离子液体作为润滑脂添加剂的导电性和摩擦学性能

葛翔宇，夏延秋，舒宗英

(华北电力大学，北京 102206)

离子液体作为润滑脂添加剂的导电性和摩擦学性能

葛翔宇，夏延秋，舒宗英

(华北电力大学，北京 102206)

用锂盐和聚环氧乙烷聚环氧丙烷单丁基醚(PAG)通过原位法制备新型离子液体，作为添加剂加入到PAO40基础油中，以聚四氟乙烯(PTFE)为稠化剂，制得电力复合脂。研究了传统离子液体和新型离子液体作为润滑脂添加剂的导电性和摩擦学性能。结果表明：离子液体的加入大幅度降低润滑脂的电阻率，提高润滑脂的电导率，减小接触电阻，具有优良的导电性；能够降低摩擦系数，减小磨痕宽度，体现了优良的减摩抗磨性能；在摩擦磨损过程中，离子液体中的阴离子能够在接触表面与金属发生化学反应，形成化学反应膜，从而起到减摩抗磨的作用；与传统离子液体相比，新型离子液体在摩擦学性能和导电性方面相差不大，而其制备工艺简单，具有更加广阔的应用前景。

润滑脂 离子液体 摩擦磨损 电导率 电阻率 接触电阻

电接触现象广泛应用于电路开关、电连接器、集成电路、微电子机械系统、动力机械设备和输变电设备[1-3]。为保证各种动力机械设备和输变电设备等运行的可靠性和稳定性，电力复合脂除了承担传统的润滑作用外，还担负着在载流条件下传递电能、电信号等重要任务；因此要求电力复合脂既要具有高抗磨损能力和机械强度，又要具有良好的导电性[4]。

传统的电力复合脂通常选用金属粉末以及碳系导电材料作为导电添加剂，这些金属粉末通过填充在接触面的缝隙中，增大导电接触面以降低接触电阻。然而由于金属粉末易氧化且价格昂贵，难以大规模使用；碳系导电材料颜色太深，也限制了其应用范围。离子液体作为一种具有高发展前景的材料，已被广泛应用于电容器、电池、催化等领域[5-8]。与传统导电添加剂相比，离子液体具有制备简便、价格低廉、导电率高、稳定性好等优点。

本课题以聚α烯烃PAO40为基础油，聚四氟乙烯(PTFE)为稠化剂，多种离子液体为添加剂，制备了多种电力复合脂。测试电力复合脂的导电性，并通过摩擦试验，研究几种离子液体对润滑脂摩擦学性能的影响，探讨离子液体的减摩抗磨机理，以期为电力复合脂在动力机械设备和输变电设备中的应用提供理论和技术支持。

1 实 验

1.1 原 料

基础油选用PAO40(埃克森美孚公司生产)。三种锂盐(上海域伦实业有限公司生产)分别为：双三氟甲烷磺酰亚胺锂(LiNTf2)、四氟硼酸锂(LiBF4)和六氟磷酸锂(LiPF6)，表1为三种锂盐的基本参数。图1为锂盐与PAG反应形成离子液体的过程。传统离子液体1-己基-3甲基咪唑四氟硼酸盐离子液体(LB106)和1-己基-3甲基咪唑六氟磷酸盐离子液体(LP106)为中国科学院兰州化学物理研究所制备。稠化剂聚四氟乙烯(PTFE)颗粒粒径为4 μm左右(Dyneon.TMTF9207)，密度为2.2 g/cm3。分散剂为正己烷(国药集团化学试剂有限公司生产)。

1.2 制备方法

图1 锂盐和PAG的反应过程

表1 离子液体的电导率

润滑脂的制备过程如下：将全部的PTFE和大约一半的基础油PAO40混合剧烈搅拌约30 min，向其中加入少量正己烷，使其分散均匀；然后升温至80 ℃并维持30 min使正己烷充分挥发；将剩余PAO40全部加入，搅拌均匀；最后将反应物冷却至室温，并在三辊研磨机上研磨3次，即得所需的润滑脂，将其作为基础脂。在基础脂中分别加入1%的Li(PAG)NTf2，Li(PAG)BF4，Li(PAG)PF6，LB106-PAG和LP106-PAG，得到所需的电力复合脂，分别记为Li(PAG)NTf2脂、Li(PAG)BF4脂、Li(PAG)PF6脂、LB106脂和LP106脂。

1.3 润滑脂的理化性能和导电性

猴头菌。猴头菌多生于桦栎树等阔叶树的枯木上或树杈间，主要产于东北，云南等地也有。猴头菇肉质脆嫩、味淡清香，是珍贵的烹饪原料。中医认为，其性平、味甘，猴头菌多糖可提高机体咀嚼细胞的吞噬功能，可促进溶血素生成，增加体液免疫的能力，另外猴头菌还有抗溃疡功能。

依据国家标准GB/T 3498 和 GB/T 269对制备的润滑脂的滴点和锥入度分别进行测试；依据国家标准GB/T 7326—1987，在100 ℃条件下将加工好的光亮铜片的一端完全用润滑脂覆盖24 h后，将铜片洗净后与腐蚀标准进行对比，查看润滑脂对铜片的腐蚀性；依据标准SH/T 0109，在38 ℃水温下，对润滑脂的抗水淋性能进行测试。

采用GEST-121型体积表面电阻率测试仪，对润滑脂的体积电阻率进行测试；采用HLY-200A型回路电阻测试仪对润滑脂的接触电阻进行测试，测试电流100 A，时间10 s。

1.4 润滑脂的摩擦学性能

试验选用MFT-R4000摩擦磨损试验机，摩擦副采用球盘接触，试验条件参数如下：额定载荷50～150 N，频率5 Hz，温度为室温，大气气氛，试验时间为30 min。试验所用钢球和底盘的材料均为AISI 52100钢，钢球直径4 mm，淬火硬度710 HV；底盘尺寸为Φ24 mm×7.8 mm，调质硬度370～390 HV。试验前后所有试件均用石油醚超声清洗2 min。摩擦系数由计算机自动记录，采用光学显微镜对磨痕宽度进行测量，测量精度0.01 mm。利用Nova Nano SEM50系列超高分辨率场发射扫描电子显微镜(SEM)观察磨痕表面形貌。

2 结果与讨论

2.1 润滑脂的理化性能和导电性

润滑脂的基本理化性质见表2。从表2可以看出，基础脂具有相对较低的滴点(314 ℃)和较好的铜片抗腐蚀能力。而电力复合脂的滴点相比于基础脂均有所提高，说明离子液体的加入可以提高基础脂的滴点，并轻微地影响润滑脂的铜片抗腐蚀能力。由于所用的离子液体均可溶于水，因此对基础脂的抗水淋性能有一定影响。

表2 润滑脂的基本理化性质

表3 润滑脂的导电性

2.2润滑脂的摩擦学性能

图2为在各载荷下不同润滑脂试验时的平均摩擦系数。由图2可见，离子液体的加入使摩擦系数均有所降低，具有更好的减摩性能。在50 N载荷下，由锂盐复配形成的新型离子液体的减摩性能更好，而在100 N和150 N载荷下，制备的电力复合脂的减摩性能相差不大。摩擦系数的变化间接反映了摩擦副接触区润滑状态的变化，摩擦系数下降，意味着摩擦副接触区生成了低剪切的表面保护膜。

图2 润滑脂在各载荷下试验时的平均摩擦系数■—基础脂； ■—Li(PAG)NTf2脂； ■—Li(PAG)BF4脂； ■—Li(PAG)PF6脂； ■—LB106脂； ■—LP106脂。 图3同

图3为在各载荷下润滑脂试验时的磨痕宽度。由图3可见：相比于基础脂，电力复合脂润滑试验时磨痕宽度均有所减小，说明选用的离子液体均具有优异的抗磨性能；但是电力复合脂之间相比，磨痕宽度相差不大，表明选用的离子液体的抗磨性能差别不大。

图3 润滑脂在各载荷下试验时的磨痕宽度

2.3 磨痕表面形貌及元素组成

通过SEM对在150 N载荷下，采用基础脂、Li(PAG)BF4脂、Li(PAG)PF6脂、Li(PAG)NTf2脂润滑试验后的磨痕表面进行表征，结果见图4。从图4可以看出：基础脂润滑试验后的磨痕表面非常粗糙，并带有很多犁沟以及黏着和腐蚀斑点。Li(PAG)NTf2脂润滑试验后的磨痕表面相对光滑，有较浅的犁沟；Li(PAG)BF4脂和Li(PAG)PF6脂润滑试验后的磨痕表面带有较浅的犁沟和一些腐蚀斑点。

在摩擦过程中，润滑脂靠其有序层状结构在金属表面形成剪切强度远低于金属的吸附膜。低能态的电子从金属接触表面的粗糙峰发射出去，导致接触表面带正电荷。通过静电吸引，润滑脂中的阴离子被吸附到磨痕表面的正电荷上，而阳离子又通过自身的烷基链与阴离子结合，向磨损表面聚集[9]，形成保护膜防止摩擦表面直接接触；同时，离子液体阴离子中的硫、磷、硼、胺等元素与接触表面金属发生化学反应，形成含有多种化合物(FeF2，FeF3，Fe2O3，Fe(OH)O，FePO4，Fe2B，B2O3等)的化学反应膜[10]，使接触表面不致发生黏着磨损，当化学反应膜被磨去后可以快速地重新生成，有效防止对摩擦表面直接接触，避免表面发生黏着磨损，体现了优良的减摩抗磨作用。

图4 150 N载荷下磨痕表面形貌

传统离子液体(LB106和LP106)制备工艺复杂，对制备条件要求高，合成难度大，提纯难度高，成本高；而新型离子液体制备工艺简单，仅在室温条件下通过机械搅拌溶解即可，大幅简化了离子交换和分离纯化步骤，成本低。在低载荷条件下(50 N)，新型离子液体具有比传统离子液体更优异的减摩性能；在中高载荷条件下(100 N和150 N)，减摩性能和传统离子液体差别不大；在三种载荷条件下，新型离子液体的抗磨性能介于两种传统离子液体之间。

3 结 论

(1) 使用离子液体作为润滑脂添加剂制得电力复合脂，离子液体大幅度降低了润滑脂的电阻率，提高了润滑脂的电导率，减小接触电阻，具有优良的导电性。离子液体的加入能够降低摩擦试验的摩擦系数，减小磨痕宽度，体现了优良的减摩抗磨性能。

(2) 在摩擦磨损过程中，离子液体中的阴离子能够在接触表面与金属发生化学反应，形成化学反应膜，从而起到减摩抗磨的作用。

(3) 与传统离子液体相比，新型离子液体在摩擦学性能和导电性方面相差不大，而其制备工艺简单，大幅简化了制备步骤，降低了制备成本，具有更加广阔的应用前景。

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简 讯

可将木质素直接转化为烃类衍生物的工艺

美国普渡大学直接催化转化生物质为生物燃料的研究中心(C3Bio)的研究人员开发出一种可将木质素转化为高价值产品的新工艺。该工艺使用双金属Zn/Pd/C催化剂，将未经预处理的木质纤维素生物质中的木质素直接转化为两种甲氧基苯酚产物，剩下的固体残余物为糖类化合物(carbohydrate)。甲氧基苯酚可进一步脱氧形成丙基环己烷。环烷烃不仅是汽油和柴油等传统车用燃料的重要组分，也是Jet-A/Jet-A1/JP-8等喷气燃料的重要组分。糖类残余物可用纤维素酶水解，得到95%产率的葡萄糖。在转化木质素的同一步骤中，生物质的半纤维素被水解为木糖，所得木糖易于分离。木糖可选择性脱水为糠醛，随后在生物炼制厂中转化成其它的糠醛基化学品或燃料。该工艺以未经处理的碎木片为原料，加入催化剂和溶剂，在加压反应器中加热数小时。催化剂可以重复使用。该团队还开发了附加的工艺，使用另一种催化剂，将两种苯酚产物转化为适合用作直接加入式(drop-in)汽油的高辛烷值(RON大于100)烃燃料。该催化剂价格昂贵，该团队计划进一步研究有效的催化剂回收方法，以及将整个工艺规模放大的途径。植物生物质主要是由木质素、纤维素和半纤维素组成。过去，大多数生物炼制厂均认为木质素是废弃物而将其用于燃烧产热。

[邓京波摘译自Green Car Congress，2014-12-18]

CONDUCTIVITYANDTRIBOLOGICALPROPERTIESOFIONICLIQUIDASGREASEADDITIVES

Ge Xiangyu， Xia Yanqiu， Shu Zongying

(NorthChinaElectricPowerUniversity，Beijing102206)

New ionic liquids were prepared by the way of in-situ formation between lithium salts and polyether (PAG) and used as lubricating grease additives. The electricity compound grease was prepared by mixing PAO40 base oil with traditional or the new ionic liquid and a thickener polytetrafluoroethylene (PTFE). The conductivity and tribological properties of traditional ionic liquid and new ionic liquids as additives were studied. It is observed that the addition of additives reduces significantly the volume resistivity and contact resistance of the electricity compound grease， but the conductivity and that the scar width and the friction coefficient are both reduced， reflecting the excellent antifriction and anti-wear performance of the greases adding the additives. The improvement of tribological properties should attribute to the formation of the chemical reaction film due to the reactions of anion of the additives with metal surface. The results demonstrate that the new ionic liquids which are easily prepared can significantly improve the electrical conductivity and tribological properties of the grease.

grease； ionic liquid； friction and wear； conductivity； resistance； contact resistance

2014-09-29；修改稿收到日期： 2014-12-01。

葛翔宇，博士，主要从事用于动力设备和输变电设备的电力复合脂的制备及摩擦学性能的研究工作。

葛翔宇，E-mail：ge.x.y@hotmail.com。