硫、磷复合极压抗磨添加剂在绿色润滑剂基础油中的摩擦学性能研究

摘要

人类为了可持续发展面临着资源和环境两个重大问题。当今社会，人们对石油产品的依赖越来越强，石油资源的供需矛盾日益突出，世界原油价格飞涨；从环境保护的角度来看：石油产品对大气、河流湖泊、森林、农田等的污染问题也日益严重。在这种形势下，我们不得不考虑石油产品的替代问题。就润滑油产品而言，目前，全球润滑油年消耗量约为3800万吨，我国润滑油年消耗量约为400万吨，其中矿物油所占比例在90％以上，其余一小部分为合成油。据估计，约有10％的润滑油通过各种途径流入到环境中去。由于矿物油的生物降解性差，含多环芳烃等有害物质，它在使用过程中，因渗透、泄漏及溢出等方式进入环境引起污染，破坏生态平衡，危及人体健康。近年来，人们对自身的生存环境愈加关注，油品的污染已引起重视，欧洲许多国家如德国、瑞典、奥地利等相继立法控制润滑油的排放及污染。 政府干预、立法限制、终端用户所需及润滑剂制造商等的共同作用，推动了绿色润滑剂的不断发展。品种由最初的菜籽油到改质植物油、合成酯。世界范围内，绿色润滑剂的市场占有率由1997年的1％到目前的10％。由此可见绿色润滑剂的需求发展之快，这一点也说明了人们对环保的关注。目前尚无绿色润滑剂的统一标准，ISO现正拟定环境可接受液压油的标准(ISO/DIS15380.2000)，它是在满足液压油的一般要求外，增加了生物降解性、毒性、抑制性等指标。尽管现有指标各异，但均对降解性及生态毒性有一定要求。 现代润滑剂是由约90％的基础油和10％的添加剂组成，因此基础油是影响润滑剂生物降解性能的决定因素。绿色润滑剂的基础油主要有：天然植物油、合成基础油(酯类等)、改进的工业基础油(烃类油及PAO等)。天然植物油具有粘度指数高、无毒、具有极好的生物降解性、低挥发性、良好的润滑性，且属于可再生资源。但同矿物油相比较，存在以下缺点：热氧化稳定性差、水解安定性不好、价格较高等。目前，研究人员正在通过各种方式对植物油加以改进，以使其达到或接近矿物油的各项使用性能。 由于天然植物油在分子组成结构、理化性质、摩擦学性能等方面不同于传统烃类结构的矿物油，所以对添加剂的感受性与作用机理也不相同，这就需要我们对那些通常用于矿物油的添加剂在植物油中的使用性能进行重新研究认识。 本文以纯天然菜籽油为基础油，在四球摩擦磨损试验机上对比考察了几种含硫、含磷元素极压抗磨添加剂的摩擦学性能，并且重点对硫、磷复合极压抗磨添加剂在菜籽油中的摩擦学性能进行了研究。通过大量的摩擦学试验，对不同类型的含硫和含磷极压抗磨添加剂在菜籽油中的响应性和协同效应进行了分析研究，并利用扫描电子显微镜(SEM)、能量分散谱仪(EDS)和X射线光电子能谱仪(XPS)等现代表面分析测试仪器对金属磨损表面的元素化学状态进行了分析，探讨了硫、磷复合极压抗磨添加剂的减摩抗磨作用机理。结果表明：含硫和含磷极压抗磨添加剂的复合可以产生增效作用，即含硫剂与含磷剂的复合比单独使用单剂时，使菜籽油的极压抗磨性能得到不同程度的提高。在摩擦过程中，钢球表面发生了基础油的化学吸附以及添加剂的化学吸附和摩擦化学反应，生成由菜籽油和添加剂摩擦化学反应产物组成的边界润滑膜。 本文的研究结果表明：含硫剂与含磷剂复合时，其协同效应随分子结构的不同存在很大差异。本文选择不同分子结构类型的含硫剂和含磷剂的复合，在不同负荷、不同摩擦时间、不同添加剂加量的条件下，进行了大量的摩擦学试验分析，结果表明：含硫剂与含磷剂两者复合使用时，含硫添加剂主要起极压剂的作用，含磷添加剂主要起抗磨剂的作用；恰当的硫、磷元素比非常重要，对极压抗磨性的影响非常显著。随着摩擦时间、负荷的变化，硫、磷添加剂的极压、抗磨性表现优势互补，从而提高了菜籽油的承载能力和抗磨性能。研究结果表明：二苄基二硫化物与硫代磷酸复酯胺盐的复合，在硫、磷元素比为7.87/1时，增效作用最优。本文还利用人工神经网络技术，建立了二苄基二硫化物与硫代磷酸复酯胺盐在菜籽油中摩擦规律的神经网络系统模型。 本文应用三层BP神经网络建立了硫磷复合极压抗磨添加剂在菜籽油中摩擦行为的仿真模型，通过模型检验，该神经网络系统模型可以准确反映硫磷复合剂在菜籽油中摩擦行为的特点。在作用负荷、摩擦时间和添加剂加量与磨斑直径之间建立起了非线性影射，具有良好的联想功能。利用该神经网络模型，用户可根据分析计算的需要，利用训练好的人工神经网络按某一预先设定的负荷、摩擦时间和添加剂加量条件下对磨斑直径进行预测，可有效节省人力物力； 本文还以二苄基二硫化物与硫代磷酸复酯胺盐按最佳硫、磷比配制成复合极压抗磨剂，以二烷基二硫代磷酸锌为抗氧抗腐剂，中碱值烷基水杨酸钙和丁二酰亚胺为清净剂和分散剂，聚α-烯烃为降凝剂在菜籽油中进行复配后的摩擦学试验。试验结果表明：硫磷复合剂与抗氧抗腐剂及降凝剂复配时，在提高菜籽油承载能力方面，硫磷复合剂与抗氧抗腐剂都可以提高其承载能力，但在改善抗磨性方面，两者有对抗效应。降凝剂对承载能力和抗磨性均无明显影响；硫磷复合剂与清净剂及分散剂复配时，硫磷复合剂可以提高菜籽油的承载能力，但丁二酰亚胺和中碱值烷基水杨酸钙由于在摩擦表面产生竞争吸附，和硫磷复合剂有对抗效应，影响硫磷复合剂对承载能力的提高。但在改善抗磨性方面，硫磷复合剂加量过大会产生腐蚀磨损，不利于抗磨性能的提高。

目录

文摘

英文文摘

论文说明：论文研究所用材料及术语代号表

论文独创性声明及知识产权权属声明

第一章绪论

第二章绿色润滑剂

第三章润滑剂的摩擦化学与极压抗磨添加剂

第四章植物油的摩擦学性能研究

第五章摩擦化学的研究方法和本文试验方案

第六章硫、磷极压抗磨添加剂在植物油中的复合效应研究

第七章硫、磷复合极压抗磨添加剂在菜籽油中的摩擦学性能研究

第八章基于神经网络的硫磷复合剂在菜籽油中摩擦学性能的仿真模型

第九章硫、磷复合极压抗磨剂在菜籽油中与其它添加剂间的复配性能

第十章论文总结

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文

致谢