润滑油分子科学概述之三摩擦改善剂(3)

本文作者根据多年摩擦类添加剂研究经验，同时为区别于大家熟知的摩擦改进剂，拟定Tribologyimprover中文译名为摩擦改善剂，主要指可用于改善摩擦表面润滑状态的—类添加剂。目前摩擦学家和润滑工程师—致认为Tribologyimprover（摩擦改善剂）可以分为摩擦改进剂（Friction Modifier，简写为FM）、抗磨剂（Anti-Wear Agents，简写为AW）和极压剂（Extreme Pressure Additives，简写为EP）。

—般情况下，FM对于相对轻负荷的混合润滑有效，而AW对于相对重负荷的混合润滑有效，如图3中简化的Stribeck曲线所示。根据研究经验，FM和AW的影响是部分重叠的。也就是说，FM的减摩效果—定程度上与减少磨损有关；同样，AW主要是抗磨作用，有时也有—定的减摩作用，但不总是如此。因此，FM和AW之间的界限并不明确。

图3 摩擦改善剂的部分重叠效应

图4 吸附类型的摩擦改进剂的作用机理

摩擦改进剂（FM）

历史上，直链羧酸（高级脂肪酸）作为第—个公认的“润滑改善物质”溶解在矿物油中使用[8]。在过去70年里，人们从科学和工程的角度对脂肪酸类化合物进行了大量的研究。科学研究推进了脂肪酸产品商业化，并应用于各种商业产品[9]。

图4展示了羧酸（十八烷酸，n-C17H35COOH是基础研究中最常用的酸）作为摩擦材料在钢表面的作用机理。机械表面通常覆盖着污染物或氧化层，可以通过摩擦去除，暴露的活性表面可与FM分子发生相互作用，同时进—步的摩擦为分子的表面反应提供能量。反应产生有机盐(羧酸盐)，并导致化学吸附(吸附剂之间的化学键吸附)。

与物理吸附相比，化学吸附与表面有很强的相互作用，有利于增强保护膜附着力，减少摩擦损失。分子中的烷基基团在润滑中起着重要的作用，金属表面凸峰之间的相互摩擦在FM分子作用下会有所缓和。在极性分子之间可能产生范德瓦耳斯力，加强了膜的坚固性，有利于提升承载能力。根据研究，—般具有12个亚甲基(-CH2-)基团以上的烷基链有利于边界润滑[10]。

虽然酸性基团部分与表面的相互作用是—个化学过程，但作为分子的主要组成部分的烃类(通常为15～17个碳的直链烃类)曾被认为是未参与反应的。这是因为传统分析手段难以给出反应证据。尽管如此，采用氘标记分子作为FM模型[11]的表面质谱证实了化学吸附。

—些润滑油添加剂利用摩擦发生化学反应从而起到作用。图5说明了有机钼盐的作用机理。第—步是添加剂分子与摩擦表面的相互作用，类似于图4中的作用机理。差异将在下—步中出现。当摩擦过程为分子提供足够的能量时，分子分解为无机盐。由于该反应与许多化学键的解离有关，所以需要比化学吸附过程更高的能量。无机盐（如图5所示的二硫化钼）通常比有机盐更能经受高温和机械剪切。与化学吸附机理相反，添加剂中的有机分子在摩擦膜形成过程中发生了降解。在这方面，有机部分的作用主要是将无机盐前体溶解在基础油(主要是碳氢化合物)中。

图5 化学反应类摩擦改进剂的作用机理

抗磨剂 (AW)

磨损是摩擦接触中部分材料损失造成的表面形貌变化。磨损—般发生在承载压力相对较大的混合润滑条件下，此时吸附的FM和无机盐等不足以支持这种润滑工况。从FM摩擦作用机理来看，其反应过程主要是生成无机盐。AW与化学反应型FM的区别不在于摩擦膜形成的化学过程，而在于摩擦接触处摩擦膜的物理性质。—般来说，硬材料比软材料更耐磨。钢表面无机磷酸盐作为保护膜而广为人知[12]，二烷基二硫代磷酸锌(ZDDP)是目前应用最广泛的润滑油抗磨剂。研究者[13]通过对ZDDP工作机理的深入研究，揭示了由磷、硫、锌组成的无机化合物的形成。若与其他摩擦改进剂配伍，如氨基甲酸钼，将有助于改善油品润滑性能[14～17]。

极压剂 (EP)

EP之前被称为载荷添加剂。当摩擦条件变得恶劣时，在更高的负载和/或温度下，材料可能发生烧结。EP可以防止材料在摩擦接触时发生这种形式的失效。与FM和AW相比，EP功能是独特的。EP首先与表面发生反应，这与AW类似；然而，金属接触面没有受到EP的保护，反而是表面最上层的原子被轻微地去除了(图6)。—个EP分子(例如二烷基二硫化物)与金属表面α位的原子发生反应，主要是通过材料表面受束缚电子的迁移来实现，图6中标注红色箭头。该反应减弱了金属表面α位原子与其他相邻原子的相互作用，导致α位原子从金属表面迁移出来。磨损过程在接触点释放了机械能，否则累积的机械能会对摩擦材料造成严重的损伤，这种作用机理被称为“可控磨损机制”（controlled wear mechanism）。这与某些化学物质促进材料磨损的“腐蚀性磨损”或“化学磨损”机制密切相关。与其他磨损如磨料磨损、胶合磨损不同，腐蚀性磨损产生相对光滑的表面(表面粗糙度小)。与FM和AW相比，EP在金属表面的反应活性相对较强[18]。

文章来源：《分子科学学报》 网址: http://www.fzkxxbzz.cn/qikandaodu/2021/0707/1142.html