納米TiO2添加劑對(duì)低黏度潤(rùn)滑油成膜性能的影響*

張 翔 劉曉玲 孫文東 郭 峰

(青島理工大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院 山東青島 266520)

納米二氧化鈦(TiO2)粒子，是一種用途廣泛的精細(xì)無(wú)機(jī)材料，具備良好的耐磨性、耐化學(xué)腐蝕性、抗紫外線能力，對(duì)金屬材料具有修復(fù)功能，且粒徑小、顆粒分布均勻、穩(wěn)定性好，以及在各基礎(chǔ)油中油溶性好等優(yōu)異特性[1-6]。納米TiO2添加劑中不含S、Cl、P等對(duì)環(huán)境有害的元素，同時(shí)作為堿性物質(zhì)，可以中和廢氣中的部分酸性物質(zhì)如SOx等；在強(qiáng)光照射下，納米TiO2粒子可以催化尾氣中固體顆粒的分解。因此，納米TiO2若用作發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸潤(rùn)滑油添加劑，可以減少尾氣中有害氣體和固體顆粒的排放，降低對(duì)環(huán)境的危害[7]。因而研究納米TiO2添加劑的油潤(rùn)滑性能，對(duì)于開發(fā)多功能型潤(rùn)滑油添加劑，滿足不同場(chǎng)合和工況條件的要求，具有重要意義。

近年來(lái)，針對(duì)納米TiO2添加劑，學(xué)者們開展了大量研究。張立等人[8]、LI等[9]、ARUMUGAM和SRIRAM[10]、程旭東[11]借助四球式摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)，研究發(fā)現(xiàn)一定質(zhì)量分?jǐn)?shù)的納米TiO2添加劑能夠顯著提高潤(rùn)滑油的抗磨減摩性能。BINU等[12]發(fā)現(xiàn)將納米TiO2粒子添加到軸承潤(rùn)滑油中，在提升潤(rùn)滑油減摩抗磨性能的同時(shí)，軸承的承載能力也有較大的提高。梁超等人[13]在基礎(chǔ)油中加入不同配比的SiO2/TiO2納米粒子，摩擦磨損實(shí)驗(yàn)表明：與單一納米添加劑相比，復(fù)合納米SiO2/TiO2添加劑在基礎(chǔ)油中表現(xiàn)出更優(yōu)的摩擦學(xué)性能。谷科城等[14]通過超聲反應(yīng)制備了疏水性納米TiO2(簡(jiǎn)稱SA-TiO2)，并對(duì)其摩擦學(xué)性能進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)納米微粒在鋼球摩擦表面形成了一層含菜籽油和SA-TiO2的吸附膜，并在摩擦剪切作用下發(fā)生摩擦化學(xué)反應(yīng)生成了一層含鈦、鐵氧化物的邊界潤(rùn)滑膜，這種邊界潤(rùn)滑膜起到了良好的潤(rùn)滑作用。錢建華等[15]利用四球摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)研究了經(jīng)硬脂酸修飾的納米TiO2添加劑潤(rùn)滑油的作用機(jī)制，通過對(duì)摩擦副表面磨痕的微觀分析，證明了納米TiO2粒子能夠填補(bǔ)摩擦表面凹痕并形成潤(rùn)滑保護(hù)膜。侯獻(xiàn)軍等[16]對(duì)Al2O3/TiO2納米粒子的摩擦學(xué)性能進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)摩擦磨損試驗(yàn)后金屬接觸副表面上生成了由Fe氧化物和Al2O3/TiO2納米粒子組成的復(fù)合邊界膜，起到了良好的抗磨減摩作用。但上述文獻(xiàn)并未對(duì)納米TiO2添加劑的潤(rùn)滑成膜性能展開研究。

綜上所述，目前關(guān)于納米TiO2添加劑的抗磨減摩性能及其作用機(jī)制已有系統(tǒng)而深入的研究，但針對(duì)其對(duì)潤(rùn)滑油潤(rùn)滑成膜性能的研究尚不多見。因此，本文作者選用低黏度的聚α烯烴(PAO8、PAO10)和聚醚(PAG)作為基礎(chǔ)油，利用四球式摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)研究不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)納米TiO2對(duì)于基礎(chǔ)油摩擦磨損性能的影響，并在點(diǎn)接觸光彈流潤(rùn)滑試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行潤(rùn)滑成膜實(shí)驗(yàn)，研究納米TiO2最佳質(zhì)量分?jǐn)?shù)下對(duì)3種低黏度基礎(chǔ)油潤(rùn)滑成膜性能的影響。

1 試驗(yàn)材料及方法

1.1 油樣制備及分析

選用2種類型的低黏度基礎(chǔ)油，一種是非極性的聚α烯烴-PAO8、PAO10基礎(chǔ)油，另一種是極性的聚醚-PAG基礎(chǔ)油。選擇的納米TiO2添加劑粒徑為30～50 nm，純度為99.9%，由徐州捷創(chuàng)新材料科技有限公司生產(chǎn)。

試驗(yàn)測(cè)得納米TiO2在PAO8、PAO10、PAG 3種基礎(chǔ)油中的最佳添加量分別為0.3%、0.3%、0.05%(均為質(zhì)量分?jǐn)?shù))。按納米TiO2最佳添加量制備3種納米TiO2潤(rùn)滑油，采用模塊化智能型高級(jí)流變儀EC-Twist 502測(cè)量3種基礎(chǔ)油和3種納米TiO2潤(rùn)滑油在23 ℃溫度下的動(dòng)力黏度，如表1所示?？梢姡琍AO8與PAO10雖均為非極性油，但其黏度不同；而PAO10與PAG雖分別為非極性油與極性油，但其黏度接近。在添加一定質(zhì)量分?jǐn)?shù)納米TiO2后，3種基礎(chǔ)油的黏度均有增加。

表1 不同潤(rùn)滑油23 ℃下的黏度

1.2 摩擦磨損試驗(yàn)

利用四球式摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)，分析納米TiO2在3種低黏度基礎(chǔ)油中的摩擦磨損性能。摩擦副為四球接觸，其中上方的鋼球由主軸帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)，下方的3個(gè)鋼球固定在油盒中。鋼球?yàn)镚Cr15軸承鋼，直徑為12.7 mm，硬度為60 HRC。試驗(yàn)工況為：溫度23 ℃，載荷30 N，轉(zhuǎn)速1 200 r/min，時(shí)間1 800 s，供油量12 mL(可完全覆蓋球面)。

試驗(yàn)開始前需要用石油醚清洗鋼球，再使用無(wú)水乙醇清洗鋼球表面的石油醚，然后將鋼球用氮?dú)獯蹈伞Ｔ囼?yàn)結(jié)束后重復(fù)同樣的操作，通過四球機(jī)油盒專用顯微鏡測(cè)量鋼球表面的磨斑直徑，選取3個(gè)鋼球磨斑直徑的平均值作為鋼球的磨斑直徑，每組試驗(yàn)重復(fù)3次后取平均值。

1.3 潤(rùn)滑成膜性能試驗(yàn)

利用實(shí)驗(yàn)室自主搭建的球盤點(diǎn)接觸光彈流潤(rùn)滑試驗(yàn)臺(tái)，分析3種納米TiO2潤(rùn)滑油的潤(rùn)滑成膜性能。摩擦副接觸方式為球盤接觸，其中球在下方，盤在上方。試驗(yàn)鋼球?yàn)镚5級(jí)，直徑為25.4 mm。盤為一面鍍分光鉻膜的玻璃盤，直徑為150 mm，厚度為15 mm。試驗(yàn)前將油樣通過針管或者微量取液器均勻地涂布在玻璃盤上，試驗(yàn)開始時(shí)，通過加載裝置施加載荷到預(yù)設(shè)值，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)帶動(dòng)玻璃盤轉(zhuǎn)動(dòng)，通過圖像采集系統(tǒng)采集干涉圖像，最后利用干涉圖像重構(gòu)出潤(rùn)滑油膜形狀，進(jìn)而直接反映出潤(rùn)滑油的相關(guān)特性。

2 結(jié)果與討論

2.1 納米TiO2摩擦磨損性能實(shí)驗(yàn)

圖1所示為不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的納米TiO2對(duì)PAO8、PAG和PAO10基礎(chǔ)油摩擦因數(shù)的影響。可以看出，隨著納米TiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，3種基礎(chǔ)油的摩擦因數(shù)均呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì)。與PAO8、PAG和PAO10基礎(chǔ)油的摩擦因數(shù)相比，當(dāng)納米TiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.3%、0.05%和0.3%時(shí)對(duì)應(yīng)的摩擦因數(shù)最低，摩擦因數(shù)分別降低了約54.5%、13.8%和52.4%。而當(dāng)納米TiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)進(jìn)一步增加時(shí)，與純基礎(chǔ)油相比摩擦因數(shù)反而增加。

里面有點(diǎn)兒暗，葉曉曉在一排水晶簾子后找到陳小北，他坐在角落里喝著咖啡，正用筆記本上網(wǎng)聽音樂，看到葉曉曉來(lái)了，他摘下耳機(jī)，示意葉曉曉坐在對(duì)面，并招手叫來(lái)了侍應(yīng)生。

圖1 納米TiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)基礎(chǔ)油摩擦因數(shù)的影響

圖2所示為不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)TiO2對(duì)PAO8、PAG和PAO10基礎(chǔ)油磨斑直徑的影響?？梢钥闯觯S著TiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，3種基礎(chǔ)油的磨斑直徑均呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì)，與圖1摩擦因數(shù)變化趨勢(shì)一致。對(duì)應(yīng)的最佳TiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.3%、0.05%以及0.3%。與PAO8、PAG和PAO10基礎(chǔ)油相比，添加最佳TiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)的潤(rùn)滑油潤(rùn)滑下磨斑直徑分別降低了約10.4%、7.7%和10.3%。

圖2 納米TiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)基礎(chǔ)油磨斑直徑的影響

為了進(jìn)一步分析基礎(chǔ)油在添加納米TiO2前后，鋼球表面的磨損機(jī)制。圖3給出了純基礎(chǔ)油PAO8和添加0.3%納米TiO2的潤(rùn)滑油潤(rùn)滑下在30 N載荷、1 200 r/min轉(zhuǎn)速下，試樣鋼球表面的磨痕形貌?？芍兓A(chǔ)油潤(rùn)滑下的鋼球表面較為粗糙，磨斑直徑相對(duì)較大，約為360 μm；磨損表面有大量的犁溝，擦傷程度較為嚴(yán)重。而添加0.3%納米TiO2潤(rùn)滑油潤(rùn)滑下的鋼球表面相對(duì)平滑，磨斑直徑減小，約為340 μm；磨損表面的犁溝數(shù)量減少，擦傷程度得到一定的緩解。原因在于，潤(rùn)滑油中少量的納米TiO2粒子可以填補(bǔ)在磨痕處，對(duì)磨痕表面起到了修復(fù)的作用[17]；同時(shí)納米TiO2能夠在摩擦副表面生成一層吸附膜[18]，吸附膜的存在改善了接觸副間的潤(rùn)滑條件，從而有效地降低了摩擦因數(shù)和磨斑直徑。而當(dāng)TiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)繼續(xù)增加時(shí)，與純基礎(chǔ)油相比，摩擦因數(shù)和磨斑直徑反而出現(xiàn)增大的現(xiàn)象，這是因?yàn)殡S著TiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，納米粒子團(tuán)聚作用越明顯導(dǎo)致的。說明基礎(chǔ)油中添加一定質(zhì)量分?jǐn)?shù)的納米TiO2可以起到很好的減摩抗磨作用。

圖3 鋼球表面磨斑處的SEM形貌

通過對(duì)比添加劑對(duì)摩擦因數(shù)和磨斑直徑的影響，可以得出，納米TiO2對(duì)PAO8基礎(chǔ)油的抗磨減摩性能的提升更優(yōu)于PAG和PAO10基礎(chǔ)油。分析認(rèn)為，與PAG和PAO10基礎(chǔ)油相比，PAO8基礎(chǔ)油的黏度更低，低黏度可以帶來(lái)較小的摩擦和磨損。而在黏度相近的情況下，因?yàn)樵囼?yàn)所選用的納米TiO2粒子是非極性的，而基礎(chǔ)油PAO10也是非極性的，根據(jù)相似相溶原理，納米TiO2在PAO10中的溶解性更優(yōu)于PAG，因此表現(xiàn)出的抗磨減摩性能也更好。綜上所述，納米TiO2對(duì)PAO8基礎(chǔ)油的抗磨減摩性能的提升最明顯，PAO10次之，最后為PAG基礎(chǔ)油。

2.2 納米TiO2潤(rùn)滑成膜性能試驗(yàn)

為了探究納米TiO2添加劑對(duì)PAO8、PAG和PAO10基礎(chǔ)油潤(rùn)滑成膜能力的影響，設(shè)定載荷為30 N，充分供油(約10 μL)，卷吸速度從100 mm/s增大到800 mm/s，研究3種基礎(chǔ)油在添加最佳質(zhì)量分?jǐn)?shù)納米TiO2前后，最小膜厚隨卷吸速度的變化。

圖4給出了6種潤(rùn)滑油的油膜光干涉情況隨卷吸速度的變化規(guī)律?？梢钥闯觯?dāng)卷吸速度較小時(shí)，接觸區(qū)內(nèi)未呈現(xiàn)出明顯的彈流潤(rùn)滑現(xiàn)象，油膜形狀與干接觸時(shí)類似；而隨著卷吸速度的增大，潤(rùn)滑油膜的馬蹄形特征開始出現(xiàn)并逐漸明顯；PAO8、PAG和PAO10基礎(chǔ)油在分別添加納米TiO2添加劑后，油膜光干涉圖的級(jí)次有明顯增加，表明加入一定質(zhì)量分?jǐn)?shù)納米TiO2后，潤(rùn)滑油的油膜厚度增加，潤(rùn)滑成膜性能增強(qiáng)。

圖5所示為載荷30 N、充分供油條件下，PAO8、PAG和PAO10基礎(chǔ)油及其添加最佳質(zhì)量分?jǐn)?shù)納米TiO2潤(rùn)滑劑的最小膜厚隨卷吸速度的變化曲線。x為沿著卷吸速度方向，y為垂直于卷吸速度方向，定義膜厚方向沿著y=0截面(如圖4(a)中所示)?？芍S著卷吸速度的增加，不同潤(rùn)滑劑對(duì)應(yīng)的最小膜厚逐漸增加；在相同的卷吸速度下，與純基礎(chǔ)油的最小膜厚相比，添加一定質(zhì)量分?jǐn)?shù)納米TiO2后最小膜厚明顯增加。說明添加適量的納米TiO2粒子有利于提高潤(rùn)滑油的成膜性能。

圖5 不同潤(rùn)滑油的最小膜厚隨卷吸速度的變化

分析認(rèn)為，在基礎(chǔ)油中加入一定質(zhì)量分?jǐn)?shù)的納米TiO2粒子后，潤(rùn)滑油黏度增大(見表1)，引起油膜厚度增加；同時(shí)納米TiO2能夠在摩擦副表面吸附沉淀，生成一層穩(wěn)定的吸附膜[19]，吸附膜的存在改善了接觸副間的潤(rùn)滑條件，使得潤(rùn)滑油更易進(jìn)入接觸區(qū)，從而導(dǎo)致油膜厚度增大。

同時(shí)，為了探討其他影響納米TiO2粒子潤(rùn)滑油成膜性能的因素，研究了基礎(chǔ)油為PAO8時(shí)，不同的納米粒子添加量和載荷對(duì)潤(rùn)滑油最小膜厚的影響。

圖6所示為載荷30 N、轉(zhuǎn)速400 mm/s、充分供油條件下，納米TiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)潤(rùn)滑油最小膜厚的影響。

圖6 納米TiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)最小膜厚的影響

由圖6可以看出，隨著納米TiO2粒子質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，潤(rùn)滑油的最小膜厚也逐漸增加。原因有兩點(diǎn)，一是添加量的增加會(huì)引起潤(rùn)滑油黏度的增加，從而導(dǎo)致最小膜厚的增加；二是隨著TiO2添加量的增多，更多的納米粒子進(jìn)入到接觸區(qū)，提高了接觸區(qū)內(nèi)潤(rùn)滑油的成膜能力，因此潤(rùn)滑油的最小膜厚也隨之增加。然而第二點(diǎn)原因僅僅只是理論猜想，暫時(shí)還沒有試驗(yàn)觀察到接觸區(qū)內(nèi)納米粒子實(shí)際分布情況，添加量的增多是否表明有更多的納米粒子進(jìn)入到接觸區(qū)，有待后續(xù)試驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證。

表2所示為納米TiO2粒子質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.3%、充分供油條件下，載荷對(duì)潤(rùn)滑油最小膜厚的影響?？芍?，當(dāng)納米粒子質(zhì)量分?jǐn)?shù)一定時(shí)，載荷越小，最小膜厚增加越明顯。這與無(wú)添加劑時(shí)，膜厚隨載荷的變化規(guī)律一致。

表2 載荷對(duì)最小膜厚的影響(400 mm/s)

3 結(jié)論

(1)在基礎(chǔ)油中加入一定質(zhì)量分?jǐn)?shù)的納米TiO2添加劑能夠明顯提高潤(rùn)滑油的抗磨減摩性能，當(dāng)PAO8、PAG和PAO10中分別加入0.3%、0.05%和0.3%質(zhì)量分?jǐn)?shù)的TiO2時(shí)，摩擦因數(shù)和磨斑直徑均最小。綜合比較摩擦因數(shù)和磨斑直徑，納米TiO2在PAO8基礎(chǔ)油中表現(xiàn)出較好的抗磨減摩性能，摩擦因數(shù)減小了約54.5%，磨斑直徑降低了約10.4%，鋼球表面擦傷程度得以緩解。

(2)隨著卷吸速度的增加，潤(rùn)滑油的最小膜厚逐漸增加；相同卷吸速度下，與純基礎(chǔ)油相比，添加一定質(zhì)量分?jǐn)?shù)納米TiO2添加劑的最小膜厚明顯增加。隨著納米TiO2粒子添加量的增加，最小膜厚增加，表明納米TiO2的加入可以提高潤(rùn)滑油的潤(rùn)滑成膜性能。