层状二硅酸钠作为润滑脂添加剂的摩擦学性能

张 哲，陈国需，李华峰，陈 力，李 进，夏 迪

（后勤工程学院 油料应用与管理工程系，重庆 401311）

石墨、二硫化钼等之所以具有良好的润滑性，是由于其层状晶体结构具有在外力作用下易剪切滑动的性质。层状二硅酸钠是具有与二硫化钼结构类似的晶体，其网格由单层的硅－氧四面体组成，金属离子处于层间，作为层间柱撑物；单个片层的厚度大约为1nm，横向尺寸在30nm到几个微米之间［1］。层状二硅酸钠具有良好的离子交换与吸附特性，能够作为离子交换剂、吸附剂使用；利用其强的离子交换能力，制备了环保型的无磷洗涤助剂，也能够作为合成新型多孔材料的前驱体，是一类重要的功能材料［2－6］。目前，层状二硅酸钠作为一种润滑添加剂的研究集中在润滑油方面，作为润滑脂添加剂的研究并不多。笔者在前人研究的基础上，考察了微米级的层状二硅酸钠作为添加剂制备的锂基润滑脂的摩擦学性能。

1 实验部分

1.1 试剂及原料

层状二硅酸钠（LSD），实验室球磨自制。油酸、硬脂酸、Span60，均为化学纯。石油醚（沸程90～120℃），分析纯。十二羟基硬脂酸锂；液体石蜡；500SN基础油。

1.2 层状二硅酸钠的改性

参考课题组前期的准备［6－9］，设计了层状二硅酸钠（LSD）改性的正交实验。3因素3水平的L9（34）的正交设计表如表1所示，实验结果列于表2。由此得到改性LSD最优方案A1B1C1，即以油酸为改性剂，LSD与油酸的质量比为1/0.5，采用球磨方式进行改性。

表1 层状二硅酸钠（LSD）改性的L9（34）正交设计表Table 1 The L9（34）orthogonal design for modification of LSD

表2 LSD改性正交实验结果和直观分析Table 2 Orthogonal test results and analysis for modification of LSD

对LSD和改性LSD粉体进行FT-IR和XRD表征，并采用中科院东方集成Microtrac公司激光粒度仪测定其粒径分布。将LSD粉体以质量分数0.5%加入液体石蜡中，在恒温80℃水浴超声振荡30min，观察30d中的分散情况，检验其在油性介质中的分散稳定性。

1.3 润滑脂样品的制备

以十二羟基硬脂酸锂为预制皂，采用分散法制备润滑脂。基础油为500SN基础油，皂分含量按照9%（质量分数）计算。

将2/3基础油加入炼制釜内搅拌升温，加入预制皂，继续搅拌升温，直至预制皂和基础油完全熔化，此时温度大致为200℃。高温膨化5～10min。待釜内物料呈真溶液状态时，加入剩余的冷油，使其与皂混合物形成稠化剂晶核，保持温度在170℃继续搅拌5min。将得到的基础脂迅速分为5份，在温度降至120℃时，加入计量好的LSD，搅拌均匀。待冷却至室温后，在三辊磨研磨6遍，得到基础脂及LSD质量分数分别为0.5%、1%、2%、3%的润滑脂样品。采用相同的步骤得到添加改性LSD的润滑脂。

1.4 摩擦磨损试验

采用济南宏试金试验仪器有限公司 MMW-1P双显示立式万能摩擦磨损试验机考察润滑脂的摩擦学性能。点接触方式，标准钢球由石油化工科学研究院提供，材质为GCr15，尺寸12.7000mm。

采用SH/T0204方法，在转速（1200±50）r/min、温度（75±2）℃、时间（60±1）min、负荷（392±2）N的条件下测定润滑脂抗磨性能。采用GB/T3142润滑剂承载能力测定法，在转速（1450±50）r/min、室温、时间10s的条件下测定润滑脂的极压性能。

2 结果与讨论

2.1 层状二硅酸钠（LSD）和改性LSD的性质

2.1.1 在油中的分散稳定性

将一定量的LSD和改性LSD分散在液体石蜡中，使其质量分数为0.5%，考察30d内二者在液体石蜡中的分散情况，图1为该两体系的分层体积随时间的变化。分层体积代表下层的体积数，总体积为10mL。从图1可以看出，含LSD粉体液体石蜡在10d时间内逐渐分层，分层快且明显，10d后LSD沉淀体积约在0.2mL；含改性LSD粉体液体石蜡分层不明显，分层体积少且保持稳定，粉体与液体石蜡仍然保持均相。说明改性LSD亲油性增加，能在油性介质中长时间稳定存在。

将LSD和改性LSD粉体分别分散在液体石蜡中，经过24h，在显微镜下观察二者在液体石蜡中的分散情况，结果示于图2。由图2可以看出，在24h后LSD在液体石蜡中产生团聚，分散效果差；改性LSD仍然能较好地分散在液体石蜡中，保持了整体的均一性。

图1 层状二硅酸钠（LSD）和改性LSD粉体在液体石蜡的分层体积随时间的变化Fig.1 The change of stratified volume of paraffin LSD and modified LSD powders in liquid over time

图2 LSD和改性LSD粉体分散在液体石蜡中的光学照片Fig.2Optical pictures of LSD and modified LSD powders dispersed in liquid paraffin

2.1.2 改性LSD的分子结构特征

图3为油酸和由其改性的LSD的FT-IR谱。从图3可以看出，在3474.5cm－1处出现了—OH的伸缩振动，2923.7、2853.4cm－1处的强吸收分别对应于—CH2—和—CH3的C—H伸缩振动，表明LSD粉体表面存在长链结构；1560.7cm－1处的强吸收对应于羧酸盐离子的反对称伸缩振动，属于羧酸盐的特征吸收；位于1462.3、1445.4cm－1处的吸收是羧酸盐的对称伸缩振动；1052cm－1处的强吸收是长链酸酯的对称伸缩振动，表明油酸与硅酸盐表面的羟基发生了作用。这些特征吸收峰的出现证明油酸以化学键合作用吸附于硅酸盐粉体表面。

图3 油酸（OA）和由其改性的LSD的FT-IR谱Fig.3 FT-IR spectra of oil acid（OA）and the LSD modified by OA

2.1.3 LSD和改性LSD的晶态

图4为LSD和改性LSD样品的XRD谱。由图4可以看出，LSD和改性LSD所出现的衍射峰相互对应，说明改性前后，LSD粉体的晶态没有发生变化，属于同一晶系，改性没有破坏晶体结构。

图4 LSD和改性LSD的XRD谱Fig.4 XRD patterns of LSD and modified LSD samples

2.1.4 改性LSD的粒度

图5为改性LSD粉体的粒径分布。实线代表累积分布，直方柱为各个粒径所占比例。从图5可见，改性LSD粉体的粒度分布比较均匀，基本保持在一个稳定的数值附近，大约占总体的70%，其余颗粒占30%，分布范围为1～10μm，其中位直径D50＝3.74μm，符合作为润滑添加剂的粒度要求［10］。

图5 改性LSD粉体的粒径分布Fig.5 Particle size distribution of modified LSD powder

2.2 层状二硅酸钠（LSD）粉体的加入对润滑脂性质的影响

2.2.1 对理化指标的影响

加有LSD的润滑脂的理化指标列于表3。从表3可以看出，LSD粉体的加入对润滑脂基本理化指标锥入度和滴点均没有产生明显的影响。

表3 LSD粉体的加入对润滑脂理化指标的影响Table 3 The effects of LSD powder on physicochemical indexes of grease

2.2.2 对抗磨减摩和极压性能的影响

图6为添加不同质量分数LSD的润滑脂的平均摩擦系数。从图6可以看出，随着LSD添加量的增加，润滑脂的摩擦系数先减小后增大，且添加LSD的润滑脂的摩擦系数均小于基础脂。在LSD添加量（质量分数，下同）为1%时，摩擦系数达到最小，与基础脂比较，摩擦系数降低了21.9%，说明LSD能有效改善基础脂的减摩性能。

图6 添加不同量LSD粉体的润滑脂的平均摩擦系数Fig.6 The average friction coefficient of the grease with different additions of LSD powder

图7 不同LSD添加量的润滑脂的钢球磨斑直径（WSD）Fig.7 WSD of the grease with different additions of LSD powder

图7为不同LSD添加量的润滑脂摩擦磨损试验钢球的磨斑直径（WSD）。从图7可以看出，随着LSD添加量的增大，WSD先减小后增大，随后又减小。在LSD添加量为0.5%时 WSD达到最小值0.60mm，相比基础脂，其 WSD降低了24.1%。同时可以看出，添加LSD的润滑脂的WSD均大幅小于基础脂的WSD，说明LSD的加入，对改善锂基润滑脂的抗磨性效果显著。

图8为不同LSD添加量的润滑脂摩擦磨损试验钢球表面形貌100倍的光学照片。从图8也可以看出，添加LSD的润滑脂的摩擦磨损试验后钢球的WSD均小于基础脂的WSD，但磨斑大部分不圆整，只有LSD添加量为1%的润滑脂所得钢球表面的磨损情况好于其他样品。

图8 不同LSD添加量的润滑脂的钢球表面磨斑形貌Fig.8 The morphologies of the wear scar for the grease with different additions of LSD powder

图9 不同LSD添加量的润滑脂的极压性能Fig.9 The extreme pressure properties of the grease with different additions of LSD powder

图9示出了润滑脂的PB和PD值随其LSD添加量的变化。可以看出，随着LSD添加量的增加，润滑脂的PB值逐渐增大，较之基础脂，LSD添加量为3%的润滑脂的PB值提高了118.5%，但PD值没有变化。说明LSD能够显著提高润滑脂的油膜承载能力，但对提高抗烧结能力无效果。在点接触的摩擦学环境下，润滑脂中的LSD粉体剥离、分解，对摩擦表面产生了机械抛光作用，使接触界面变得更加光滑。这一方面提高了摩擦副的接触面积，提高了油膜承载能力；另一方面增大了摩擦副两表面之间的吸引力，从而提高了两表面发生黏着的频率，润滑脂的抗烧结能力得不到改善。另外，由于标准中抗烧结负荷每一级的负荷相差较大，在LSD添加量提高不显著的情况下，其微小的作用会被掩盖，这也是抗烧结负荷没有提高的可能原因之一。

2.2.3 在提高润滑脂摩擦学性能方面与改性LSD粉体的比较

将改性LSD以最佳添加量为1%加入基础脂中，考察其和LSD粉体对提高润滑脂摩擦学性能上的区别，结果列于表4。从表4可以看出，与添加质量分数1%LSD的润滑脂相比，添加改性LSD的润滑脂的摩擦学性能较优，摩擦系数和磨斑直径降低，PB提高，PD没有变化。表明添加改性LSD粉体可进一步提高润滑脂的摩擦学性能，对改善摩擦学环境具有积极作用。LSD粉体经改性后，表面能降低，有效防止了颗粒之间的团聚，使粉体发挥了自身的小尺寸效应，加之表面覆盖的油酸改性剂，在一定的条件下发挥了油性剂的作用，和LSD协同改善了润滑脂的磨擦学性能。

表4 在提高润滑脂摩擦学性能方面LSD与改性LSD粉体的比较Table 4 The comparison of LSD and modified LSD for enhancing tribological properties of grease

2.3 添加改性LSD的润滑脂在不同载荷下的摩擦学性质

分别测定添加不同量改性LSD的润滑脂在低载荷（196N）和高载荷（588N）下的摩擦系数和钢球磨斑直径，转速保持（1200±50）r/min，温度（75±2）℃，时间60min，结果如图10、11所示。从图10、11可以看出，除在载荷196N下添加改性LSD粉体的润滑脂的摩擦系数高于基础脂外，在载荷392N和588N下的摩擦系数均低于同负荷下的基础脂；磨斑直径的变化趋势与摩擦系数相似，在低负荷下效果不太理想，但在负荷392N和588N下，不同添加量下均明显低于基础脂。说明层状二硅酸钠在中高负荷下能更有效的改善基础脂的摩擦学性能。综合对比可以看出，改性LSD的添加量为1%的润滑脂有相对优异的摩擦学性能。

图10 添加不同量改性LSD的润滑脂在不同载荷下的摩擦系数Fig.10 The friction coefficient of the grease with different additions of modified LSD under different loads

图11 添加不同量改性LSD的润滑脂在不同载荷下的钢球磨斑直径（WSD）Fig.11 WSD of the tested ball for the grease with different additions of modified LSD powder under the different loads

2.4 LSD的抗磨减摩机理

图12为添加质量分数1%改性LSD的润滑脂摩擦磨损后钢球表面的EDX元素分析结果。从图12可以看出，在钢球表面检测出了LSD的特征元素Na和Si。结合LSD本身的结构特性，可以看出，添加LSD的润滑脂之所以具有好的摩擦学性能，是因为LSD的层状晶体结构使其在受到剪切力的作用下易于滑动，变摩擦副之间的运动为晶层之间的滑移，降低了润滑脂的摩擦系数。同时，在点接触的环境下，接触应力高，摩擦产生的能量可能使LSD分解，产生了SiO2和活性O原子，后者和摩擦副的Fe元素反应生成Fe的氧化物等也使摩擦系数降低，并使表面变得更加光滑，接触面积增大，提高了油膜承载力。

图12 添加质量分数1%改性LSD的润滑脂摩擦磨损实验钢球磨斑表面的EDX谱和元素含量Fig.12 EDX spectrum and the element contents of steel ball friction surface after four-ball test of the grease with mass fraction of 1%LSD powder added

3 结 论

以油酸为改性剂，在层状二硅酸钠与油酸质量比为1/0.5时，球磨改性得到的改性层状二硅酸钠LSD是一种性能优异的锂基润滑脂添加剂。以LSD质量分数为1%加入锂基脂中，能显著降低锂基润滑脂的摩擦系数、钢球磨斑直径和提高PB值，在中、高负荷下改善锂基润滑脂的摩擦学性能。

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