茂铁PAO为基础油制备聚脲润滑脂

马腾+夏延秋+曹正锋

摘要：以茂铁聚α-烯烃（mPAO）为基础油，聚脲为增稠剂，二硫代氨基甲酸钼（MoDTC）和无灰二硫代磷酸酯（Irgalube63）作为添加剂制备聚脲润滑脂。利用往复摩擦磨损试验机，考察不同基础油和添加剂对聚脲润滑脂摩擦学性能的影响，利用扫描电子显微镜（SEM）和能谱仪（EDS）观察并分析钢块磨痕表面形貌和磨痕表面主要化学元素组成。结果表明：含有MoDTC和Irgalube63添加剂的mPAO型聚脲润滑脂的摩擦学性能优于同类PAO作为基础油的聚脲润滑脂。

关键词：基础油；添加剂；聚脲润滑脂；减摩抗磨

中图分类号：TE626.3文献标识码：A

Abstract：Polyurea greases were prepared using mau iron poly-α-olefin （mPAO） as base oil， polyurea as thickener， molybdenum dithiocarbamate （MoDTC） and ash-free phosphorodithioate （Irgalube63） as additives， respectively. The influences of different base oils and additives on the tribological properties of polyurea greases were evaluated by reciprocating friction and wear tester. The morphology and chemical composition of the worn surfaces were characterized and analyzed by scanning electron microscope （SEM） and energy-dispersive X-ray spectroscopy （EDS）. The results show that the mau iron PAO-based polyurea greases containing MoDTC and Irgalube63 have better tribological properties than that of PAO-based polyurea greases.

Key words：base oil； additive； polyurea grease； reducing-friction and anti-wear

0引言

聚脲润滑脂是以有机胺和异氰酸酯反应稠化基础油制得的一种非皂基润滑脂，具有滴点高、热稳定性好、氧化安定性和抗水性优良等性能，在冶金、汽车、军工、轴承等行业中得到了广泛应用。近年来，关于脲基润滑脂的研究也越来越多[1-3]。廖顺等[4]发现聚脲润滑脂的最高炼制温度和后处理工艺对产品性能有较大的影响。张遂心等[5]发现硼酸盐极压抗磨剂能提高聚脲润滑脂极压和抗磨性能。邓才超等[6]制备了系列复合聚脲润滑脂，包括锂-脲、钠-脲、钾-脲、镁-脲、钙-脲和钡-脲润滑脂， 结果表明，复合聚脲润滑脂在保持聚脲润滑脂优良润滑性能的基础上， 具有突出的极压、抗磨性和高温轴承寿命。Liu等[7] 运用分子理论对脲基润滑脂稠化剂结构对产品性能的影响进行了研究，研究表明聚脲润滑脂的性能随着每个聚脲分子中脲基团的数量变化而变化；蒋明俊等[8]探讨了基础油对聚脲润滑脂性能的影响，结果表明，应用矿物油较容易成脂且产品性能较好，较高黏度的矿物油对润滑脂的稠度、滴点、胶体安定性等有利。

近年来，用合成油PAO为基础油制备的聚脲润滑脂以其高滴点、良好的氧化安定性、优异的黏温特性和突出的抗水性等得到了广泛应用。但PAO对添加剂的感受性较差，加之各种添加剂之间的不合理复配，造成聚脲润滑脂的减摩抗磨性能差，为了增强脲基脂对添加剂的感受性以及提高聚脲润滑脂的摩擦学性能，本文以茂铁PAO为基础油制备了聚脲润滑脂，茂铁PAO与常规PAO相比能提供稳定的抗剪切性、较低的倾点和较高的黏度指数[9]，并且以茂铁PAO作为基础油制备聚脲润滑脂还未见报道。本文采用十八胺和己二胺的混合胺与异氰酸酯反应稠化基础油来制备聚脲润滑脂，分别以mPAO和PAO为基础油制备了两种聚脲脂， 并考察添加二硫代氨基甲酸钼（MoDTC）和无灰二硫代磷酸酯（Irgalube63）在mPAO型聚脲脂中的减摩抗磨性能。

1试验部分

1.1润滑脂的制备

分别选用PAO和mPAO为基础油，两种基础油的参数见表1，同时以十八胺、己二胺和异氰酸酯的反应产物聚脲作为稠化剂制备了聚脲润滑脂。

1.2摩擦学特性测试

将MoDTC和Irgalube63两种添加剂分别加入到聚脲润滑脂中，添加质量分数分别为10%，20%，30%，40%。实验选用中国科学院固体润滑国家重点实验室研制的MFT-R4000高速往复摩擦磨损试验机进行减摩抗磨性能评价，摩擦副采用球盘接触。试验条件为：室温约20 ℃，额定载荷为100 N，频率为5 Hz，试验时间为30 min，相对湿度是60%～65%，大气气氛。所用钢球为AISI 52100标准试验钢球（095 ～ 105 C，015 ～ 035 Si，020 ～ 040 Mn，130 ～ 165 Cr， 0027 P，其余是Fe），直径5 mm，表面粗糙度Ra为008 μm，硬度为705～757 GPa。所用钢块尺寸为Φ 24 mm × 78 mm 。试验前将钢盘抛光至表面粗糙度Ra为005 μm，钢盘淬火硬度为491 ～ 539 GPa，试验前后试件用丙酮超声清洗10 min，将含有不同添加剂的聚脲润滑脂涂抹在摩擦副之间，每次涂抹02 g，摩擦系数由计算机自动记录保存。摩擦学试验结束后，采用光学显微镜测量磨痕宽度，采用扫描电子显微镜（EVO-18， ZEISS）和能谱仪（EDS）观察并分析钢盘磨痕表面形貌和磨痕表面主要化学元素。

2试验结果与讨论

2.1基础润滑脂的摩擦学性能

为在100 N载荷下两种基础润滑脂试验时的实时摩擦系数和磨痕宽度。从图1（a）可以看出，在 100 N 载荷下，两种基础脂试验时摩擦系数随时间呈现的变化趋势不完全相同，mPAO型基础脂润滑时曲线比较平稳，而PAO型基础脂对应的曲线有随时间增大的趋势，并且mPAO型基础脂润滑时的平均摩擦系数小于PAO型基础脂润滑时的平均摩擦系数。从图1（b）可以看出，相比于PAO型基础脂，mPAO型基础脂的磨痕宽度小。说明以mPAO作为基础油比用PAO作基础油制备出的聚脲润滑脂具有更好的减摩抗磨性能。

2.2润滑脂的摩擦学性能比较

为了考察mPAO型聚脲润滑脂对MoDTC添加剂的感受性，图2分别示出了含有不同质量分数MoDTC添加剂的聚脲润滑脂，在100 N载荷下的实时摩擦系数和磨痕宽度。图2（a）可以看出，在100 N载荷下，添加不同质量分数的MoDTC添加剂，不同程度的改善mPAO型聚脲润滑脂的摩擦性能，其中，当MoDTC的质量分数为3%时，聚脲润滑脂的减摩效果达到最佳。图2（b）可以看出，添加不同质量分数的MoDTC添加剂，其磨痕宽度都比mPAO型聚脲润滑脂的要小，这说明MoDTC能够改善mPAO型聚脲润滑脂的抗磨性能；综合考虑添加剂MoDTC的含量对mPAO型润滑脂减摩性能和抗磨性能的影响，当MoDTC在mPAO型聚脲润滑脂中的质量分数为3%时，mPAO型润滑脂具有较好的减摩抗磨性能。

分别示出了含有不同质量分数Irgalube63添加剂的mPAO型聚脲润滑脂，在100 N载荷条件下的实时摩擦系数和磨痕宽度。图3（a）可以看出，在100 N载荷下，添加不同质量分数的添加剂Irgalube63都能减小mPAO型聚脲润滑脂的摩擦系数，当Irgalube63的质量分数为2%时，其平均摩擦系数比mPAO型聚脲润滑脂减小约65%。图3（b）可以看出，添加不同质量分数的添加剂Irgalube63都能在一定程度上改善MPAO型基础脂的抗磨性能，磨痕宽度最多减少了211%。综合考虑添加剂Irgalube63的含量对mPAO型聚脲润滑脂减摩抗磨性能的影响，当Irgalube63在mPAO型聚脲润滑脂中的质量分数为2%时，具有较好的减摩抗磨性能。

3磨痕表面形貌及元素组成

如图4所示是PAO型聚脲基础脂、mPAO型聚脲基础脂及mPAO型聚脲基础脂中加入两种不同添加剂润滑下的磨痕表面形貌图（载荷100 N、频率5 Hz、测试时间为30 min）。图4（a）是PAO型聚脲基础脂润滑下的磨痕表面形貌图，其表面粗糙，有较多的犁沟，图4（b）是mPAO型聚脲基础脂润滑下的磨痕表面形貌，相比于图4（a），其表面相对光滑，仅有少量的犁沟；图4（c）是mPAO+3%MoDTC润滑脂润滑下的磨痕表面形貌图，抗磨性提高不大，改善不明显；而图4（d） 示出了mPAO+2% Irgalube63润滑下的磨痕表面更加光滑和平整，这说明Irgalube63添加剂也能更有效改善mPAO型聚脲润滑脂的减摩抗磨性能。

为了进一步研究MoDTC和Irgalube63两种添加剂在mPAO型聚脲润滑脂中的减摩抗磨机理，使用EDS分析mPAO型聚脲基础脂及含有两种添加剂润滑下的钢块磨痕表面元素组成，结果如图5所示。相比于5（a）mPAO型聚脲基础脂润滑下的磨痕表面元素，图5（b）磨痕表面多出了S元素和Mo元素，这说明在接触区域由于摩擦产生了大量的热量，MoDTC发生了热分解，其分解产物与摩擦表面发生摩擦化学反应，生成含Mo、S的化合物，这些化合物可以在摩擦表面形成保护膜，起到减摩抗磨作用 [10-11]。图5（c）是MPAO+ 2%Irgalube63聚脲润滑脂润滑下的磨痕表面元素组成，相比于基础脂，其磨痕表面含有大量的P等元素，摩擦过程中磷与铁、氧等元素发生摩擦化学反应生成磷酸盐，形成一层具有减摩抗磨作用的保护膜，起到较好的减摩抗磨作用[12]。

4结论

以茂铁mPAO为基础油制备的聚脲润滑脂的摩擦学性能优于以PAO为基础油制备的聚脲润滑脂，并且其对MoDTC和Irgalube63两种添加剂的感受性也好于PAO型聚脲润滑脂。当MoDTC添加质量分数为30%和Irgalube63添加质量分数为20%时，摩擦系数和磨痕宽度最小，具有最优的减摩抗磨性能。EDS分析可以看出，MoDTC添加剂在摩擦过程中可以和磨痕表面生成含Mo、S的化合物，这些化合物可以在摩擦表面形成保护膜，起到减摩抗磨作用；Irgalube63添加剂在摩擦过程中可以和磨痕表面生成磷酸盐保护膜，起到减摩抗磨作用。

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