（机械设计及理论专业论文）聚氧乙烯基醚水基润滑液摩擦学特性研究.pdf

， f k 1 | 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 提供阅览服务，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。 同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：导师签名： 1 嘲况 签字日期：硼f c 7 年月，6 日签字日期：。纠，年( 月，彦日 ，l - 4 中图分类号：t h l l 7 u d c ：6 2 1 学校代码：1 0 0 0 4 密级：公开 北京交通大学 硕士学位论文 聚氧乙烯基醚水基润滑液摩擦学特性研究 s t u d yo nt r i b o l o g i c a lp r o p e r t i e so fw a t e r - b a s e dl u b r i c a n t sw i t h p o l y e t h o x y l a t ee t h e ra d d e d 作者姓名：刘俊铭 导师姓名：张朝辉 张晨辉 学位类别：工学 学号：0 8 1 2 1 8 3 9 职称：副教授 副研究员 学位级别：硕士 学科专业：机械设计及理论研究方向：精密制造与摩擦学 北京交通大学 2 0 1 0 年6 月 致谢 本论文的工作是在导师张朝辉副教授和张晨辉副研究员的悉心指导下完成 的，两位老师严谨的治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响，不仅 授之以文，而且教会做人。在此衷心感谢两年来张朝辉老师以及在清华大学做课 题的一年中张晨辉老师对我的关心和指导。 在清华大学摩擦学国家重点实验室工作的一年间，我渐渐并且深深的喜欢上 了奥妙的水基润滑世界。从课题的入手，实验的设计，结果的分析，再到最后论 文的撰写，每一步张朝辉和张晨辉老师都对我精心点拨、耐心指导、热忱鼓励。 期间，在化学分析以及试样的选择方面，感谢王岩给予的热情帮助；在成膜特性 研究中感谢左学勇，刘书海、马丽然和李刚博士生为我提供的建议和指导；在摩 擦磨损实验中感谢马陟祚博士生对仪器的使用经验和技巧给予作者提供的帮助。 同交大实验室刘思思博士生之间的交流也使我受益匪浅，对作者提供过帮助 的还有张寒冰和孙跃涛硕士生，兰惠清和常秋英副教授及其研究生，以及美国 o a k l a n du n i v e r s i t y 的q i a nz o u 副教授，在此一并表示深深的谢意。 感谢机电硕0 8 0 1 班全体同学，在这两年的研究生生活和学习中，他们每一个 人都给予了我太多的关心和帮助，带给了我太多的快乐与美好的回忆，谢谢你们。 最后，深深的感谢我的家人，他们含辛茹苦、默默无闻，在我漫漫求学的道 路上给予了太多的理解和支持，才使我能够在学校专心、专注的完成学业。 另外，本课题承蒙国家自然科学基金“极端间隙条件下有序结构润滑的实验 与机理研究( 5 0 7 0 5 0 6 ) 、北京市自然科学基金“有序结构智能润滑及其在微机电 系统中的应用研究 ( 3 0 8 2 0 1 5 ) 以及教育部重点项目“微间隙有序结构润滑的实 验研究”( 0 6 5 0 1 4 5 2 4 ) 资助，特此致谢。 j 、 是，相对于油来说水的表面张力、粘度和粘压系数较低，润滑性能差较差，因此 人们尝试着在水中添加各种功能添加剂来改善其润滑性能。 本文针对水基润滑液润滑性能较差的缺点，在水中加入了几种聚氧乙烯基醚， 并应用流变仪、纳米级润滑膜厚度测量仪、微摩擦试验机、四球摩擦试验机等实 验设备以及表面形貌仪、扫描电子显微镜( s e m ) 和能量色散光谱仪( e d s ) 等 分析手段分别对水基润滑液的流变特性、成膜特性、在钢铝和钢钢摩擦副间的减 摩抗磨特性以及抗磨极压特性进行了系统的研究。主要的研究内容归纳如下： ( 1 ) 对水的基本摩擦学性能研究：包括水的成膜特性以及轻载时水在钢铝和钢 钢金属摩擦副间的减摩抗磨特性。 。 ( 2 ) 对聚氧乙烯基醚水溶液流变特性的研究：包括水溶液的浓度和温度对其粘 度的影响。 ( 3 ) 对聚氧乙烯基醚水溶液成膜特性的研究：包括半浸泡和全浸泡润滑条件、 浓度以及温度达到浊点后对其成膜性能的影响。 ( 4 ) 对聚氧乙烯基醚水溶液在钢铝和钢钢金属摩擦副间减摩抗磨特性的研 究：包括轻载时的载荷与浓度的变化对其润滑性能的影响，以及重载下浓度与转 速对其抗磨极压特性的影响。 图5 2 幅，表1 0 个，参考文献8 7 篇。 关键词：聚氧乙烯基醚；水基润滑液；成膜特性；减摩、抗磨和极压性能 分类号：t h l l 7 i - - a bs t r a c t a b s t r a c t ：t h ea p p l i c a t i o no fm i n e r a lo i l b a s e dl u b r i c a n th a sb e e ng r e e t l yr e s t r i c t e d d u et ot h ew o r d w i d ee n e r g ys h o r t a g ea n de n v i r o n m e n t a lp o l l u t i o n t h e r e f o r e , t h e w a t e r - b a s e dl u b r i c a n th a sa t t r a c t e dm o r ea n dm o r ea t t e n t i o n sd u et oi t so u t s t a n d i n g a d v a n t a g e s ，s u c ha sr e s o u r c e f u l ，c o n v e n i e n tf o rs t o r a g ea n dt r a n s p o r t a t i o n ，i n c o m b u s t i l e ， n o n t o x i ca n dp o l l u t i o n f r e e h o w e v e r , b e c a u s eo ft h el o ws u r f a c et e n s i o n ，v i s c o s i t ya n d v i s c o s i t y - p r e s s u r ec o e f f i c i e n t ，w a t e rc o i l tb eu s e da sl u b r i c a n td i r e c t l y a sas o l u t u i o n , a d d i t i v e sa r eo f t e na d d e di n t ot h ew a t e rt oi m p r o v ei t sl u b r i c a t i n gp e r f o r m a n c e i nt h i ss t u d y , s e v e r a lw a t e r - s o l u b l ep o l y e t h o x y l a t ee t h e r sw e r ea d d e di nt h ew a t e r t oi m p r o v ei t s l u b r i c a t i n gb e h a v i o r t h er h e o l o g i c a lp r o p e r t i e s ，t h ef i l mf o r m i n g c h a r a c t e r i s t i c s ，t h ef r i c t i o n r e d u c i n g , t h ea n t i w e a ra n dt h ee x t r e m ep r e s s u r ep r o p e r t i e s f o rm e t a l l i cf r i c i i o n a l p a i r s w e r es y s t e m a t i c a l l y i n v e s t i g a t e db yu s i n gk i n d so f m e a s u r i n gi n s t r u m e n t s ，s u c ha st h el u b r i c a t i o nf i l mt h i c k n e s sm e a s u r i n gi n s t r u m e n t ，t h e r h e o m e t e r , t h eu n i v e r s a l m i c r o - t r i b o t e s t e ra n dt h ef o u r - b a l lf r i c t i o nt e s t e r t h e l u b r i c a t i n g a n dw e a rm e c h a n i s m sw e r ea n a l y z e db yt h es u r f a c ep r o f i l o m e t e r , t h e s c a n n i n ge l e c t r o nm i c r o s c o p e ( s e m ) a n dt h ee n e r g yd i s p e r s i v es p e c t r o m e t e r ( e d s ) t h em a i nr e s e a r c hw o r ki nt h i st h e s i si ss u n u n a r i z e db e l o w ： ( 1 ) t h eb a s i ct r i b o l o g i c a lp r o p e r t i e so fw a t e rw e r ei n v e s t i g a t e d ，i n c l u d i n gt h ef i l m f o r m i n gc h a r a c t e r i s t i c s ，f r i c t i o n - r e d u c i n ga n da n t i - w e a rp r o p e r t i e sf o rs t e e l - a l u m i n u m a n ds t e e l s t e e lf r i c t i o n a lp a i r s ( 2 ) t h er h e o l o g i c a lp r o p e r t i e so ft h ep o l y e t h o x y l a t ee t h e ra q u e o u ss o l u t i o n sw e r e r e s e a r c h e d ，i n c l u d i n gt h ee f f e c t so fc o n c e n t r a t i o na n dt e m p e r a t u r eo nt h ev i s c o s i t yo f t h es o l u t i o n s ( 3 ) t h ef i l mf o r m i n gc h a r a c t e r i s t i c so ft h ep o l y e t h o x y l a t ee t h e ra q u e o u ss o l u t i o n s w e r es t u d i e d t h ei n f l u e n c e so ft h ew a y so fs o l u t i o n ss u p p l y , s o l u t i o nc o n c e n t r a t i o na n d t e m p e r a t u r eo nt h ef i l mf o r m i n gc h a r a c t e r i s t i c sw e r ei n v e s t i g a t e d ( 4 ) t h ef r i c t i o n r e d u c i n ga n da n t i w e a rp r o p e r t i e so ft h ep o l y e t h o x y l a t ee t h e r a q u e o u ss o l u t i o n sf o rs t e e l a l u m i n u ma n ds t e e l - s t e e lf r i c t i o np a i r sw e r ei n v e s t i g a t e d ， i n c l u d i n gt h ee f f e c to ft h el o a da n dt h ec o n c e n t r a t i o no nt h el u b r i c a t i n gp e r f o r m a n c ea t l o wl o a d ，a sw e l la st h ei m p a c to ft h ec o n c e n t r a t i o na n dt h es p e e do nt h ea n t i w e a ra n d e x t r e m ep r e s s u r ep r o p e r t i e sa th i g hl o a d f i f t y - t w of i g u r e s ，t e nt a b l e s ，e i g h t y - s e v e nr e f e r e n c e s v n k e y w o r d s ：p o l y e t h o x y l a t ee t h e r ；w a t e r - b a s e dl u b r i c a n t ；f i l mf o r m i n gc h a r a c t e r i s t i c ； f r i c t i o n r e d u c i n g ，a n t i - w e a ra n de x t r e m ep r e s s u r ep r o p e r t i e s c l a s s n o ：t h l l 7 目录 中文摘要v a b s t r a c t i l 绪论1 1 1 引言1 1 2润滑剂概述1 1 2 1 润滑油和润滑脂2 1 2 2 水基润滑液概述2 1 2 3 水基润滑液研究现状2 1 3润滑理论概述5 1 3 1 润滑状态的划分5 1 3 2 水基润滑液的润滑机理6 1 4 聚氧乙烯基醚概述：8 1 4 1 聚醚的分类8 1 4 2 聚氧乙烯基醚水溶液的逆溶特性9 1 5本论文的研究意义及主要内容1o 1 5 1 研究意义1o 1 5 2 研究内容1 0 2水的摩擦学特性研究1 3 2 1 引言1 3 2 2液态水的性质1 3 2 2 1 液态水的分子结构1 3 2 2 2 液态水分子之间的连接方式和构型1 4 2 2 3 液态水的基本物理性质1 4 2 3 水的成膜特性1 4 2 3 1 实验方案15 2 3 2 水膜厚度与速度的关系1 7 2 4 水在金属摩擦副间的减摩抗磨特性18 2 4 1 实验方案18 2 4 2 水润滑对钢铝摩擦副的减摩抗磨特性2 l 2 4 3 水润滑对钢钢摩擦副的减摩抗磨特性2 5 2 5本章小结2 9 3 聚氧乙烯基醚水基润滑液的流变和成膜特性3l 3 1 引言3l 3 2 聚氧乙烯基醚水溶液的流变特性3 1 3 2 1 有关流变的基础知识3 2 3 2 2 聚氧乙烯基醚试样的选择3 3 3 2 3 溶液的配置及折射率的测定3 4 3 2 4 实验方案3 5 3 2 5 浓度对聚氧乙烯基醚水溶液粘度的影响3 6 3 2 6 温度对聚氧乙烯基醚水溶液粘度的影响。3 8 3 3聚氧乙烯基醚水溶液的成膜特性4 0 3 3 1 实验设备的清洗。4 0 3 3 2 半浸泡和全浸泡对聚氧乙烯基醚水溶液成膜特性的影响4 0 3 3 3 浓度对聚氧乙烯基醚水溶液成膜特性的影响4 l 3 3 4 温度达到浊点以后聚氧乙烯基醚水溶液的成膜特性4 3 3 4本章小结4 4 4 聚氧乙烯基醚水基润滑液的减摩抗磨特性4 5 4 1 引言4 5 4 2实验方案4 5 4 2 1 轻载时的摩擦磨损实验4 5 4 2 2 重载时的四球摩擦磨损实验一4 6 4 3轻载时聚氧乙烯基醚水溶液对钢铝摩擦副的减摩抗磨性能4 7 4 3 1 聚氧乙烯基醚水溶液润滑时钢铝摩擦副的摩擦情况分析4 7 4 3 2 聚氧乙烯基醚水溶液润滑时钢铝摩擦副的磨损情况分析4 9 4 3 3 聚氧乙烯基醚水溶液润滑时钢铝摩擦副的磨损机制分析5 2 4 4轻载时聚氧乙烯基醚水溶液对钢钢摩擦副的减摩抗磨性能5 4 4 4 1 聚氧乙烯基醚水溶液润滑时钢钢摩擦副的摩擦情况分析5 4 4 4 2 聚氧乙烯基醚水溶液润滑时钢钢摩擦副的磨损情况分析5 6 4 4 3 聚氧乙烯基醚水溶液润滑时钢钢摩擦副的磨损机制分析5 7 4 5重载时聚氧乙烯基醚水溶液的四球试验5 9 4 5 1 浓度对聚氧乙烯基醚水溶液四球减摩抗磨性能的影响5 9 4 5 2 转速对聚氧乙烯基醚水溶液四球减摩抗磨性能的影响6 0 4 5 3 聚氧乙烯基醚水溶液的极压性能测试6 l 4 6本章小结6 1 5总结与展望6 3 5 1论文总结6 3 5 2未来工作展望_ 6 4 参考文献6 5 作者简历6 9 独创性声明7 1 学位论文数据集7 3 1 1 引言 1绪论 摩擦学是研究相对运动对偶表面的摩擦、磨损和润滑三项技术和理论的总称， 而润滑作为摩擦学的重要研究领域之一，是控制摩擦、减少磨损、提高机器效率、 减小能量损失、降低材料消耗、保证机器工作安全可靠的一种有效手段【i 】。从古至 今，人们在不断地尝试利用多种介质作为摩擦副之间的润滑剂。在现代工业中， 长期以来一直较多使用的是润滑油和润滑脂等液体和半固体润滑剂。此外，空气 或者气体润滑也已较为普遍，某些场合下也使用固体润滑剂，例如石墨一二硫化 钼等。 据欧洲经济研究报告调查显示，2 0 0 0 年到2 0 1 0 年间全球润滑油消耗量大约为 3 8 0 0 0 万吨左右，预计今年将消耗4 0 1 2 万吨，同比2 0 0 0 年增长了1 1 5 ，并且在 今后几年还将继续增长 2 - 4 ，这个数字引起了全球的极大关注和重视。 德国、瑞士、奥地利和美国等发达国家已经制定了有关润滑剂环保的相关法 规，如德国使用“蓝色天使( b l u ea n g e l ) ”作为润滑油的生态标准，将含有添加剂的矿 物油列为对水有害的物质，无添加剂的矿物油被归类为准有害物质【5 】。随着对环 保意识的大大提高，我国政府部门也积极的出台各种相关政策来坚持走可持续发 展战略，政府已将“建设资源节约型、环境友好型社会 列为“十一五 发展规 划的重要内容。特别是2 0 0 9 年1 2 月7 日召开的备受世界关注的哥本哈根气候大 会达成的共识中也明确指出了重视环保、节能和降耗，因此石油枯竭、能源危机 已经成为了当前世界各国普遍关注和亟待解决的重大问题之一。受这些国际国内 政策、法律法规以及未来的发展趋势引导，为了减少金属加工和机器使用中润滑 液对石油的依赖，国内外许多润滑剂的生产厂家和各大相关科研机构已经开始重 视绿色环保润滑剂的开发工作，并取得了一些成果。 1 2 润滑剂概述 据统计【9 l o 】，世界上在工业方面约有l 3 1 2 的能量消耗在摩擦过程中，大约 8 0 的零件损坏是由于各种形式的磨损引起的。选择正确的润滑剂可以减少5 0 的能量消耗。可见润滑剂在控制摩擦、减小磨损方面的重要性。润滑剂目前主要 包括液体、半固体、固体和气体四种【1 1 1 ，也就是通常说的润滑油( 液) 、润滑脂、 固体润滑剂和气体润滑剂。 1 2 1 润滑油和润滑脂 目前机器润滑方面应用较为广泛的润滑剂是润滑油和润滑脂，它们是指在油 和脂中选择性的加入清净剂、分散剂、抗氧抗腐剂、极压抗磨剂、摩擦改进剂、 抗氧剂、粘度指数改进剂、防锈剂、降凝剂、抗泡沫剂以及乳化剂和抗乳化剂等 功能添加剂来达到实际应用中要求的润滑剂【1 2 】，它们由于具有较好的润滑性能长 期以来一直在润滑剂的市场中占据着主导地位。但是由于石油危机和环境污染的 加剧，加之油的冷却性能差、高温下挥发污染大、易燃烧等缺点在使用中曝露出 的问题日益凸显出来【1 3 1 ，所以润滑油和润滑脂在近些年来润滑剂的发展中较为缓 慢。 1 2 2 水基润滑液概述 水基润滑液属于液体润滑剂，是指以水作为基体然后加入各种功能添加剂的 润滑液，目前被广泛应用在切削、轧制、拉拔、压延、研磨等金属加工以及液压 传动等领域中。在水基润滑液中比例成分最大的是水，而我们通常所说的高水基 润滑液一般是指润滑液中水占的比例在9 5 以上，而其他添加剂的总和占5 以内。 这种润滑液由于基体水的来源广泛、价格低廉、储运方便、无毒、不燃烧、无污 染等优点近2 0 年来在部分领域有逐步取代润滑油脂的趋势【1 4 】。但是由于水相对于 矿物油来说具有低的表面张力、粘度和粘压系数，在低速时很难形成有效的润滑 膜，所以水基润滑液的润滑性能不如油好。还有水对金属的腐蚀现象严重，防锈 性能较差。但是，人们通过在水中加入各种功能添加剂，来改善水的某些摩擦学 特性 1 5 a 6 】，使其能够满足我们的需要。 1 2 3 水基润滑液研究现状 目前水基润滑液的国内外研究情况主要集中在对水基润滑液摩擦学特性的试 验研究以及水基润滑的理论计算研究两个方面。 ( 1 ) 水基润滑液摩擦学特性的试验研究现状 水基润滑液的摩擦学特性研究主要是指借助表面力仪( s f a ) 、原子力显微镜 ( a f m ) 、摩擦力显微镜、超薄膜干涉仪、各种摩擦试验机、扫描电子显微镜( s e m ) 、 x 射线光电子能谱仪( x p s ) 等设备对含有水溶性润滑添加剂的水基润滑液的各种摩 2 擦学性能进行研究。 离子型表面活性剂成膜特性研究：r a t o i 和s p i k e s 1 4 l 使用超薄膜干涉仪研究了 油酸基离子型表面活性剂的成膜特性，实验结果表明油酸基离子型表面活性剂水 溶液的成膜特性除了依靠表面活性剂的种类和浓度，还与溶液的p h 值有关【1 7 】。阳 离子和两性表面活性剂的成膜特性研究也取得了一些进展【1 8 2 0 1 。他们测得的油酸 基离子型表面活性剂水溶液膜厚与速度的关系如图1 1 所示。 m 嘲嘲翮口印一 图1 - 1 油酸基离子型表面活性剂水溶液膜厚与速度的关系1 4 1 f i g 1 - 1c o m p a r i s o no f t h ef i l mf o r m i n gp r o p e r t i e so f w a t e r 丽t l lt h o s eo f a q u e o u ss u r f a c t a n t s o l u t i o n s 羧酸及其盐类水基润滑添加剂的开发：如李传武【2 i 】研制了具有较好润滑性和 水溶性的马来油酸三异丙醇铵盐，浓度为2 的水溶液其凡值为4 4 1 n 。蒋海珍等 人【2 2 】将油酸酰氯和谷氨酸在碱性溶液中反应得到n 油酰基谷氨酸，并用四球摩擦 磨损试验机考察了n 油酰基谷氨酸三乙醇胺盐在水溶液中的摩擦磨损性能。结果 表明，当n 油酰基谷氨酸三乙醇胺添加量为0 2 5 时，其水溶液表现出较好的抗 磨和减摩特性。这可能是由于n 油酰基谷氨酸三乙醇胺盐中的极性基团吸附在钢 球表面、长碳链疏水性烃基在金属表面形成较厚的保护膜，在较高载荷条件下发 生化学反应并形成高强度摩擦化学反应膜的缘故。当添加剂的添加量为2 时，n 油酰基谷氨酸三乙醇胺盐的防锈性较好，经细菌性试验表明其具有一定的抗菌能 力【17 1 。 含硫、磷等活性元素的水溶性润滑添加剂研究：硫、磷元素是润滑剂中常用 的活性元素，在润滑油中具有较好的减摩抗磨效果，如孙志强【2 3 】在其博士学位论 文中系统的对硫、磷复合极压抗磨添加剂在绿色润滑剂基础油中的摩擦学性能进 行了大量的实验研究。结果表明：含硫、磷元素的极压抗磨剂在绿色基础油中具 有较好的极压抗磨性，并且不同比例的复配会产生增效的作用。将硫、磷元素引 水溶性有机金属型和聚合物型润滑添加剂：林峰等研究了二烷基二硫代磷酸 盐和烷基聚氧乙烯磷酸结构和抗磨性能的关系，发现以水为介质，锌、铜和钼盐 均具有良好的抗磨性能和承载能力 3 0 , 3 1 】。罗国强【3 2 】将聚氧乙烯基醚类和多元醇、 烷醇进行硼酸酯化，获得了一种抗磨和防锈性能较好的水溶性产物。目前摩擦学 性能优良的水溶性聚合物还少见报道。 ( 2 ) 水基润滑的理论计算研究现状 1 8 8 6 年r e y n o l d s 根据流体力学提出了润滑理论的基本方程，成功地揭示了流 体膜产生动压的机理，为现代润滑理论奠定了基础。在过去的几十年里流体润滑、 弹流润滑和薄膜润滑的理论计算研究都取得了长足的发展，考虑了各种因素如润 滑剂的粘度变化、表面粗糙度效应和热效应等对润滑性能的影响，并被大量的实 验所证明其在工程领域中发挥的具有指导性的意义。然而水基润滑在摩擦副接触 区通常认为处于边界润滑、薄膜润滑或者混合润滑状态，所以这也需要有新的适 合水基润滑的理论来揭示其润滑机理，近些年来也取得了一些成果。w o n g 等人【3 3 】 讨论了考虑和忽略表面弹性变形时双电层对薄水润滑膜的影响。计算表明，双电 层对厚度小于1 0 0 n m 薄水膜有显著的影响。s h e n g 等人【3 4 】和l i 等人【3 5 】分别利用不 同的分子动力学模拟模型研究了水的相变、结构和粘度对水基润滑的影响，并且 发现了在亚纳米量级确实存在有序水膜。l a n e 等人【3 6 】和l e n g 等人【3 7 】分别模拟了 4 水分子扩散特性以及水合特性对受限条件下水膜的影响情况，证明了水分子扩散 系数会随着膜厚的变薄而降低，并且能够用此理论解释一些现象。由于水基润滑 时受限因素的复杂性，还有大量的并且非常有意义的问题没有解决。 1 3 润滑理论概述 润滑能够在摩擦表面之间形成具有法向承载能力而切向剪切强度低的润滑 膜，用来减少摩擦阻力和降低材料磨损。自从人们开始逐步认识摩擦、磨损后， 润滑方面的研究就占据了摩擦学研究的较大部分，然而，对于润滑理论的研究一 直落后于实践，特别是对于润滑的机理研究工作。 1 3 1 润滑状态的划分 从润滑理论的发展史来看，自流体动力润滑理论提出以来，大约每隔3 0 4 0 年之间就提出一种新的理论，使润滑科学发展产生一次飞跃，形成了一个较为完 善的润滑状态理论体系。1 8 8 6 年r e y n o l d s 3 8 】提出润滑方程以后，开创了流体润滑 理论研究，建立了流体动力润滑理论。这个理论曾广泛应用于滑动轴承等面接触 机械零件的设计，其润滑膜厚度通常在1 0 0 1 t m 以上。2 0 世纪6 0 年代，人们又将 r e y n o l d s 流体润滑理论与h e r t z 弹性接触理论相耦合而形成了弹性流体动力润滑理 论，简称弹流润滑理论，又成功的解决了诸如齿轮传动、滚动轴承等点线接触机 械零件的润滑设计问题，这层润滑膜通常在0 1 1 t m l p m 量级范围内。1 9 1 9 年 h a r d y ”1 提出边界润滑状态，即润滑油添加剂中的元素通过物理或者化学作用，在 金属表面上形成具有润滑作用的吸附膜。这层膜通常由规则排列的单分子或者几 个分子层所组成。在1 9 6 0 年前后相继提出了b o w d e n 模型 4 0 l ，a d a m s o n 模型【4 1 1 ， k i n g s b u r y 模型【4 2 】，c a m e r o n 模型【4 3 】，极大的丰富了边界润滑理论研究。边界润滑 膜厚度大约介于0 0 0 5 i _ t m 0 0 1 9 m 范围。在现代的润滑技术中，人们发现很多低速、 重载、高温以及采用低粘度润滑介质润滑的机械和精密机械中，摩擦副之间的润 滑膜常处于十几个到几十个纳米厚度的润滑状态，据此在1 9 8 9 年，我国清华大学 摩擦学国家重点实验室摩擦学学者温诗铸、雒建斌等人根据摩擦系数和膜厚的划 分范围，发现弹流润滑与边界润滑之间存有一空白区，并提出该区是一个质变与 量变交互在一起的过度润滑状态。此后经过几年的发展和国内外( 国内主要是清 华大学团队) 大量的研究工作4 9 1 ，提出了薄膜润滑理论，以此补充了弹流润滑 和边界润滑之间的空白区。至此，较为完善的润滑状态体系已基本确立，如表1 1 所示。单纯的由润滑膜厚度及摩擦副表面粗糙度还不能准确的判定润滑状态，据 5 此，雒建斌和温诗铸等又考虑了润滑膜厚度、摩擦副表面粗糙度和润滑剂分子有 效大小等因素，提出了新的润滑状态划分准则【5 0 1 ，如图1 2 所示，图中h 代表润 滑膜厚度，r 。为摩擦副对偶面的综合表面粗糙度，r g 为润滑分子的有效大小。 表1 - 1 润滑状态及其特型1 1 t a b l e1 - 1l u b r i c a t i o nr e g i m e sa n dt h d rc h a r a c t e r i s t i c s l 混含润滑 弹流涧漪、动地润辨 f 下接触、翅徉 溯滑，薄黢瓶擂 薄股襻唾滑 ( 千接触，边箨 潮淆) 边抖润滑 一 o 3 办德 图1 - 2 润滑状态刚5 0 】 f i g 1 - 2t h em a po f l u b r i c a t i o nl e g i m 岱 1 3 2 水基润滑液的润滑机理 ( 1 ) 润滑的测试手段及机理的研究方法 目前润滑测试的主要手段是通过各种摩擦试验机，例如美国c e t r 公司生产 的u m t 摩擦试验机、四球摩擦试验机等测量摩擦副点接触、点线接触、点面接触、 面面接触等方式下摩擦过程中的摩擦系数，来评价其摩擦情况，而磨损情况则是 6 通过摩擦实验结束后，用天平、三维形貌轮廓仪等有效手段测量摩擦副的磨损深 度、宽度、质量、体积等指标来评价。 在追求高速、精密机械的现代化时代，润滑膜厚度直接决定了机械零部件工 作状态的好坏和使用寿命的长短，所以我们准确的知道存在润滑的机器运转中所 处的真实润滑状态显得十分关键。为此，自从摩擦、磨损和润滑诞生以来，全世 界的摩擦学工作者都在苦苦探索着既能反映真实情况又能较为精确的测量出润滑 膜厚度的方法。但是早期的摩擦学研究工作，实验条件较差，测量技术也不够发 达，在一定程度上制约了整个摩擦学学科的发展。一直到了二十世纪八十年代后 期和九十年代初期，实验技术才有了突破性的进展。归纳起来，膜厚的测量大约 有1 1 种方法【5 l 】：电阻法、电容法、电容分压法、阻容振荡法、光干涉法、x 射线 法、磁阻法、应变仪法、超声波法、拉曼光谱法和红外光谱法、荧光测量方法。 但大多数根据上面方法研制的试验机都只是对比的评价润滑剂的成膜能力，而不 是实际的模拟现场中的工况来实时测量。 我国清华大学摩擦学国家重点实验室温诗铸院士领导的团队目前采用的基于 相对光强原理的纳米级润滑膜厚度测量仪【5 2 1 ，从1 9 9 3 年的第一代问世后几经改进 到目前已经发展到第六代产品，这也就是本课题中所用到实验器材。 对于润滑机理的研究通常是采用三维形貌仪、扫描电子显微镜( s e m ) ，能量 色散光谱仪( e d s ) 以及x 射线光电子能谱仪( x p s ) 等手段对其摩擦磨损后的 表面磨痕进行形貌和表面膜的元素进行分析，推断其润滑作用的机理。 ( 2 ) 水基润滑液的润滑机理 由于水的粘度较小，水作为润滑介质很难形成流体润滑膜，加上金属加工过 程中摩擦的特殊性，大都处于边界润滑状态，这时对边界润滑膜起到主要作用的 是水溶性润滑添加剂，因此摩擦接触区形成的边界膜基本上是靠添加剂来实现的。 边界润滑膜分为物理吸附膜、化学吸附膜和化学反应膜三大类 5 3 , 5 4 】。 物理吸附膜：由分子的范德华表面吸附力，或者分子的偶极和偶极之间作用 力而吸附在金属表面的物理吸附作用，形成单分子或多分子层的吸附润滑膜。物 理吸附膜只有在较低温度的边界润滑范围内，较低摩擦热发生的条件下，也就是 对低负荷、低滑动速度的边界润滑有效。 化学吸附膜：某些极性分子具有化学结合力很强的活性键，对金属表面起化 学吸附作用。化学吸附所形成的边界润滑膜可以满足改善中等负荷、温度、滑动 速度的边界润滑的要求。 化学反应膜：边界润滑过程中发生摩擦热、电子交换，即外逸电子效应和表 面催化等，含s 、p 、c 1 等活性元素的添加剂与金属表面发生反应，生成剪切强度 很低、熔点很高的硫化、磷化、氯化金属盐膜【5 5 , 5 6 】，这种膜比物理吸附膜或化学 7 吸附膜稳定和坚固得多，适用于在高负荷、高温、高滑动速度的条件，即极压边 界润滑。 1 4聚氧乙烯基醚概述 含有环氧结构的化合物可开环与含有活泼氢的有机化合物( 称起始剂) 进行聚 合反应，生成分子主链中含有醚键的高分子聚合物，称为聚醚。用作润滑剂的聚 醚通常是以醇和胺为起始剂，由环氧乙烷( e o ) 、环氧丙烷( p o ) 、环氧丁烷( b o ) 、 四氢呋喃( t h f ) 、长链q 一烯烃氧化物( a o ) 等其中的一种或几种，经过开环均聚或共 聚成线性聚合物j 其结构通式为【5 7 】： 一 r r 。毛罕h ：o c h 。帷ok r r r ； 式中：n = 2 5 0 0 ； 当x = l 时， r 2 = r 3 = h ，称为环氧乙烷均聚醚； r 2 = r 3 = c h 3 ，称为环氧丙烷均聚醚； r 2 = c h 3 ，r 3 = h ，称为环氧丙烷一环氧乙烷共聚醚； r 2 = c h 3 ，r 3 = c 2 h 5 ，称为环氧丙烷一环氧丁烷共聚醚。 当x = 2 时， r 2 = c h 3 ，r 3 = h ，称为环氧丙烷一四氢呋喃聚醚。端基r l 、心可以是h ， 也可以是烷基或者是酰基。 r i = h ，r 4 = 烷基，称为单醚； r l = 耻= 烷基，称为双醚； r l = 烷基，r 4 = 酰基，称为单醚单酯。 r l = 凡= 酰基，称为双酯。 聚醚也是近几年发展起来的非离子型表面活性剂【5 8 1 ，其中e o p o 共聚醚产品 具有耐热、耐药品性能良好、生物降解性好、不生成沉淀、对设备无腐蚀、无毒 等优点。通过改变聚氧乙烯醚和聚氧丙烯醚段的聚合度，可以获得不同h l b 值( 亲 水亲油平衡值) ，被广泛应用于纺织油剂【5 9 1 、破乳剂【6 0 1 、消泡刹6 、淬火剂、洗涤 刹6 2 1 、分散剂及润湿剂等领域6 3 1 。 1 4 1 聚醚的分类 8 对于聚氧乙烯基醚的这种特殊的逆溶性和浊点已经成为国内外学者研究的热 点 6 6 - 7 i l 。而在金属加工润滑行业中，聚氧乙烯基醚水溶液的这种特殊性质也备受 研究人员的关注，普遍认为这种特殊性质也许能够提高金属加工液的性能。用这 种聚醚配置成的水基润滑液在常温时，所有组份都溶于水中，当液体被带入切削 或成形区域的热表面时，由于温度迅速升高，并超过聚氧乙烯基醚水溶液的浊点， 形成许多浸润金属表面的聚醚液滴，为切削、成形区提供良好的流体动压润滑。 聚醚同脂肪酸和磷酸酯还具有良好的协同作用。当聚醚在温度高于浊点的溶液中 析出时，形成类油液滴。脂肪酸和磷酸酯因为具有表面活性，易于进入聚醚一水界 面，将聚醚乳化。当稳定的聚醚液滴与金属表面接触时，其作用类似于可溶性油， 将金属表面润湿并形成润滑膜。因此，聚氧乙烯基醚可以聚集水溶液中的极压添 加剂于金属表面，起到良好的润滑协同作用【7 2 】。基于同样的原理，聚氧乙烯基醚 也可富集一些具有表面活性的防锈剂，并由于其不挥发，可携带防锈剂于金属的 表面，增强对设备表面和工件的防锈性能。在较高温度下，由于聚氧乙烯基醚的 溶解度减小，抑泡效果更好。聚氧乙烯基醚具有良好的水溶性，故其可清洗性能 9 也非常好m 1 。 1 5 本论文的研究意义及主要内容 1 5 1 研究意义 尽管水基润滑液是近些年来润滑剂研究方面的热点问题，但是目前应用范围 还远远落后于现代工业系统中对润滑的需求。阻碍水基润滑液应用与发展的原因 主要有： ( 1 ) 水基润滑添加剂开发难度大、费用高，而且往往大量的实验研究后却得到 较差的润滑效果，眼前看不到明显的效益。 ( 2 ) 水基润滑的理论研究远远落后于实践，缺乏大量的基础研究，例如水基润 滑性能与润滑剂分子结构的关系、润滑作用机理分析等。 ( 3 ) 实验室的研究方法与实践工况之间的差距也制约了水基润滑液在应用方 面的发展。 在自然界中可能还有许多尚未被我们认识和开发的具有优良润滑性能的水基 润滑添加剂，所以这方面迫切需要大量的基础和应用研究需要我们去完成。 润滑剂的发展与时代的进步密切相连，在人类追求绿色环保的大潮流中，价 格低廉、来源广泛、无毒、无污染的水基润滑液是润滑剂发展的必然趋势，在未 来某些方面必然和必须取代污染、危险和破坏环境的润滑剂。在新世纪世界相关 组织以及我国政府的强烈号召与规范下，相信在不远的将来人们能够在润滑方面 还世界一个清新、自然的环境。 1 5 2 研究内容 本论文针对水基润滑液润滑性能较差的缺点，在水中加入了几种聚氧乙烯基 醚，并从纯水的摩擦学性能研究开始，对聚氧乙烯基醚水基润滑液的几种摩擦学 特性进行了系统的研究。主要工作包括以下四个主要的部分。 ( 1 ) 对水的基本摩擦学性能研究：在n g y - 6 型纳米级润滑膜厚度测量仪上测试 了水的成膜特性，在u m t - 2 微摩擦试验机上研究了轻载时水润滑条件下钢铝和钢 - 钢摩擦副的摩擦学特性，为开展水基润滑液的研究提供实验数据和理论基础。 ( 2 ) 对聚氧乙烯基醚水溶液的流变特性研究：在p h y s i c am c r 3 0 1 旋转流变仪 上研究了聚氧乙烯基醚水溶液的浓度和温度对其粘度的影响。 ( 3 ) 对聚氧乙烯基醚水溶液的成膜特性研究：在n g y - 6 型纳米级润滑膜厚度测 1 0 量仪上测试了四种非离子型聚氧乙烯基醚水溶液的成膜能力。分别研究了水溶液 浓度、半浸泡、全浸泡、加热条件下对其成膜性能的影响。 ( 4 ) 对聚氧乙烯基醚水溶液的减摩抗磨特性研究：在u m t 0 2 微摩擦试验机上 以球面接触的方式分别测试了轻载时聚氧乙烯基醚水溶液对钢铝和钢。钢摩擦副 的减摩抗磨特性，考察了其浓度和施加的载荷对摩擦磨损特性的影响。用m r s i o a 型四球摩擦试验机测试了重载时聚氧乙烯基醚水溶液在点接触下的抗磨极压特 性，研究了浓度和摩擦副转速对其减摩抗磨特性的影响。 2 1引言 2 水的摩擦学特性研究 要研究水基润滑液的摩擦学特性，首先我们要对水的性能有一定的了解。水 是地球上每一种动物和植物都必不可少的物质，它的用途也是多种多样的。在这 众多的用途中，用水作为润滑剂，早在几千年以前人类的祖先就曾开始了【j 7 4 】，但 是由于水的粘度低，润滑性能不如油好，所以千百年来一直限制了它作为润滑剂 的使用范围。国内外学者也普遍认为纯水很难形成有效的弹流润滑膜【3 3 1 。由于研 究纯水的限制因素较多，所以至今为止，纯水的成膜特性以及其它摩擦