润滑油分子科学概述之二性能保持剂(2)

图1 自发氧化反应机理（自由基生成过程）［1］

图2 润滑油氧化和抗氧剂作用机理示意

根据经验，某些金属（如铜和铁）能催化碳氢化合物的自氧化。磨损过程产生的金属表面具有一定的催化活性。当微小的磨损颗粒分散在润滑油中时，由于其表面积大，表面反应变得显著。金属减活剂与金属表面相互作用，阻断金属表面的活性位点。从机械论角度看，金属减活剂在固液界面上起作用，其他失活剂在液相中起作用。

抗氧剂在防止润滑剂老化过程中起决定性作用。自由基清除剂、金属减活剂等均属于抗氧剂。在润滑剂体系中，不同类型的抗氧剂经常一起用于润滑剂［9］。由于摩擦学过程通常会引起不同类型的自发氧化反应，因此不同的抗氧剂相互配合使用有助于防止老化过程同时发生。特别是自由基清除剂和金属减活剂复合具有协同作用。

清净剂

在某些添加剂（如摩擦改进剂）分子中含有氮、磷或硫原子。这些化合物氧化产生无机酸及其衍生物，如氮氧化产生的硝酸，抗磨剂氧化产生的硫磷酸化物等。这些酸性化合物可腐蚀金属表面，同时可促使润滑油老化。

清净剂可以中和或灭活这些具有腐蚀性的化学物质 (图 3)［10］。在清净剂表面活性剂的作用下，碳酸钙（CaCO3）微粒可以分散在烃类中。当润滑剂体系中形成酸性化合物时，清净剂释放出碱性盐，中和酸性物质。根据其结构特点，被称为“高碱值清净剂”。碱值和平均粒径是衡量这些添加剂质量的标准。

分散剂

内燃机工作中会产生烟炱。烟炱分散在润滑油中，会导致磨料磨损、密封材料损坏或摩擦改进剂消耗［11］。当老化程度加剧，有机氧化物转化为聚合物，这就产生了不溶物或沉淀物。

与金属材料的磨损颗粒相比，这些低聚物和聚合物是凝胶状的，不易被过滤掉。分散剂分子可以与这些有机污染物相互作用，并分散在液相中 (图 4)［12］。分散剂的主要作用是作为表面活性剂，与清净剂类似。分散剂分子具有更多的极性基团，以充分吸附有机污染物并使其在液相中保持分散。

腐蚀抑制剂和防锈剂

对金属材料的氧化降解通常是电化学反应造成，进而导致腐蚀或者锈蚀。贾凡尼式腐蚀（Galvanic corrosion，也称作电解腐蚀）是润滑体系中典型的腐蚀过程。

图3 清净剂作用机理（以柴油机油为例）

图4 分散剂作用机理（以柴油机油为例）

金属表面通常覆盖一层氧化物。摩擦过程会磨损氧化物层，并暴露出金属表面。金属与金属氧化物之间的电势不同。通常基础油是绝缘液体，但是一些添加剂可以增加润滑剂的导电性。因此，当导电润滑油液体存在于表面之间时，就形成了原电池。金属原子释放电子，通过增加氧化值形成金属离子(这个过程就是金属氧化)。从金属中释放出来的电子减少了系统中的氧分子(图5)。腐蚀的另一个原因是金属在无氧条件下被酸性化合物电离。这两种腐蚀机制都可以在机器暂停的静态条件下发生。

腐蚀抑制剂在金属表面形成保护层［13］。这种保护层可以是有机吸附型，形成分子保护层（物理吸附）；也可以是无机化合物层，形成被动保护层（化学吸附），类似于摩擦改进剂所形成的化学反应膜，但防腐蚀保护膜不需要具有机械强度。

抗泡剂和消泡剂

润滑油在工作和循环中会吸入空气而在油中形成气泡，进而导致油品黏度下降。油中气泡的产生使油-气界面变大，油与氧气的接触机会增大，促进基础油的自发氧化。因此，油中肉眼不可见的小气泡对油品性能危害很大。

抗泡剂由类似表面活性剂的分子组成，可以在气-液界面之间发生相互作用，将微小的气泡合并成一个大气泡，从而使大气泡从液体中释放出来（图 6）［14］。

破乳剂

水对于几乎所有的润滑剂而言是普遍存在的污染物。它会导致油品黏度下降、金属表面腐蚀、添加剂水解等。在具有表面活性剂性质的界面型添加剂的作用下，水能够以油包水乳液的形式分散在润滑剂中。破乳剂通过使界面型添加剂失活来破坏油包水乳液［1］。

图5 金属腐蚀及缓蚀剂作用机理

消泡剂和破乳剂的作用对象分别是除去润滑油中的气体、液体污染物。但是，它们的作用方式截然相反：消泡剂使气-液界面活化，而破乳剂使水-油界面失活(见图7)。

文章来源：《分子科学学报》 网址: http://www.fzkxxbzz.cn/qikandaodu/2021/0707/1143.html