润滑剂组合物及摩擦系数调控方法 |
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| 申请号 | CN202110863067.8 | 申请日 | 2021-07-29 | 公开(公告)号 | CN113528218A | 公开(公告)日 | 2021-10-22 |
| 申请人 | 清华大学; | 发明人 | 马丽然; 汤双喜; 张正; 田煜; 雒建斌; | ||||
| 摘要 | 本 发明 涉及摩擦润滑技术领域，具体而言，涉及一种 润滑剂 组合物及 摩擦系数 调控方法。润滑剂组合物包括 润滑油 基础 油及溶解于润滑油 基础油 中的螺吡喃类化合物及含极性基团的双子 表面活性剂 ；含极性基团的 双子表面活性剂 自组装形成空间网络结构。所述润滑剂组合物能够有效调控陶瓷类 摩擦副 之间的摩擦系数，且在摩擦副低速运作下能够显著降低其摩擦系数。本发明还提供了使用所述润滑剂组合物进行摩擦系数调控的方法。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种润滑剂组合物，其特征在于，包括润滑油基础油及溶解于所述润滑油基础油中的螺吡喃类化合物及含极性基团的双子表面活性剂； |
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| 说明书全文 | 润滑剂组合物及摩擦系数调控方法技术领域[0001] 本发明涉及摩擦润滑技术领域，具体而言，涉及一种润滑剂组合物及摩擦系数调控方法。 背景技术[0002] 两个既直接接触又产生相对摩擦运动的物体所构成的体系称为摩擦副。根据润滑状态的不同可以将摩擦副之间的摩擦润滑状态分为：干摩擦，即两接触表面间无任何润滑介质存在时的摩擦；流体摩擦，两接触表面被一层连续不断的流体润滑膜完全隔开时的摩擦；边界摩擦，两接触表面间有一层极薄的边界膜(吸附膜或反应膜)存在时的摩擦；半干摩擦，两接触表面同时存在着干摩擦和边界摩擦的混合摩擦；半流体摩擦，两接触表面同时存在着边界摩擦、薄膜润滑和流体润滑的混合摩擦；混合摩擦，两接触表面同时存在着流体摩擦、有序分子膜、边界摩擦和干摩擦的混合状态时的摩擦，通常以半干摩擦和半流体摩擦的形式出现。 [0003] 润滑是解决摩擦副摩擦磨损、延长其使用寿命的有效方式，而润滑方法通常采用润滑剂组合物润滑。目前陶瓷摩擦副领域所使用的润滑剂组合物仍然为基础润滑油。然而传统的基础润滑油在陶瓷摩擦副中低速运作时，由于无法进入陶瓷摩擦副的流动区而使其润滑效果差、摩擦系数大。因此提供用于主动调控摩擦与润滑的润滑剂组合物对减磨降耗、润滑设计和安全服役等具有重要的意义。 发明内容[0004] 基于此，本发明提供了一种有效调控摩擦副之间摩擦系数的润滑剂组合物及摩擦系数调控方法。 [0006] 所述含极性基团的双子表面活性剂自组装形成空间网络结构。 [0008] 可选地，如上述所述的润滑剂组合物，所述螺吡喃类化合物的浓度为5mmol/L～15mmol/L，所述含极性基团的双子表面活性剂的浓度为25mmol/L～100mmol/L。 [0010] 可选地，如上述所述的润滑剂组合物，所述润滑剂组合物中还包括有机盐。 [0012] 可选地，如上述所述的润滑剂组合物，所述有机盐的浓度为10mmol/L～50mmol/L。 [0013] 本发明一方面，还提供一种摩擦系数调控方法，其包括以下步骤： [0014] 提供上述所述的润滑剂组合物； [0015] 将所述润滑剂组合物置于摩擦副的接触面；及 [0017] 可选地，如上述所述的摩擦系数调控方法，每次切换时所述紫外光的辐射持续时间至少为2min； [0018] 所述可见光的辐射持续时间至少为2min。 [0019] 可选地，如上述所述的摩擦系数调控方法，所述紫外光的波段为240nm～365nm； [0020] 所述可见光的波段为400nm～800nm。 [0021] 可选地，如上述所述的摩擦系数调控方法，所述摩擦副为陶瓷类摩擦副，所述陶瓷类摩擦副包括陶瓷‑陶瓷摩擦副、陶瓷‑金属摩擦副或陶瓷‑塑料摩擦副。 [0022] 本发明提供的润滑剂组合物在紫外光照下呈现流体状态，在可见光条件下为凝胶态，凝胶态下的润滑剂组合物有利于降低产品的摩擦系数，而流体状态下的润滑剂组合物具有明显的流体润滑，摩擦系数较大，润滑剂组合物的流体与凝胶态之间的转变可以有效调控产品的摩擦系数。附图说明 [0023] 为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。 [0025] 图2为本发明一个实施例中制得的润滑剂组合物粘度测试结果图； [0026] 图3为本发明一个实施例中制得的润滑剂组合物调控摩擦系数的测试结果图； [0027] 图4为本发明一个对比例中制得的润滑剂组合物调控摩擦系数的测试结果图。 具体实施方式[0028] 现将详细地提供本发明实施方式的参考，其一个或多个实例描述于下文。提供每一实例作为解释而非限制本发明。实际上，对本领域技术人员而言，显而易见的是，可以对本发明进行多种修改和变化而不背离本发明的范围或精神。例如，作为一个实施方式的部分而说明或描述的特征可以用于另一实施方式中，来产生更进一步的实施方式。 [0029] 因此，旨在本发明覆盖落入所附权利要求的范围及其等同范围中的此类修改和变化。本发明的其它对象、特征和方面公开于以下详细描述中或从中是显而易见的。本领域普通技术人员应理解本讨论仅是示例性实施方式的描述，而非意在限制本发明更广阔的方面。 [0030] 除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。 [0031] 术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。 [0032] 此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。在本发明的描述中，“若干”的含义是至少一个，例如一个，两个等，除非另有明确具体的限定。 [0033] 除了在操作实施例中所示以外或另外表明之外，所有在说明书和权利要求中表示成分的量、物化性质等所使用的数字理解为在所有情况下通过术语“约”来调整。例如，因此，除非有相反的说明，否则上述说明书和所附权利要求书中列出的数值参数均是近似值，本领域的技术人员能够利用本文所公开的教导内容寻求获得的所需特性，适当改变这些近似值。用端点表示的数值范围的使用包括该范围内的所有数字以及该范围内的任何范围，例如，1至5包括1、1.1、1.3、1.5、2、2.75、3、3.80、4和5等等。 [0034] 本发明一方面，提供一种润滑剂组合物，包括润滑油基础油及溶解于润滑油基础油中的螺吡喃类化合物及含极性基团的双子表面活性剂； [0035] 其中含极性基团的双子表面活性剂自组装形成空间网络结构。 [0036] 螺吡喃类化合物的结构能够随着光照类型的改变而改变，而其结构影响着表面活性剂所形成的空间网络结构的形成和破坏，从而决定了润滑剂组合物的状态为凝胶态还是流体，进而使得润滑剂组合物能够在同一摩擦副中提供不同的摩擦系数。 [0037] 在一些实施方式中，含极性基团的双子表面活性剂可以为氢化卵磷脂、双季胺盐型双子表面活性剂、二聚体羧酸盐双子表面活性剂及双烷氧基双磷酸盐双子表面活性剂等。 [0038] 在一些实施方式中，螺吡喃类化合物包括下述化合物中的至少一种： [0039] [0040] 上述化合物在光照条件下结构变化如下所示： [0041] [0042] 在一些实施方式中，螺吡喃类化合物的浓度为5mmol/L～15mmol/L。在所述浓度范围内，螺吡喃化合物既能够很好的溶解于润滑油基础油中，又可以具有较好的光响应性，从而可以使润滑剂组合物的状态转换更为敏感，使得润滑剂组合物调控摩擦系数的能力更强。 [0043] 在一些实施方式中，含极性基团的双子表面活性剂的浓度为25mmol/L～100mmol/L，还可以为30mmol/L、40mmol/L、50mmol/L、60mmol/L、70mmol/L、80mmol/L、90mmol/L。所述表面活性剂在此浓度范围内，既可以保证其顺利进行自组装形成空间网络结构，又不会导致空间网络结构过于牢固而难以被破坏，从而使得润滑剂组合物调控摩擦系数的能力更优异。 [0044] 在一些实施方式中，润滑油基础油在具有润滑作用基础上能够有效溶解表面活性剂及螺吡喃类化合物等物质，所述润滑油基础油可以以矿物油或合成油作为基础油，所述合成油可以为聚α‑烯烃、乙烯‑丙烯共聚物、聚丁烯、1‑辛烯低聚物、1‑癸烯低聚物以及它们的氢化物等。所述矿物油可以选用具有12～16个C原子的直链烷烃矿物油。所述具有12～16个C原子的直链烷烃矿物油可以为直链饱和烷烃矿物油或不饱和烷烃矿物油。需要说明的是，在本发明中可以使用上述矿物基础油或合成基础油中的任何一种，或选自这些基础油中的两种或更多种的任何混合物。例如，用于本发明的基础油可以是一种或多种矿物基础油或合成基础油，或者是一种或多种矿物基础油与一种或多种合成基础油的混合油。 [0045] 在一些实施方式中，润滑剂组合物中还包括有机盐。通过加入有机盐可以降低所需表面活性剂的浓度，从而降低成本。 [0046] 在一些实施方式中，有机盐可以为本领域常用的任意一种有机盐，例如可以为脱氧胆酸钠、三丁基胺硝酸盐、三乙基铵氯盐及柠檬酸铵中的至少一种。 [0047] 在一些实施方式中，有机盐的浓度为10mmol/L～50mmol/L，还可以为20mmol/L、30mmol/L、40mmol/L。 [0048] 本发明一方面，还提供一种摩擦系数调控方法，其包括以下步骤： [0049] 提供上述所述的润滑剂组合物； [0050] 将润滑剂组合物置于摩擦副的接触面；及 [0051] 通过改变辐射润滑剂组合物的光波的波段以改变摩擦系数，所述波段包括紫外光和/或可见光的波段。 [0052] 在紫外光照射条件下，螺吡喃类化合物发生开环，形成极性结构，从而破坏表面活性剂的空间网络结构而使润滑剂组合物为流体状态，进而具有较大的摩擦系数；在可见光照射条件下，螺吡喃化合物为闭环结构，无极性，不会破坏表面活性剂的空间网络结构而使润滑剂组合物为凝胶状态，从而使润滑剂组合物具有较小的摩擦系数。本发明利用光调控螺吡喃类化合物结构变化与表面活性剂自组装空间网络结构之间在可见光和紫外光照射下具有不同的相互作用关系，实现了摩擦副之间摩擦系数随着可见光或紫外光的照射而变化，即实现了润滑剂组合物摩擦系数的可调控性，可根据实际需求而进行调控。整个调控工艺相较于传统的水凝胶调控及电控摩擦更为简单便捷。 [0053] 在一些实施方式中，每次切换时紫外光的辐射持续时间至少为2min；可见光的辐射持续时间至少为2min。 [0054] 在一些实施方式中，紫外光的波段为240nm～365nm；可见光的波段为400nm～800nm。 [0055] 在一些实施方式中，紫外光和可见光功率独立地选自0.2W～1W。所述可见光和紫外光的功率在此范围内可以避免过小所导致的螺吡喃类化合物对光的响应性较弱，同时也能够所述可见光和紫外光的功率过大所导致的润滑剂组合物润滑性质的变化。 [0056] 在一些实施方式中，摩擦副为陶瓷类摩擦副，所述陶瓷类摩擦副包括陶瓷‑陶瓷摩擦副、陶瓷‑金属摩擦副或陶瓷‑塑料摩擦副。 [0057] 在一些实施方式中，陶瓷类摩擦副中的陶瓷可以为二氧化硅陶瓷、氮化硅陶瓷、氧化铝陶瓷、碳化硅陶瓷、氧化锆陶瓷等；金属可以为钢材，例如45钢、GCr15、巴氏合金、青铜等；塑料可以为环氧树脂、酚醛树脂、聚四氟乙烯、呋喃树脂等。 [0058] 经研究发现，上述润滑剂组合物在陶瓷摩擦副以低速运作时，例如低于100mm/s速度，在可见光照射下能够显著降低摩擦系数。 [0059] 以下结合具体实施例对本发明的润滑剂组合物及其制备方法和应用作进一步详细的说明。 [0060] 实施例1润滑剂组合物的制备 [0061] 本实施例中所用螺吡喃类化合物的结构式如下： [0062] [0063] 将正十六烷、氢化卵磷脂及脱氧胆酸钠混合均匀后在60℃下搅拌加热5min，随后加入螺吡喃分子，搅拌溶解后冷却至室温，制得润滑剂组合物，所述润滑剂组合物中氢化卵磷脂的浓度为50mmol/L、脱氧胆酸钠的浓度为20mmol/L、螺吡喃分子的浓度为15mmol/L。对其进行相关性能测试，测试结果如下： [0064] 1)润滑剂组合物光响应测试 [0065] 如图1所示，在紫外‑可见吸收光谱仪中测定润滑剂组合物在紫外光和可见光光照前后的光吸收曲线。由图1的吸收曲线可知，润滑剂组合物在光照前，在500nm～700nm波段无吸收峰出现；用波长为365nm的紫外光照射后，在500nm～700nm波段出现了一个较强的吸收峰，说明此时润滑剂组合物中的螺吡喃分子处于开环状态；再经波长为600nm的可见光照射后，在500nm～700nm波段的吸收峰强度下降，且出现了不同强度的吸收峰，说明此时润滑剂组合物中的螺吡喃分子处于闭环状态。螺吡喃分子开环结构能够破坏表面活性剂所形成的空间网络结构，闭环结构则不会破坏，开环结构与闭环结构之间的转换能够调整表面活性剂的空间网络结构，从而调整润滑剂组合物的状态是流体还是凝胶态，进而起到调节摩擦系数的作用。 [0066] 2)润滑剂组合物粘度测定 [0067] 在M302流变仪上测定润滑剂组合物的粘度，发现其具有一定的触变性，其粘度从低剪切速率到高剪切速率呈现较强的剪切稀化的特性，从高剪切速率到低剪切速率呈现较弱的剪切稀化特性。如图2所示，在紫外光照射下，润滑剂组合物为一种剪切稀化的流体，剪‑1切速率在1～1000s 时，粘度从280.1mPa·s剪切稀化至5.2mPa·s；而在可见光照射下，润滑剂组合物的粘度远大于紫外光照射时的粘度，最高甚至能超过10000mPa·s，说明此时润滑剂组合物为凝胶状态。由此可知，本发明提供的润滑剂组合物确实能够在流体和凝胶态之间转换，从而能够调节摩擦系数。 [0068] 3)润滑剂组合物调控摩擦系数结果 [0069] 将润滑剂组合物置于二氧化硅及氮化硅组成的陶瓷摩擦副中，并在可见光或紫外光照射条件下，在摩擦试验机上测定润滑状态下的摩擦系数。如图3所示，在可见光照射下，摩擦副以0～350mm/s的速度运作时，摩擦系数始终稳定保持在0.057左右；而在紫外光照射下，摩擦副以0～350mm/s的速度运作时，摩擦系数较大，甚至能达到0.102，最终稳定在0.063左右。由此可知，该润滑剂组合物能够调控陶瓷摩擦副的摩擦系数，且在运作速度低于100mm/s时，在可见光条件下润滑剂组合物能够显著降低摩擦系数。 [0070] 实施例2润滑剂组合物的制备 [0071] 本实施例的制备方法与实施例1的制备方法基本相同，不同之处在于：螺吡喃分子结构不同。本实施例中所用螺吡喃类化合物的结构式如下： [0072] [0073] 具体步骤如下： [0074] 将正十六烷、氢化卵磷脂及脱氧胆酸钠混合均匀后在60℃下搅拌加热5min，随后加入螺吡喃分子，搅拌溶解后冷却至室温，制得润滑剂组合物，所述润滑剂组合物中氢化卵磷脂的浓度为50mmol/L、脱氧胆酸钠的浓度为20mmol/L、螺吡喃分子的浓度为15mmol/L。 [0075] 实施例3润滑剂组合物的制备 [0076] 本实施例的制备方法与实施例1的制备方法基本相同，不同之处在于：润滑油基础油不同。具体步骤如下： [0077] 将聚α‑烯烃(PAO2)、氢化卵磷脂及脱氧胆酸钠混合均匀后在60℃下搅拌加热5min，随后加入螺吡喃分子，搅拌溶解后冷却至室温，制得润滑剂组合物，所述润滑剂组合物中氢化卵磷脂的浓度为50mmol/L、脱氧胆酸钠的浓度为20mmol/L、螺吡喃分子的浓度为 15mmol/L。 [0078] 实施例4润滑剂组合物的制备 [0079] 本实施例的制备方法与实施例1的制备方法基本相同，不同之处在于：有机盐为柠檬酸铵不同。具体步骤如下： [0080] 将正十六烷、氢化卵磷脂及柠檬酸铵混合均匀后在60℃下搅拌加热5min，随后加入螺吡喃分子，搅拌溶解后冷却至室温，制得润滑剂组合物，所述润滑剂组合物中氢化卵磷脂的浓度为50mmol/L、柠檬酸铵的浓度为20mmol/L、螺吡喃分子的浓度为15mmol/L。 [0081] 实施例4润滑剂组合物的制备 [0082] 本实施例与实施例1的制备方法基本相同，不同之处在于：各物质的添加量不同。具体步骤如下： [0083] 将正十六烷、氢化卵磷脂及脱氧胆酸钠混合均匀后在60℃下搅拌加热5min，随后加入螺吡喃分子，搅拌溶解后冷却至室温，制得润滑剂组合物，所述润滑剂组合物中氢化卵磷脂的浓度为25mmol/L、脱氧胆酸钠的浓度为10mmol/L、螺吡喃分子的浓度为5mmol/L。 [0084] 实施例5润滑剂组合物的制备 [0085] 本实施例与实施例1的制备方法基本相同，不同之处在于：各物质的添加量不同。具体步骤如下： [0086] 将正十六烷、氢化卵磷脂及脱氧胆酸钠混合均匀后在60℃下搅拌加热5min，随后加入螺吡喃分子，搅拌溶解后冷却至室温，制得润滑剂组合物，所述润滑剂组合物中氢化卵磷脂的浓度为70mmol/L、脱氧胆酸钠的浓度为30mmol/L、螺吡喃分子的浓度为15mmol/L。 [0087] 实施例6润滑剂组合物的制备 [0088] 本实施例与实施例1的制备方法基本相同，不同之处在于：各物质的添加量不同。具体步骤如下： [0089] 将正十六烷、氢化卵磷脂及脱氧胆酸钠混合均匀后在60℃下搅拌加热5min，随后加入螺吡喃分子，搅拌溶解后冷却至室温，制得润滑剂组合物，所述润滑剂组合物中氢化卵磷脂的浓度为100mmol/L、脱氧胆酸钠的浓度为50mmol/L、螺吡喃分子的浓度为15mmol/L。 [0090] 对比例1 [0091] 本对比例所用的润滑剂组合物为正十六烷。将其置于二氧化硅及氮化硅组成的陶瓷摩擦副中测试其在100mm/s运作速度以下的摩擦系数为0.12。 [0092] 对比例2 [0093] 本对比例与实施例1的制备方法基本相同，不同之处在于：所用的光诱导结构变化分子为偶氮苯。具体步骤如下： [0094] 将正十六烷、氢化卵磷脂及脱氧胆酸钠混合均匀后在60℃下搅拌加热5min，随后加入偶氮苯，搅拌溶解后冷却至室温，制得润滑剂组合物，所述润滑剂组合物中氢化卵磷脂的浓度为50mmol/L、脱氧胆酸钠的浓度为20mmol/L、偶氮苯的浓度为15mmol/L。 [0095] 1)润滑剂组合物粘度测定 [0096] 在M302流变仪上测定润滑剂组合物的粘度，发现光照前后粘度几乎不变，均从7350mPa·s剪切稀化至5.54mPa·s。 [0097] 2)润滑剂组合物调控摩擦系数结果 [0098] 将润滑剂组合物置于二氧化硅及氮化硅组成的陶瓷摩擦副中，并在可见光或紫外光照射条件下，在摩擦试验机上测定润滑状态下的摩擦系数。如图4所示，摩擦副以0～350mm/s的速度运作时，光照前后所测的摩擦系数都是从0.14降至0.06，说明所述润滑剂组合物无法对摩擦副的摩擦系数进行调控，且摩擦系数较高。 [0099] 对比例3 [0100] 本对比例与实施例1的制备方法基本相同，不同之处在于：所用的表面活性剂为十六烷基三甲基溴化铵。具体步骤如下： [0101] 将正十六烷、十六烷基三甲基溴化铵及脱氧胆酸钠混合均匀后在60℃下搅拌加热5min，随后加入螺吡喃分子，搅拌溶解后冷却至室温，制得润滑剂组合物，所述润滑剂组合物中十六烷基三甲基溴化铵的浓度为50mmol/L、脱氧胆酸钠的浓度为20mmol/L、螺吡喃分子的浓度为15mmol/L。 [0102] 所述润滑剂组合物为流体状态，无法形成凝胶状，也无法实现在二氧化硅及氮化硅组成的陶瓷摩擦副中进行摩擦系数的调控。 [0103] 以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。 |
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