水溶液对减摩抗磨性能的影响。从图中可以看出,PPE水溶液的摩擦因数随质量分数的增加先减小后增大,变化范围为0.0593 0~0.087 2,误差带为-0.009 4~0.018 4。随着质量分数的增大,摩擦因数逐渐减小,减摩性能增强,当水溶液质量分数为15%时,摩擦因数达到最小,这主要是由于PPE分子已在钢球表面形成了饱和吸附,而吸附膜能够有效隔开两摩擦副表面,达到了较好的润滑效果。当水溶液质量分数超过15%时摩擦因数出现上升趋势,减摩性能有所降低,这主要是因为质量分数较高造成水溶液黏度增大,分子内部剪切应力有所增大,宏观表现为摩擦因数增大。观察钢球表面磨斑直径的变化可以看出,PPE水溶液钢球磨斑直径的变化趋势与摩擦因数基本保持一致,随着水溶液质量分数的升高,磨斑直径先减小后增大,其变化范围位于0.550~0.713 mm之间,说明PPE水溶液质量分数较高或者较低对抗磨性能均不利。当较低质量分数时,PPE分子不能形成良好的吸附,形成的分子吸附膜尚未达到饱和,不足以隔开摩擦表面;当较高质量分数时,水溶液中的本体相和表面相形成的胶束尺寸较大,聚集物的堆积度有所减小,这两个方面均影响了膜的承载能力[14]。


2.1.2载荷对减摩抗磨性能的影响


其次对不同载荷下的PPE水溶液进行减摩抗磨试验分析。试验条件:质量分数为10%,转速为1 200r/min,长磨时间为30 min,载荷变化依次为150 N、300 N、450 N、600 N、750 N和900 N,试验结果如图3所示。

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图3为不同载荷对PPE水溶液减摩抗磨性能的影响。从图中可以看出,PPE水溶液的摩擦因数随着载荷的增大先减小后增大,变化范围位于0.060 3~0.071 1之间,误差带为-0.009 6~0.001 1,当试验载荷为600 N时摩擦因数达到最小,较196 N作用下的摩擦因数减小了15.2%。随着载荷的逐渐增大,摩擦因数减小,但达到一定值(600 N)后摩擦因数增大,这主要是因为随着载荷的增大,摩擦副表面逐渐生成比较稳定的化学反应膜,减小了摩擦;而当载荷大一定值后,反应膜逐渐被破坏,摩损加剧,故摩擦因数有所增大[15]。水溶液钢球磨斑直径的变化规律较为统一,随着载荷的增大,磨斑直径逐渐增大,900 N作用下钢球表面的磨斑直径较150N时增大了51.8%,这是因为载荷的增大使得接触应力增大,进而接触面积增大,说明载荷越大,抗磨效果较差。


2.1.3转速对减摩抗磨性能的影响


最后对不同转速下的PPE水溶液进行减摩抗磨试验分析。试验条件:质量分数为10%,载荷为750N,长磨时间为30 min,转速变化依次为400 r/min、600 r/min、800 r/min、1 000 r/min、1 200 r/min和1 400 r/min。试验结果如图4所示。

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图4为不同转速对PPE水溶液减摩抗磨性能的影响。由图4可以看出,摩擦因数随着转速的增大先减小后增大,变化范围位于0.058 7~0.085 3之间,误差带为-0.011 2~0.014 3,当试验转速达1 000r/min时,摩擦因数达到最小,相比于400 r/min下的摩擦因数减小了31.2%,随着转速的继续增大,摩擦因数逐渐增大,这主要是由于较高转速作用下,同一时间内钢球两摩擦副接触表面的粗糙峰顶动态接触率增大,故摩擦因数增大。PPE水溶液钢球磨斑直径的变化趋势与摩擦因数正好相反,随着转速的增大,磨斑直径逐渐增大,最大达到了0.723 mm,这主要是因为转速增大导致相同时间内钢球表面粗糙峰切削次数增多,新旧粗糙峰的更替时间加快,在一定时间内钢球磨斑直径会有所增大。当试验转速超过1 000 r/min以后,磨损减少,磨斑直径减小,抗磨性能有所提高,这是由于较高的速度有利于流体膜的形成,从而减少了表面的接触磨损[16]。图4转速对减摩抗磨性能的影响2.2极压性试验分析


试验条件:质量分数为10%,转速为1 760r/min,试验时间为10 s。通过测量四球试验机下面三个钢球的磨斑直径求取平均值,然后进行统计并作图。


表1为质量分数10%的PPE水溶液极压性能测试结果统计表,其中Db为补偿直径。当试验载荷达到883 N时,5 s左右即出现尖锐的响声,此时测得磨斑直径已经超过1.05倍的Db很多,表明PPE水溶液的初期卡咬负荷在883 N左右,此时的润滑膜已达到极限剪切应力,润滑膜表现出黏塑性性质,界面上的膜或者润滑膜内部将出现滑动,致使膜的月2018年1月顾军等:丙二醇无规共聚醚水溶液的摩擦学性能研究147承载能力逐渐丧失,润滑膜逐渐被破坏,宏观上表现为磨斑直径突然增大。


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将各个载荷下测得的平均磨斑直径与国标值绘制图表,如图5所示。从图5中可以得到,质量分数10%的PPE水溶液的PB值在755~834 N之间,而纯水的最大无卡咬负荷一般认为不会超过98 N,这说明PPE的引入能够很大程度上提高纯水的PB值,表现出更好的极压性能。

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2.3稳定性试验分析


试验条件:转速为1 200 r/min,载荷为400 N,PPE水溶液的质量分数分别为1%、10%和25%,长磨时间为30 min,试验结果如图6所示。


图6为不同质量分数下摩擦因数随时间的变化情况。从图中可以看出,三种质量分数下的PPE水溶液均呈现出较好的变化情况,稳定后摩擦因数均小于0.1。当质量分数为1%时,摩擦因数波动稍大,这主要是因为水溶液黏度较低,在薄膜润滑中形成的流体膜稳定性不良,与此同时较低质量分数下水溶液中的PPE分子不能够较好的吸附在钢球摩擦副表面,形成良好的吸附。当PPE水溶液质量分数为10%和25%时,水溶液摩擦因数波动明显减少,600s左右基本变化不大,稳定性相对于1%水溶液有明显提高,表明PPE水溶液在较高质量分数下稳定性更好。


图6在不同质量分数下摩擦因数随时间变化关系通过对比10%和20%两种质量分数下PPE水溶液的摩擦因数随时间的变化情况可以发现,在磨合初期(即初期磨损阶段)摩擦因数波动相对较大,正如在0~600 s间摩擦因数的变化,这主要是因为钢球摩擦副表面具有微观和宏观的几何缺陷,使接触面在摩擦时的实际接触点压力高,因而磨损剧烈,摩擦因数波动较大[17]。当进入稳定磨损阶段时,正如在600 s以后摩擦因数波动较小,这是因为PPE具有逆溶特性,随着水溶液温度升高,溶质在摩擦副表面发生了摩擦化学反应以及部分溶质逆溶析出并作用于摩擦副表面起到了良好的润滑效果[9],摩擦表面经过磨合以后达到了稳定状态,磨损量基本保持不变,摩擦因数较为稳定。


2.4成膜性能试验分析


试验条件:载荷为30 N,质量分数分别为0.5%、1%、5%和10%,线速度从0到600 mm/s逐渐递增。


试验结果如图7所示。

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图7质量分数对PPE水溶液膜厚的影响图7为30 N的载荷下PPE水溶液质量分数变化对膜厚的影响。从图7中可以明显看出,当质量分数为0.5%时,水溶液的稳定膜厚不到10 nm,表明低质量分数时水溶液在摩擦副表面并不具备良好的成膜能力,成膜性能较差,这主要是因为较低质量分数的PPE水溶液未能在固/液表面形成良好的吸附,稳定性较差。但是在质量分数为1%、5%和10%时,相比于0.5%的水溶液,其膜厚均有所增大,成膜能力明显提高,说明较高质量分数的PPE水溶液成膜能力更佳。


通过对比以上四种质量分数下的膜厚变化可以发现,在一定质量分数范围内,随着线速度的增大膜厚逐渐增大,随着质量分数的增大膜厚也有所增大。当PPE水溶液质量分数大于1%时,成膜能力较好,膜厚最终稳定在13 nm以上,而纯水的成膜能力较低,膜厚一般在10 nm左右[18],故PPE的加入有利于提高纯水的成膜能力。


3讨论


PPE作为一种非离子表面活性剂,分子中既含有疏水性的非极性基团,也含有亲水性的极性基团。


PPE加入到纯水中以后可以在水中形成胶束,试验时水溶液中的极性基团优先于水通过分子间作用力牢固的吸附在表面形成吸附膜,吸附膜中的极性分子平行并垂直于摩擦接触表面,各层分子依靠分子间内聚力紧密的排列在一起,而非极性基团则整齐的排列在外部,这使得吸附膜具备一定的承载能力。


在摩擦磨损过程中形成的吸附膜能够隔开两摩擦副接触表面,起到良好的润滑效果,同时吸附膜的存在还可以降低摩擦副之间的氧化磨损、微动磨损和黏着磨损,从而起到一定的抗磨作用。但是吸附膜的承载能力有限,因此当剪切应力超过极限应力值后,润滑膜逐渐被破坏,承载能力逐渐丧失,出现磨损加剧现象。


PPE在水中具有逆溶特性,在温度较低时溶解度较大,水溶液呈现透明状态,随着试验的进行,温度升高,其溶解度逐渐减小,PPE从溶液中析出使得溶液出现浑浊,当温度超过PPE的浊点后,可以在钢球表面形成聚醚液滴,起到良好的润滑效果。


在边界润滑中,黏度对润滑性能影响不大。而在薄膜润滑中,黏度、载荷和线速度是影响膜厚的主要因素[19],PPE水溶液质量分数升高,黏度增大,膜厚也有所增大,表明PPE水溶液的润滑方式主要是薄膜润滑,同时伴有混合润滑。


PPE作为一种新型的绿色添加剂,润滑效果较好,其水溶液在试验下的摩擦因数均小于0.1,而纯水润滑条件下的摩擦因数位于0.20~0.35之间[20],


相比于未加入之前,加入后的PPE水溶液减摩效果较为明显,这在一定程度上提高了纯水的摩擦学性能。PPE水溶液质量分数的变化对于其摩擦因数波动有一定影响,这也解释了质量分数对于水基润滑液宏观性能的重要性,在实际工作过程中质量分数不应太低,以避免稳定性较差,减摩抗磨性能较差。


4结论


(1)PPE水溶液具备良好的减摩抗磨性能,试验中摩擦因数均小于0.1且稳定性较好。


(2)PPE的加入提高了纯水的成膜性能,具有较好的承载能力,质量分数10%的水溶液PB值在755~784 N之间,极压性能较纯水有明显提高。


(3)PPE水溶液具有良好的润滑性能,但在实际应用中还需进一步研究。


顾军,张朝辉,黄宝成,王磊,李宽宽(北京交通大学机械与电子控制工程学院北京100044)


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