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                節能減摩添加劑及評價方法

                2021-05-28

                近年來,隨著國際汽車生產技術的引進,國內轎車業的飛速發展,我國國民經濟不斷發展,個人消費能力的提高,汽車進入家庭的步伐加快,我國的轎車保有量發展迅速。汽車保有量的迅速發展,直接帶來的就是環境污染問題。環境監測數據分析表明,在這些污染物中,除煙塵和二氧化硫外,汽車尾氣排放已成為城市大氣污染的重要污染源,且由于機動車是低空排放,對低空大氣環境和人體危害更大。

                世界各國對能源問題和環境污染問題的日益重視,歐美各國包括中國在內對汽車尾氣排放指標要求越來越嚴格,內燃機的節能、提高汽車燃油經濟性和控制汽車尾氣的排放等問題的解決已迫在眉睫。一方面內燃機發動機生產廠家通過對發動機的結構進行改進從而提高發動機的節能性及排放,如采用渦輪增壓技術、電控共軌式高壓噴射、電控廢氣再循環、電子燃油噴射系統、安裝尾氣三元催化轉化器等措施來全面改善發動機的動力性、經濟性以及排放指標等綜合性能。另一方面發動機在結構上的改變對潤滑油的要求更加苛刻,要求使用的發動機潤滑油產品要滿足更高的燃油經濟性能(即節能要求)。

                低粘度級別、節能型發動機油比例不斷增長,通過使用低粘度節能發動機油,降低發動機摩擦損失,提高動力,成為提高汽車燃料經濟性的有效途徑之一。

                一、減摩劑的研究現狀

                通常添加在節能汽油機油中的減摩劑為金屬有機化合物和無灰有機化合物(不含金屬元素)兩大類。其中金屬有機化合物主要有含鉬、含銅有機化合物,此類減摩劑的作用機理研究的還不是很清楚,基本有以下推斷:鉬擴散進入粗糙面、形成聚合物膜、原地生成二硫化鉬(得到多數公認的假設)、金屬(銅)的選擇性遷移導致形成稀疏并易于剪切的金屬膜。無灰有機化合物包括羧酸和它們的衍生物,酰胺、酰亞胺、胺及其衍生物,磷和磷酸衍生物、有機聚合物以及硼酸酯類化合物,這類化合物由于作用模式的不同,減摩機理也不相同。主要涉及到反應層的形成(磷化物和硫化物)、吸附層的形成、原位聚合物的形成幾種。減摩劑在邊界潤滑狀態和混合潤滑狀態起主要作用。其中無灰有機化合物在混合潤滑狀態時是最有效的,而在邊界潤滑狀態時金屬有機化合物具有顯著的效果。

                二、有機鉬減摩劑的應用

                從近幾年的文獻中可以了解到有機鉬化合物是在汽油機油中應用較廣泛的金屬有機化合物,這類化合物主要有二硫代氨基甲酸鉬(MoDTC)、二硫代磷酸鉬(MoDTP)、鉬混合物(Molyvan855)等。1968年,R.T.Vanderbilt公司的Eugene V. Rowan等發明了油溶性有機鉬潤滑油添加劑二烷基二硫代磷酸鉬作為汽車發動機潤滑油的添加劑,該添加劑可使汽車用燃料油耗比下降,又可延長發動機使用壽命。 1974年J.Froeschman 等研制出了二烷基二硫代氨基甲酸鉬潤滑油添加劑,與二烷基二硫代磷酸鉬不同的是該類添加劑為粉末狀固體,其分子中不含磷元素,從而避免了磷元素可能對尾氣處理器催化劑的污染。1993年R.T.Vanderbilt公司]的研究人員研制出了鉬混合物。1999年??松芯颗c工程公司的研究人員研發出一種新型有機鉬潤滑油添加劑,Mo3Sx(L)4,(X=4~10,L=二烷基二硫代氨基甲酸鹽)。據稱該化合物減摩、抗磨性能良好,INFINEUM公司立即用該添加劑調配出高級潤滑油。乙基公司在潤滑油中加入有機鉬化合物后通過了ⅢE發動機程序,結果表明,含有機鉬為115—458毫克/升的發動機油的摩擦學性能全部優于不含鉬的潤滑油。日本東燃株式會社的研發的節能潤滑油中含有一定的二烷基二硫代氨基甲酸鉬添加劑。美國阿斯蘭德公司 調制的高級潤滑油中也添加了有機鉬潤滑油添加劑,該潤滑油表現出了良好的抗磨性能,可節省燃油3.4%。美國專利用SRV試驗評價了MoDTC和其它幾種添加劑復合后對摩擦系數的影響,試驗結果顯示,MoDTC在高溫下可明顯降低摩擦系數,MoDTC與ZDDP和分散劑復配其作用明顯。

                有研究表明有機鉬減摩劑和酯類減摩劑在改善油品的減摩性能有協同作用。酯類減摩劑減摩劑主要有兩種:一種為有機硼酸酯及其硼酸鹽類的衍生物;另一種為只含碳、氫、氧的長鏈有機酯。有機硼酸酯早期是作為抗氧劑加到潤滑油中的,后來的研究發現有很好的減摩抗磨作用。近十年來,美國專利陸續報道了大量硼酸酯化合物具有一定的減摩抗磨作用。硼酸酯與有機胺反應生成能夠合成比硼酸酯性能更高的摩擦改性劑;此外通過接枝咪唑啉、酰胺化等手段?成的硼酸酯類化合物也表現出更優的減摩抗磨作用。長鏈有機酯化合物和有機鉬減摩劑復配后在改善摩擦性能方面表現出非常好的協同作用。長鏈酯類減摩劑在比較寬的溫度范圍(40℃-140℃)內都具有比較明顯的減摩效果,但在低溫區(小于90℃)時效果最佳,在高溫區時會發生脫附現象并且還出現與其他活性添加劑競爭吸附的現象,從而影響減摩效果。有機鉬減摩劑在高溫區(大于120℃)才具有減摩作用。美國專利中都采用了有機鉬鹽和酯類化合物復配的減摩劑體系。

                三、納米潤滑油添加劑的應用

                將納米粒子應用于潤滑體系中,是一個全新的研究領域。納米粒子具有表面積大,高擴散性,易燒結性,熔點降低,硬度增大等特點,不但可以在摩擦表面形成一層易剪切的薄膜,降低摩擦系數,而且可對摩擦表面進行一定程度的填補和修復。用納米粒子作潤滑油添加劑,可對摩擦表面凹凸表面起填充和修復作用,減小表面粗糙度,增大實際接觸面積,起到減摩作用。納米粒子尺寸較小,可以認為近似球形,在摩擦表面可像鵝卵石一樣自由滾動,起到微軸承作用,對摩擦表面進行拋光和強化作用,并支撐負荷,使承載能力提高,摩擦系數降低。另外,納米微粒具有較高的擴散能力和自擴散能力,容易在金屬表面形成具有極佳抗磨性能的滲透層或擴散層,表現出原位摩擦化學原理。將納米微粒加入到潤滑油中作為添加劑或用有機物對納米微粒進行表面修飾后作為減摩添加劑使用,以改善潤滑油的摩擦學性能的研究已經有很多了。董凌等用化學方法制備了SiO2/ZnO復合納米潤滑油添加劑,并用四球機和環-塊試驗機分別考察了這種納米添加劑在礦物油中的抗磨減摩和修復性能。研究表明SiO2/ZnO復合納米潤滑油添加劑具有優良的減摩、抗磨和修復性能,在高溫下其在摩擦表面形成一層低剪切強度的表面膜,從而可減少摩擦界面的粘著磨損,表現出良好的減摩抗磨和修復性能?;粲袂锏?對納米二氧化硅作為潤滑油添加劑的摩擦學性能進行了研究,發現其可以明顯提高潤滑油基礎油的承載能力和抗磨性能。陳爽等用二烷基二硫代磷酸(DDP)及油酸 等對氧化鉛納米微粒進行了表面修飾,并對其作為潤滑油添加劑的摩擦學行為進行了研究,發現在極低的添加量下具有良好的抗磨效果。孫昂等用硬脂酸對二氧化鈦納米粒子進行了表面修飾,研究發現有機基團修飾的納米粒子具有優良的抗磨、減摩能力。陳月珠等采用硬脂酸和己二酸對TiO2納米粒子進行表面修飾,可以明顯地提高基礎油的減摩抗磨性能和承載能力。郭延寶等將納米銅粉加入潤滑油基礎油中進行磨損現象研究,發現納米銅粉作潤滑油添加劑時摩擦表面存在動態沉積自修復機制。于鶴龍等對有機物修飾的納米銅顆粒潤滑油添加劑的摩擦磨損性能進行了考察,研究表明在一定的添加量下潤滑油具有良好的抗磨減磨性能,在一定程度上提高了油品的承載能力。伏喜勝等制備了油溶性納米銅潤滑添加劑,研究表明添加了油溶性納米銅的潤滑體系的摩擦系數和磨損體積都小于參比油,具有優異的減摩抗磨性能。相同的復合劑體系下,粘度的降低可以有效的減小摩擦損失功率。比較簡單的辦法是增大油品的粘度指數,即保證油品高溫粘度提供足夠油膜厚度的同時,降低油品的低溫粘度,減小發動機啟動階段的摩擦阻力。高粘度指數油品的節能性在同粘度的基礎上可提升0.4%的燃油經濟性。

                摩擦改進劑分為有機和無機兩大類,其代表分別為甘油酸酯和MoDTC,二者均能有效的降低油品的摩擦系數。MoDTC是一種多功能添加劑,提供良好的減摩性的同時,在抗磨損和抗氧化方面均有良好的功效,最大失效里程在10000km左右。有機減摩劑品種較多,如甘油酸酯、酰胺、油酸等,在不影響其它添加劑功能的前提下,有選擇的使用才能達到節能效果。

                否則,減摩劑的極性過強會影響其它添加劑的功能團在摩擦副上的吸附,機油其它方面的性能難以發揮。近年來,發動機材料技術不斷發展,對易磨損部件,如活塞、凸輪等,進行噴涂或材料處理,如活塞裙部噴涂一層石墨狀材料(diamond like carbon,簡稱DLC),可以有效的保護活塞裙部的苛刻磨損。但由于質地有別于金屬材料,對添加劑的吸附會有所影響,需要重新評價減摩劑的節能性表現。

                 (來源:潤滑油與添加劑技術前沿)

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