超細(xì)重質(zhì)碳酸鈣與納米碳酸鈣的摩擦性能對(duì)比研究

趙金城 蔣海福 李浩銘 黃福川

摘? ? ? 要：通過(guò)對(duì)比研究超細(xì)重質(zhì)碳酸鈣與納米碳酸鈣的抗磨減摩性能，采用了MR-S10G型杠桿四球摩擦試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行四球?qū)嶒?yàn)，利用光學(xué)顯微鏡觀察鋼球表面的磨斑形貌。通過(guò)對(duì)二者磨斑直徑、最大無(wú)卡咬負(fù)荷以及摩擦系數(shù)的對(duì)比分析，結(jié)果表明，二者均具有良好的抗磨減摩效果，其中超細(xì)重質(zhì)碳酸鈣具有更加優(yōu)異的抗磨減摩性能。

關(guān)? 鍵? 詞：納米碳酸鈣;超細(xì)重質(zhì)碳酸鈣;四球?qū)嶒?yàn);抗磨減摩性能;

中圖分類號(hào)：TQ047? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A? ? ? ?文章編號(hào)： 1671-0460（2019）09-1968-04

Abstract： The anti-wear and anti-friction properties of ultrafine ground calcium carbonate and nano precipitated calcium carbonate were studied through comparison experiments with MR-S10G four-ball friction testing machine. The results showed that both of them had good anti-wear and anti-friction effect， especially the ultrafine ground calcium carbonate had more excellent anti-wear and anti-friction performance.

Key words： Nano calcium carbonate; Ultrafine ground calcium carbonate; Four-ball test; Anti-wear and anti-friction

碳酸鈣作為一種綠色環(huán)保的無(wú)機(jī)化合物，被廣泛應(yīng)用于造紙、建材、日用化工、涂料、醫(yī)藥、化妝品、密封材料等各個(gè)行業(yè)[1]。原材料獲取容易，主要來(lái)源于天然方解石、石灰石、白堊、大理石[2]。由于其綠色、環(huán)境友好和具有良好的承載能力的特點(diǎn)，逐漸被應(yīng)用于潤(rùn)滑劑領(lǐng)域。通過(guò)機(jī)械方法直接破碎天然方解石、石灰石等礦石進(jìn)行直接研磨得到所需要細(xì)度的粉體，稱為重質(zhì)碳酸鈣，重質(zhì)碳酸鈣粉體細(xì)度在2～10 ?m之間，稱為超細(xì)碳酸鈣（簡(jiǎn)稱UGCC）。將石灰石等原材料經(jīng)過(guò)煅燒成石灰，再由一系列化學(xué)方法生成碳酸鈣沉淀，最后經(jīng)脫水、粉碎制得所需的碳酸鈣粉體稱為輕質(zhì)碳酸鈣，經(jīng)過(guò)化學(xué)方法制備的碳酸鈣粒子粒徑小于100 nm，稱為納米級(jí)碳酸鈣（簡(jiǎn)稱NPCC）。隨著人們對(duì)環(huán)保問(wèn)題的關(guān)注，潤(rùn)滑材料及其添加劑造成的環(huán)境污染問(wèn)題受到高度重視[3， 4]，因此，未來(lái)的潤(rùn)滑技術(shù)一定兼顧著高效、綠色環(huán)保的多重要求[5]。由于碳酸鈣原材料易得且成本低廉，在考慮到環(huán)境友好和制備成本的情況下，選用碳酸鈣為原料作為環(huán)保潤(rùn)滑材料添加劑。自從納米材料問(wèn)世以來(lái)，因其獨(dú)特的物理化學(xué)性能，被廣泛關(guān)注并應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域[6]。近年來(lái)，大量的研究也已經(jīng)表明，納米材料作為潤(rùn)滑材料添加劑可以顯著提高基礎(chǔ)油的減摩抗磨性能[7]。NPCC作為潤(rùn)滑材料添加劑的研究也引起了大家的關(guān)注。MingZhang等[8]、Xianbing Ji等人[9]分別考察了NPCC粒子作為基礎(chǔ)油添加劑時(shí)的摩擦學(xué)性能，結(jié)果表明，NPCC能夠有效改善基礎(chǔ)油的摩擦學(xué)性能。雖然碳酸鈣作為潤(rùn)滑材料添加劑的研究不少，但是主要集中在NPCC的研究，而對(duì)UGCC添加劑摩擦學(xué)性能的研究基本空白。NPCC因具有特殊的物理結(jié)構(gòu)以及比表面積大、表面活化能高的特點(diǎn)[10]，使其在分散穩(wěn)定性和耐腐性等方面存在些許不足[11]。而UGCC粒子具有很好的穩(wěn)定性、較低的硬度和很好的韌性，多種優(yōu)良性能的組合可以展現(xiàn)更好地潤(rùn)滑效果[12]。

近年來(lái)，UGCC因其穩(wěn)定性好、白度高、硬度低、分散性好等優(yōu)點(diǎn)受到越來(lái)越多的關(guān)注。因此，本文選用UGCC作為基礎(chǔ)油添加劑與NPCC進(jìn)行實(shí)驗(yàn)對(duì)比，根據(jù)摩擦學(xué)實(shí)驗(yàn)對(duì)比，結(jié)果表明：UGCC具有比NPCC更優(yōu)異的抗磨減摩性能。

1? 實(shí)驗(yàn)部分

1.1? 試驗(yàn)材料與儀器

BSM-220.4型號(hào)天平，上海卓精電子科技有限公司; FJ200-S實(shí)驗(yàn)室分散勻質(zhì)機(jī)，上海昂尼儀器儀表有限公司; KQ-100KDE超聲清洗器，昆山市超聲儀器有限公司; 78-1A型磁力加熱攪拌器，杭州儀表電機(jī)有限公司; MR-S10G型杠桿四球摩擦試驗(yàn)機(jī)，濟(jì)南時(shí)代試金試驗(yàn)機(jī)廠; CCM-600E型光學(xué)顯微鏡，上海長(zhǎng)方光學(xué)儀器有限公司;S-3400N型號(hào)掃描電子顯微鏡， 日本日立公司;石油醚，AR，廣東光華科技股份有限公司;已改性NPCC與UGCC，廣西華納新材料科技有限公司;基礎(chǔ)油（美孚PAO6），?？松梨诠?。

1.2? 油樣的制備

本實(shí)驗(yàn)采用美孚公司生產(chǎn)的PAO6基礎(chǔ)油作為試驗(yàn)用油，其基本性能參數(shù)如表1所示。取基礎(chǔ)油（PAO6）40 g，分別加入不同添加量的UGCC粉體（質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.01%、0.03%、0.05%、0.1%），用FJ200-S實(shí)驗(yàn)室分散勻質(zhì)機(jī)進(jìn)行分散（轉(zhuǎn)速為3 300 r/min，分散時(shí)間90 min）。待粉體分散后，用78-1A磁力加熱攪拌器進(jìn)行加熱攪拌（加熱溫度70 ℃，加熱時(shí)間60 min）。得到UGCC油樣，立即進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)定。同理配制出不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的NPCC油樣。

1.3? 抗磨損性能實(shí)驗(yàn)

采用濟(jì)南時(shí)代試金試驗(yàn)機(jī)廠生產(chǎn)的MR-S10G型杠桿四球摩擦試驗(yàn)機(jī)考察NPCC與UGCC的抗磨損性能（設(shè)置載荷為 392 N，轉(zhuǎn)速為1 200 r/min， 溫度75 ℃， 試驗(yàn)時(shí)間60 min。操作方法按SH/T0189- 1992進(jìn)行）。試驗(yàn)所用鋼球均為GCr15標(biāo)準(zhǔn)鋼球（AISI-52100）， 直徑為12.7 mm， 硬度為HRC64～66（鋼球選用按GB/T 308標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施）。試驗(yàn)結(jié)束后，用讀數(shù)顯微鏡（精度±0.01 mm）測(cè)量3個(gè)試球的磨斑直徑， 取平均值作為磨斑直徑測(cè)定值。用CCM-600E型光學(xué)顯微鏡（SEM）觀察試驗(yàn)鋼球的磨斑形貌。

2? 結(jié)果與分析

2.1? NPCC與UGCC形態(tài)與粒徑觀察

圖1為NPCC 與UGCC在S-3400N型號(hào)掃描電子顯微鏡下的粉體形貌，圖中可以看出：NPCC粉體基本呈球狀，其粒徑在80～90 nm左右;UGCC粉體粒徑7～9μm左右，粉體呈不規(guī)則六面體，粉體大小基本均勻。

2.2? NPCC與UGCC摩擦學(xué)性能對(duì)比分析

圖2示出了磨斑直徑隨著NPCC添加量的變化曲線。圖2中可以看出：空白基礎(chǔ)油磨斑直徑均值為0.492 mm。NPCC質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.03%時(shí)，曲線達(dá)到了最低谷，此時(shí)磨斑直徑為0.428，較空白基礎(chǔ)油降低了13.0%。當(dāng)NPCC添加量增加到0.05%時(shí)，曲線反而回升，磨斑直徑又增大到0.492 mm，質(zhì)量分?jǐn)?shù)繼續(xù)增大到0.1%時(shí)，磨斑直徑已經(jīng)達(dá)到0.496 mm，抗磨效果反而變差。因此，當(dāng)NPCC質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.03% 時(shí)的基礎(chǔ)油磨斑直徑，較之其他幾個(gè)含有不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)NPCC的基礎(chǔ)油最小。

圖3為磨斑直徑隨著UGCC添加量的變化曲線?？瞻谆A(chǔ)油的磨斑直徑為0.492 mm?；A(chǔ)油中UGCC的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.03%時(shí)，磨斑直徑為0.420，較之空白基礎(chǔ)油磨斑直徑降低了14.6%。UGCC質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.05%時(shí)，磨斑直徑又增大到0.458 mm，UGCC質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1%時(shí)，磨斑直徑已經(jīng)達(dá)到0.493 mm。因此，實(shí)驗(yàn)說(shuō)明：基礎(chǔ)油中UGCC質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.03%時(shí)，具有更好的抗磨性能。

圖4示出NPCC摩擦系數(shù)隨時(shí)間變化的曲線。

如圖4所示：空白基礎(chǔ)油摩擦系數(shù)約為0.046。含有0.01%NPCC的基礎(chǔ)油，摩擦系數(shù)降低但不明顯，NPCC質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.03%時(shí)，摩擦曲線波動(dòng)較平緩，摩擦系數(shù)約為0.031，較之空白基礎(chǔ)油有明顯的下降。NPCC粒子質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.05%的基礎(chǔ)油，摩擦曲線波動(dòng)劇烈，摩擦系數(shù)反而增大。結(jié)果說(shuō)明：當(dāng)基礎(chǔ)油中NPCC質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.03%時(shí)，具有很好的減摩效果。

圖5示出UGCC摩擦系數(shù)隨時(shí)間變化的曲線，如圖所示：空白基礎(chǔ)油摩擦系數(shù)約為0.046，摩擦曲線波動(dòng)范圍大，加入0.01%UGCC的基礎(chǔ)油較之空白基礎(chǔ)油摩擦系數(shù)有所降低，但不明顯。加入0.03%UGCC的基礎(chǔ)油摩擦曲線變平緩，摩擦系數(shù)明顯降低，約為0.027。加入0.05%UGCC的基礎(chǔ)油，摩擦系數(shù)對(duì)比之前反而增大，當(dāng)基礎(chǔ)油含有的UGCC質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1%時(shí)，摩擦曲線波動(dòng)劇烈，摩擦系數(shù)明顯增大。結(jié)果表明： UGCC的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.03%時(shí)，達(dá)到優(yōu)良的減摩效果。

2.3? 最大無(wú)卡咬負(fù)荷的測(cè)定

圖6為空白基礎(chǔ)油與各種添加劑百分含量為0.03%時(shí)的最大無(wú)卡咬負(fù)荷（PB值）（實(shí)驗(yàn)方法按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T12583-1998實(shí)施）。如圖所示：空白基礎(chǔ)油的PB值為667 N，NPCC與UGCC含量為0.03%時(shí)，PB值均為726 N。由此可以看出，NPCC與UGCC作為基礎(chǔ)油添加劑均具有更好的極壓性能。

2.4? 結(jié)果對(duì)比分析

根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析：加入NPCC與UGCC質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.03%時(shí)，均具有良好的抗磨減摩性能，此時(shí)通過(guò)對(duì)二者磨斑直徑、摩擦系數(shù)和PB值的對(duì)比，可以看出： UGCC具有更優(yōu)異的的摩擦學(xué)性能。為探究其二者的摩擦學(xué)性能的差異，通過(guò)CCM-600E型光學(xué)顯微鏡對(duì)磨斑表面進(jìn)行了觀察，圖7為空白基礎(chǔ)油和添加量0.03%的NPCC與UGCC的磨斑形貌。

從圖7（a）可以看出，鋼球磨斑表面有較嚴(yán)重的劃傷，磨痕明顯且有很深的犁溝。比較圖（a），圖（b）鋼球磨斑表面劃傷減緩，磨痕也變淺。圖（c）對(duì)比圖（a）與圖（b），磨斑表面光滑，基本無(wú)劃傷，磨痕也更淺，抗磨減摩效果顯著。說(shuō)明UGCC粉體具有更加優(yōu)異的摩擦學(xué)性能。

NPCC粉體的粒徑在80～90 nm之間，呈球狀。摩擦進(jìn)行時(shí)，NPCC粉體進(jìn)入摩擦區(qū)域，沉積在鋼球表面，并形成一層潤(rùn)滑膜，該潤(rùn)滑膜可以減少摩擦副直接的接觸，由此起到抗磨減摩的作用。因?yàn)镹PCC具有較高表面活化能，使其粉體易團(tuán)聚，所以隨著添加量的增加，過(guò)多的粉體在鋼球表面沉積，團(tuán)聚在一起形成大顆粒，造成潤(rùn)滑膜的連續(xù)性減弱，使摩擦學(xué)性能降低。太少量的NPCC不足以在鋼球表面形成潤(rùn)滑膜，因此，不能夠達(dá)不到好的抗磨減摩效果。

UGCC粉體粒徑在7～9μm左右，粉體呈不規(guī)則的六面體，UGCC亦能在鋼球表面形成較好的保護(hù)膜，降低摩擦副之間的摩擦損耗，從而達(dá)到良好的抗磨減摩作用。UGCC較之NPCC粒徑大且具有較低的硬度，具有更好的韌性，形成的保護(hù)膜從而具有更好的抗磨減摩能力。UGCC較之NPCC有更好的熱穩(wěn)定性和耐腐蝕性，使在復(fù)雜的摩擦環(huán)境以及摩擦過(guò)程中產(chǎn)生的熱量等作用下，仍具有較好的耐腐蝕性和抗磨減摩能力。二者潤(rùn)滑效果與其粉體形狀有關(guān)，在潤(rùn)滑過(guò)程中， NPCC與UGCC均起到類似軸承滾珠的作用，降低了摩擦副之間的摩擦磨損。呈球狀的NPCC硬度較高，且球狀粒徑相對(duì)于鋼球表面摩擦小，不能很好的對(duì)其表面凹處進(jìn)行修復(fù)，而UGCC硬度相對(duì)較低，粉體呈不規(guī)則六面體，能夠更加有效地對(duì)鋼球表面溝壑進(jìn)行填補(bǔ)和修復(fù)，協(xié)同其更好的韌性，能夠更加有效發(fā)揮其抗磨減摩性。UGCC粉體粒徑達(dá)到微米級(jí)別，同樣具備微觀粒子的物理特性，具備更加優(yōu)異的抗磨減摩性能。

3? 結(jié) 論

（1）分別配制出的含有NPCC的基礎(chǔ)油和含有UGCC的基礎(chǔ)油均具有很好的抗磨減摩性能，且UGCC的抗磨性能較之NPCC的抗磨減摩性能更好。

（2）配制的基礎(chǔ)油中的UGCC的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.03%時(shí)，磨斑直徑從0.492 mm降到0.420 mm，降低了14.6%。摩擦系數(shù)從0.046左右降到0.027。

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