中长链脂肪酸酯润滑基础油的摩擦学性能研究

程 忠 ，吴 莉 ，温瑞瑞 ，王锐涛，高新蕾＊

（1.武汉轻工大学 化学与环境工程学院，武汉 430023；2.武汉工程大学 化工与制药学院 绿色化工过程省部共建教育部重点实验室湖北省新型反应器与绿色化学工艺重点实验室，武汉 430073）

不同碳链的脂肪酸可从丰富的天然资源提取，脂肪酸通常是由脂肪或生物油的酯键水解而制备.最常见的脂肪酸碳链在4～28个碳，碳原子数通常是偶数，而C8～C18脂肪酸更常用于酯类润滑基础油的制备［1］.酯类油［2－3］的润滑性能取决于分子中极性功能团（酯基在摩擦表面的强吸附作用）和脂肪酸的长碳链对摩擦表面的覆盖，并在摩擦表面上形成界油膜，使摩擦表面受到保护，因而酯类油的润滑性能一般优于同黏度的矿物油［4］.酯类润滑油由于其生物降解性良好，无毒及原材料廉价等优点而成为环境友好润滑剂的优秀基础油［5］.

目前，国内外学者主要集中研究原料酸碳链长为C4～C10的脂肪酸多元醇酯作为润滑基础油的摩擦学性能，对长碳链脂肪酸多元醇酯的润滑油摩擦学性能的相关研究报道还不多，基于此，本文利用原料酸碳链长为C10～C18偶数的脂肪酸与多元醇酯化反应，合成一系列中长碳链脂肪酸酯类化合物，初步探索中长链脂肪酸酯在不同载荷下所表现出的摩擦磨损性能，即以5种脂肪酸、1，4－丁二醇及甘油为原料，利用对甲苯磺酸作催化剂，采用直接酯化法［6］合成脂肪酸丁二酯、脂肪酸甘油三酯.在四球摩擦磨损试验机上考察10种脂肪酸酯的摩擦学性能，为在不同工况下的润滑基础油的选择提供科学依据.

1 实验部分

1.1 酯类基础油的制备

将癸酸、月桂酸、肉豆蔻酸、棕榈酸、硬脂酸这5种脂肪酸分别与1，4－丁二醇和甘油进行酯化反应.在配有回流冷凝管、温度计、搅拌子、分水器的500mL的三口烧瓶中加入一定摩尔比（脂肪酸丁二酯的酸醇比2.1∶1，脂肪酸甘油三酯的酸醇比3.1∶1）的脂肪酸和醇，在氮气保护下加热到150℃.再加入1%反应物总质量比的对甲苯磺酸作为催化剂，在150～160℃下反应4～5h得到粗产物.将粗产物溶解于石油醚和乙醇的1∶1混合液中，再用5%的氢氧化钠溶液洗3 次，除去未反应完全的脂肪酸，然后用水洗至中性，洗涤的过程中保持温度在50～60℃，防止温度过低，产物出现凝固.最后旋转蒸馏除去产物中的石油醚、乙醇及水，得到脂肪酸酯.按照上述方法，制备得到10种酯类润滑基础油.

1.2 四球摩擦磨损试验及表征方法

采用MR－S10B四球机（济南试金集团有限公司制造）测定酯类润滑基础油的摩擦学性能.实验摩擦副为点－点接触形式，GCr15 的钢球符合GB308标准，直径12.7mm，硬度为59～61HRC.按照GB／T3142－48方法测定酯类基础油的最大无卡咬载荷（PB值）.由于所制备的酯在常温下均为固态，因此长磨试验测试温度为85℃，转速为1 250r／min，载荷分别为196 N，294 N，392 N，490N，588N，试验时间9999s.采用光学显微镜观测3粒钢球的磨斑直径，并取3次测量的平均值作为磨损的评价［7］.

2 结果与讨论

2.1 最大无卡咬负荷（PB值）

从表1和表2可以看出，随着脂肪酸碳链的增加，脂肪酸丁二酯和脂肪酸甘油三酯的PB值都有显著的提高，但是当脂肪酸碳原子数增加到16或18时，酯的承载能力有下降的趋势，脂肪酸甘油三酯要比脂肪酸丁二酯的承载能力下降明显，棕榈酸丁二酯表现出最优的承载能力647N.总体上看，脂肪酸碳原子数为10～18的范围内，在85℃下脂肪酸丁二酯的承载能力要比脂肪酸甘油三酯的承载能力好.

表1 脂肪酸丁二酯在85℃下的承载能力Tab.1 Carrying capacity of fatty acid butanediol ester under 85℃

表2 脂肪酸甘油三酯在85℃下的承载能力Tab.2 Carrying capacity of fatty acid triglycerides under 85℃

2.2 摩擦系数及磨斑直径分析

表3和表4为脂肪酸酯在85℃下的长磨试验结果，其中“—”表示试验过程中载荷太小，摩擦过程中产生的摩擦力很小.由于传感线钢丝较粗，导致摩擦系数测不准，实测值为负数.“卡咬”表示在长磨试验过程中，钢球表面间油膜破损，导致金属表面间直接接触，酯类润滑油无法再继续发挥抗磨减摩的作用，此时机器发生刺耳的尖叫，人为停止机器运转.

表3 脂肪酸丁二酯在85℃下的长磨试验Tab.3 Long friction test of fatty acid butanediol ester under 85℃

表4 脂肪酸甘油三酯在85℃下的长磨试验Tab.4 Long friction test of fatty acid triglycerides under 85℃

从表3 和表4 可 以看出，在低载荷（196～294N）下，脂肪酸酯均未发生卡咬现象，而且随着脂肪酸碳链的增加，摩擦系数（COF）和磨斑直径（WSD）均呈下降的趋势，尤其是294N 下脂肪酸甘油三酯下降趋势最为明显，如图1 所示.同时，从图2可以看出，癸酸甘油三酯、月桂酸甘油三酯在摩擦过程中摩擦系数波动非常之大，极其不稳定，肉豆蔻酸甘油三酯分别在2 000s和5 800s处出现摩擦系数短暂的波动后继续保持平稳的状态，而棕榈酸甘油三酯在6 000s以内处于一个稳定的低摩擦系数状态，在6 000s以后摩擦系数缓慢上升直至再一次处于平稳状态.这说明在较低载荷的摩擦磨损过程中长碳链的脂肪酸甘油酯要比中等碳链长的脂肪酸甘油酯摩擦系数变化稳定.

图2 85℃下294N 脂肪酸甘油三酯的摩擦系数变化Fig.2 The friction coefficient of fatty acid triglycerides with time at 294Nunder 85℃

在中载荷（392～490N）下，癸酸丁二酯、癸酸甘油三酯、肉豆蔻酸甘油三酯、棕榈酸甘油三酯、硬脂酸甘油三酯在摩擦过程中发生卡咬现象，其中脂肪酸甘油三酯卡咬现象发生的最为频繁，说明脂肪酸甘油三酯要比脂肪酸丁二酯容易发生卡咬.而且还可以看出，出现卡咬的酯主要发生在肉豆蔻酸甘油三酯、棕榈酸甘油三酯和硬脂酸甘油三酯.说明在85℃及中等载荷下长碳链的脂肪酸甘油三酯要比中等碳链长的脂肪酸甘油三酯在摩擦过程中更易发生卡咬.

如图3所示，在高载荷（588N）下，脂肪酸丁二酯和脂肪酸甘油三酯均有发生卡咬现象.其中只有月桂酸丁二酯及肉豆蔻酸丁二酯在9 999s摩擦过程中未出现卡咬，且在摩擦过程中摩擦系数也表现比较稳定.肉豆蔻酸丁二酯的摩擦系数要比月桂酸丁二酯的摩擦系数小，说明肉豆蔻酸丁二酯的减摩效果最好.在摩擦试验中0到1 000s时两者均有摩擦系数先下降后上升的现象，这是出于试验的磨合阶段，1 000s后逐渐平稳下来进入稳定期.在5 500s时，两者摩擦系数再一次上升，肉豆蔻酸丁二酯的上升幅度较大.在6 000s到9 999s期间，两者的摩擦系数均出不断上下波动的趋势，说明在长时间摩擦后，酯的润滑性质发生改变，使其摩擦效果不稳定.由表3所示，月桂酸丁二酯的磨斑直径比肉豆蔻酸丁二酯小，说明月桂酸丁二酯的抗磨性能要比肉豆蔻酸丁二酯的好.

图3 85℃下588N月桂酸丁二酯与肉豆蔻酸丁二酯的摩擦系数变化Fig.3 The friction coefficient of the lauric acid butanediol ester and the myristic acid butanediol ester with time at 588Nunder 85℃

3 结论

1）随着脂肪酸碳链的增加，脂肪酸丁二酯和脂肪酸甘油三酯的PB值都有显著的提高，在85℃下脂肪酸丁二酯的承载能力要比脂肪酸甘油三酯的承载能力好.

2）在低载荷（196～294N）下，随着脂肪酸碳链的增加，脂肪酸甘油三酯的摩擦系数和磨斑直径均呈下降的趋势.而且长碳链的脂肪酸甘油三酯要比中等碳链长的脂肪酸甘油三酯摩擦系数变化稳定.

3）在中载荷（392～490N）下，脂肪酸甘油三酯要比脂肪酸丁二酯容易发生卡咬，长碳链的脂肪酸甘油三酯要比中等碳链长的脂肪酸甘油三酯在摩擦过程中更易发生卡咬.

4）在高载荷（588N）下，脂肪酸丁二酯的摩擦性能要好于脂肪酸甘油三酯，其中肉豆蔻酸丁二酯具有良好的抗磨减摩作用.

［1］申华峰.脂肪酸对复合铝基润滑脂制备的影响［J］.石油学报，2011（04）：20－23.

［2］Chasar D W，Hughes M J.Method of making oleo chemical oilbased polyols［P］.US 6891053，2005－07－10.

［3］Lin B L，Yang H，Dai Q，et al.Thermal analyais of aoybean oilbased polyols［J］.Journal of Thermal Analyais and Calorimetry，2009，3：977－983.

［4］徐玉玲，高新蕾，王婷婷，等.环氧脂肪酸丁酯的合成及其摩擦学性能研究［J］.润滑与密封，2011，36（4）：44－48.

［5］董 凌，方建华，陈国需，等.“绿色”润滑剂的发展［J］.合成润滑材料，2003，30（2）：10－16.

［6］魏玉丽，王云普，常 玥，等.季戊四醇四甲基丙烯酸酯的制备及表征［J］.西北师范大学学报：自然科学版，2007，43（5）：63－65.

［7］张 红，高新蕾，程 忠，等.合成己二酸酯类润滑油的摩擦学性能研究［J］.华中师范大学学报：自然科学版，2012，49（4）：440－445.