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现代润滑油五大添加剂之六:油性剂(摩擦改进剂)

作者:广西立铖钢业有限公司 浏览:

油性剂(或摩擦改进剂)是指在边界润滑条件下能增强润滑油的润滑性、降低摩擦系数和防止磨损的化学品。

在边界润滑条件下,摩擦副间不存在流动的油膜层,其摩擦系数的大小与润滑油的黏度无关,主要取决于加入的添加剂。人们把能够减小摩擦副间摩擦和磨损、防止摩擦面烧结的各种添加剂统称为载荷添加剂( load-carring additive)。载荷添加剂按其作用性质可分为油性剂(摩擦改进剂)、抗磨剂和极压刹三类。

在低负荷下能通过吸附在金属表面形成吸附膜来减少摩擦和磨损的添加称称为油性剂(oilness agents),有时也称为减摩剂(friction redueer)。在中等负荷及速度条件下,摩擦面温度会升达150℃,油性剂会丧失吸附能力,发生脱附。这时需使用在高温下能与金属表面作用生成保护膜的添加剂,这样的添加剂称为抗磨剂(antiwear agents),也称中等极压剂。在低速高负荷或高速冲击摩擦条件下,即所谓极压条件下,摩擦面容易发生烧结,抗磨添加剂也无能为力。为防止烧结面使用的添加剂称为极压剂(extreme pressure agents或简称"EP"剂)。极压剂在摩擦面上能与金属反应生成剪应力和熔点都比原金属低的化合物,构成极压固体润滑膜,可防止摩擦面烧结。


通常抗磨剂和极压剂往往都具有一定的减摩作用, 抗磨剂也在一定程度具有抗极压的作用。因此,油性剂、抗磨剂和极压剂三者之间的区别并不是很明显,尤其抗磨剂和极压剂之间,有时很难区分,在某些应用中被归类为抗磨剂,而在另一些应用中则被归类为极压剂,有些添加剂兼具有极压和抗磨两种性质,因此按国内石油添加剂的分类,把载荷添加剂分成油性剂和极压抗磨剂两类。


油性剂通常是动植物油脂或在烃链末端有极性基团的化合物,这些化合物对金属有很强的亲和力,可通过极性基团吸附在摩擦面上形成分子定向吸附膜,阻止金属互相间的接触,从而减少摩擦和磨损。早期用来改善油品润滑性的多为动植物油脂,故称油性剂;后来发现不仅动植物油脂有这种性质,其他某些化合物也有同样性质,如有机硫化物、有机硼化物、有机钼化物、含硫磷化合物等。目前把能降低摩擦面间摩擦系数的物质统称为摩擦改进剂(Friction Modifier, 简称FM),因此摩擦改进剂的范围比油性剂更为广泛。油性剂的吸附膜多数为物理吸附膜(部分为化学吸附膜),物理吸附是可逆的,温度升高后会脱附,因此油性剂只有在温度较低、负荷较小的情况下较为有效

目前在国内外摩擦改进剂得到越来越多的重视,特别是为了节省能源,推出了燃料经济型发动机油,扩大了摩擦改进剂的应用。所谓燃料经济型发动机油是指黏度低而其他性能,如润滑、黏温、抗磨等性能都能满足发动机要求的润滑油,可采用在黏度低黏温性能好的基础油中加入摩擦改进剂来实现。这种低黏度润滑油有利于降低“液体摩擦”,而加入的摩擦改进剂有利于降低“固体摩擦”,从而达到节能的目的。这是因为不同的摩擦面之间的摩擦系数是不同的,无润滑表面的摩擦系数约为0.5,甚至高达7;抗磨/极压膜的摩擦系数约为0.1~0.2;摩擦改进剂形成的膜的摩擦系数约为0.01~0.02;流体润滑的摩擦系数约为0.001~0.006。也有人根据在摩擦面形成膜的摩擦系数来区别摩擦改进剂和极压/抗磨剂的差别,把膜的摩擦系数约为0.01的添加剂称摩擦改进剂,摩擦系数约为0.1的定义为极压抗磨剂。


组成结构

油性剂大多是一些极性有机化合物,分子由极性基团与烃基组成。用作油性剂(摩擦改进剂)的主要是动植物油脂、脂肪酸、酯、胺、高级醇、硫化油脂(酯)等。除此之外一些含硫磷的化合物、有机金属化合物、固体润滑剂(如石墨、二硫化铝、聚四氟乙烯等)也具有减摩的作用,这些化合物在边界润滑条件下可作为摩擦改进剂使用,在极压条件下也可作为极压抗磨剂使用。

在油性剂的结构中,极性基团或烃基类型不同,其减摩性能也不同。极性基团在金属表面的吸附力越强,形成的吸附膜越牢固,其减摩效果越好,适用的温度范围越宽。烃基结构中,长链烷基的减摩效果比其他结构的烃基要好,极性基在长链末端时的减摩效果比在长链其他位置时的减摩效果好。对于含硫磷及有机金属类的摩擦改进剂,其在低温时与金属表面间的吸附力较弱,通常只有在温度较高时才能与金属通过化学作用在金属表面形成具有减摩作用的吸附膜。固体润滑剂的减摩效果般不受温度的影响, 在低温和较高温度下都具有较好的减摩作用。

降凝剂浓度和石蜡结晶形态变化的关系

由图可看出,加人GMO(单油酸甘油酯)的润滑油,在温度较低时具有良好的减摩效果,随温度的升高,减摩效果逐渐变差。加人两种二硫代氨基甲酸钼Mo(A)和Mo(B)的润滑油,在温度较低时减摩效果很差,但当温度升高到一定程度(120℃)后,其减摩效果随温度升高而迅速提高。这也说明,摩擦改进剂的类型不同,其在摩擦副表面形成吸附膜的方式不同,吸附膜适用的温度范围也不同。单油酸甘油酯为物理吸附,因此,温度较高时会发生脱附现象,减摩效果就会变差。而二硫代氨基甲酸钼在温度较高时才会与摩擦副表面反应形成化学吸附膜, 因此在温度较高时二硫代氨基甲酸钼才具有良好的减摩作用。


品种及应用

摩擦改进剂的种类很多,按是否含有金属元素可分为有灰型和无灰型两类。无灰型摩擦改进剂常含有氧、硫、磷、硼、氮等非金属元素,如脂肪酸、脂肪醇、脂肪胺、酰胺、长链亚磷酸酯、硫磷硼酸酯、羟基醚胺等。有灰型摩擦改进剂主要指有机硫磷酸铝、氨基甲酸钼等。按使用习惯及摩擦改进剂的结构可分为油性剂、非油溶性摩擦改进剂、油溶性摩擦改进剂等,其详细分类如表所示。

摩擦改进剂的类型

种类
化合物
油性剂

有机化合物

油酸、硬脂酸,二聚酸乙二醇酯、脂肪醇、脂肪胺、酰胶等

有机聚合物

无规聚丙烯等

有机硫化物

确化油酸、硫化动植物油、硫化鲸鱼油代用品

非油溶性摩擦改进剂

固体润滑剂

石墨、二硫化钼、聚四氟乙烯

油溶性摩擦改进剂

有机金属化合物

二烧基二硫代磷酸们、二烷基二碗代氨基甲酸钼等

有机化合物二烧基亚磷酸酯、陉基酯类、硼酸类、亚胶系化合物等

摩擦改进剂主要用于自动传动液、齿轮油以及内燃机油等领域。目前,常用的摩擦改进剂主要有脂肪酸、脂肪醇类、脂肪胺及其衍生物、硫化鲸鱼油代用品、有机钼化合物等。

(1)脂肪酸、脂肪醇类

常用的脂肪酸有油酸[ CH3(CH2)7-CH〓CH-(CH2)7COOH ]和硬脂酸[ CH3(CH2)16COOH ],对降低静摩擦系数效果显著,因此润滑性好,可以防止导轨在高负荷及低速下出现粘滑,但油溶性差,长期储存易产生沉淀,且对金属有一定的腐蚀作用。脂肪醇和脂肪酸酯在铝箔轧制油中有较好的减磨性能,如辛醇、癸醇、月桂醇、油醇等均有较好的减磨性能;对相同系列的油性剂,随碳链的增长,摩擦系数减小。

(2)脂肪胺及其衍生物

常用的脂肪胺类油性剂主要有十六烷胺[ CH3( CH2) 14CH2NH2]和十八烷胺[ CH3(CH2)16CH2NH2],脂肪胺类油性剂具有吸附能力强、脱附温度高、减摩性能好的特点,常用于车辆齿轮油。

脂肪胺衍生物主要为长链脂肪胺和苯三唑脂肪胺盐,这些化合物除具有好的减摩性能外,还具有防锈和抗氧化性能,属多功能添加剂,而且与含硫极压剂复合有很好的协同效应。脂肪胺衍生物的代表性化合物有油酰胶、苯三唑十八胺盐等。

(3)硫化鲸鱼油及其代用品

鲸鱼油与大多数天然动植物油是由长链不饱和脂肪酸的三甘油脂组成不同,它主要由长链不饱和脂肪酸和长链不饱和脂肪醇的单酯构成(单酯约74%,三甘油酯约26%)。因此硫化鲸鱼油在高黏度的石蜡基础油中具有良好的热稳定性、极压抗磨性、减摩性,与其他添加剂的相容性好,作为油性剂和极压剂在齿轮油、导轨油、蒸汽汽缸油、汽油机磨合油和润滑脂中得到了广泛应用。自1971年多数国家开始禁止捕鲸,禁止使用鲸鱼油及鲸鱼副产品后,需要鲸鱼油的各公司开展了大量鲸鱼油代用品的研究工作,开发出了很多不同的硫化鲸鱼油代用品。

硫化鲸鱼油代用品大致有三条路线:一是从动植物油制得的混合脂肪酸(饱和脂肪酸和不饱和脂肪酸)与脂肪醇反应生成脂肪酸酯,然后再硫化;二是将动植物油与α烯烃按一定的比例混合后,然后再硫化;三是将动植物油与脂肪酸酯以一定比例混合后,然后再硫化。硫化鲸鱼油代用品通常由烷基硫醚、硫化酯、硫化甘油三酸酯、烷基甘油三酸酯硫醚、二(甘油三酸酯)硫醚等化合物中的一种或几种组成。

国内有两类硫化鲸鱼代用品: 一是植物油直接硫化,如硫化棉籽油;二是植物油与α-烯烃按一定的比例混合后,再硫化,如硫化烯烃棉子油。其特点是油溶性好,对铜片腐蚀性小,可用于切削油、液压导轨油、导轨油、工业齿轮油和润滑脂

(4)有机钼化合物

有机钼化合物有很好的减摩性,能降低运动部件之间的摩擦系数,是很好的摩擦改进剂。常用的化合物有二烷基二硫代磷酸钼( MoDDP)、二烷基二硫代氨基甲酸钼( MoDTC)、硫化二烷基二硫代磷酸氧钼、硫化二烷基二硫代氨基甲酸氧钼等化合物,这类化合物除具有减摩性外还具有抗氧性和极压抗磨性,常用于内燃机油和润滑脂中。有机钼化合物的作用与其结构及加入量有关。


常用有机钼化合物的主要作用及用途

化合物类型

分类

性能

主要用途
MoDTC

油分散型

抗磨剂

极压剂

抗氧剂

润滑脂

油溶型

摩擦改进剂

抗氧剂

抗磨剂

发动机油

MoDDP油溶型

摩擦改进剂

抗磨剂

发动机油,切削油、加工油


硫化二烷基二硫代磷酸氧钼可作为润滑油、润滑脂的摩擦改进剂和极压抗磨剂使用。在内燃机油中加入0.5% ~2.0%作摩擦改进剂,当添加2%时,燃料经济性可提高5%~6%。在润滑油、润滑脂中加0. 5% ~ 1. 0%时作抗氧剂,添加1. 0% ~3.0%作极压抗磨剂。

现代润滑油五大添加剂之六:油性剂(摩擦改进剂)
油性剂(或摩擦改进剂)是指在边界润滑条件下能增强润滑油的润滑性、降低摩擦系数和防止磨损的化学品。 在边界润滑条件下,摩擦副间不存在流动的油膜层,其摩擦系数的大小与润滑油的黏度无关,主要取决于加入的添加剂。人们把能够减小摩擦副间摩擦和磨损、防止摩擦面烧结的各种添加剂统称为载荷添加剂( load-carring additive)。载荷添加剂按其作用性质可分为油性剂(摩擦改进剂)、抗磨剂和极压刹三类。
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