不同形态二硫化钼润滑剂在玉米油中的摩擦学性能

刘敏，徐勇，胡坤宏（.安徽省化工设计院，安徽合肥30009；.合肥学院化学与材料工程系，安徽合肥3060）



不同形态二硫化钼润滑剂在玉米油中的摩擦学性能

刘敏1，徐勇2，胡坤宏2
（1.安徽省化工设计院，安徽合肥230009；2.合肥学院化学与材料工程系，安徽合肥230601）

摘要：考查了不同形态结构的二硫化钼（MoS2）润滑剂在玉米油中的润滑性能。空心球形MoS2能有效地改善玉米油的摩擦学性能，尤其是抗磨损性能，在玉米油中具有潜在的应用价值；MoS2纳米片对玉米油摩擦学性能也有改善作用，但效果不如纳米球；MoS2微米片不仅不能改善润滑性能，而且还干扰了玉米油的润滑性能。MoS2空心球在玉米油中的润滑作用可归因于三个方面：一是球形结构的特殊润滑机理；二是MoS2空心球在玉米油中的良好分散性能；三是空心球进入接触区后大大缓解了磨料磨损。

关键词：二硫化钼；润滑性能；玉米油；润滑剂

矿物油基润滑剂在使用过程会造成环境污染，随着人们环保意识的不断增强，迫切需要开发出对环境无污染的绿色润滑剂。植物油不仅具有良好的润滑性能，而且还具有可生物降解与可再生等性能，是制备绿色润滑剂的理想原料，也是绿色润滑剂的研究热点之一［1-5］。二硫化钼（MoS2）具有层状结构，润滑性能优异，常用作基础油脂的添加剂。MoS2微粒形态结构主要分为两种：一种是与天然MoS2类似的开放式的层片状结构（拥有大量的层片边缘）；另一种是闭合的层状结构（没有层片边缘），如球形与管状，两种结构的MoS2均具有优良的润滑性能。层片状MoS2层间结合力是弱的范德华力，在库仑排斥力的作用下易于滑移［6］，从而可以缓解摩擦剪切作用；层状封闭的MoS2（如空心球）不能滑移，但可通过其滚动、弹性变形、球壳的剥层等方式缓解摩擦剪切［7-9］。一般情况下，空心球形的这种特殊润滑机理要优于片状结构的剪切滑移机理［10］。本文研究了不同形态结构的MoS2润滑剂在玉米油中的润滑性能，为MoS2在玉米油中的应用提供依据与理论支持。

1　实验部分

1.1原料与仪器

商业MoS2微米片（325目，上海化学试剂一厂），微粒的平均尺寸约5μm左右，外形呈片状结构［10］；纳米片长度约为30nm，片层厚约10nm，空心球直径在150nm左右，球壳厚约15nm；玉米油（鲁花，物理压榨）。四球摩擦试验机专用钢球（Ф12.7mm，中国石化石油化工科学研究院）；利用H- 800透射电镜（TEM）表征了空心球与微米片，纳米片的表征在JEOL- 2010高分辨透射电镜上完成。

1.2摩擦学测试

将0.5%（重量百分数）不同形态的MoS2添加到一定量的玉米油中，经30 min超声分散均匀，在MRS- 10D型四球摩擦磨损试验机上测试样品的摩擦学性能，摩擦方式具体见图1，环境温度10℃，试验时间30 min，变化载荷或滑动速度，研究涉及载荷为300、350、400N，滑动速度为0.306、0.345、0.383m/s，分别考查了载荷与转动速度对玉米油摩擦学性能的影响。摩擦结束后利用光学测量显微镜获得了磨斑直径数据及磨斑光学显微照片，然后利用基恩士VK- X100激光形状测量系统观察摩擦表面微观形貌照片、表面轮廓曲线及过中心的轮廓线的纵向磨损面积（图1）。

2　结果与讨论

2.1摩擦学性能

表1是不同测试条件下MoS2改性玉米油的摩擦学性能的测试结果。在所有测试条件下，添加微米片后，玉米油的摩擦系数反而略微升高，平均磨斑直径也轻微增加，表明微米片不能改善玉米油的减摩抗磨性能；当添加纳米片时，玉米油的摩擦系数出现了一定程度的上升，但平均磨斑直径减小，表明纳米片不能改善玉米的减摩性能，但可增强玉米油的抗磨能力；添加空心球后，玉米油摩擦系数轻微下降，平均磨斑直径出现了较明显的降低，表明空心球对玉米油的减摩性能有轻微改善效果，对抗磨性能改善效果良好，是玉米油适宜的润滑添加剂。

图1　四球摩擦方式及纵向磨损面积测量示意图

表1　不同条件下摩擦学性能测试结果

表1表明，随着载荷的升高，摩擦系数与磨损量均呈上升趋势；随着滑动速度的升高，磨损量也呈上升趋势，但摩擦系数则呈下降趋势。载荷升高时摩擦更为剧烈，因而摩擦系数与磨损量逐渐升高。滑动速度的升高也会导致磨损量增加，但根据Stribeck理论，可知滑动速度增加时，润滑状态由边界润滑逐渐转变为混合润滑再到动力润滑，摩擦系数呈先下降后上升的趋势，可以推断出测试中的润滑状态处于边界润滑向混合润滑过渡的区域，因而摩擦系数随滑动速度升高而下降。

2.2磨斑表面表征及润滑机理

图2是磨斑表面的光学显微照片，图3显示的是摩擦表面的激光共聚焦显微图、三维形貌图、过磨斑中心的轮廓曲线及磨损面积。从图2与图3可以看出，纯的玉米油润滑时磨斑表面犁沟明显，表明主要的磨损方式是磨料磨损，过中心处轮廓线的磨损面积达1218 μm2。当纳米片与微米片改性玉米油润滑时，磨斑表面形貌与纯玉米油润滑下的磨斑类似，主要发生的也是磨料磨损，纳米片改性的玉米油产生的磨损面积较小，为678 μm2，微米片润滑时磨损面积达1995 μm2，甚至超过了纯的玉米油的磨损面积，表明商业微米片MoS2在玉米油中没有润滑效果，甚至其难以分散的大颗粒能破坏玉米油本身的润滑性能。

图2　磨斑表面光学显微照片

然而在玉米油中添加空心球后，磨斑表面仅在沿摩擦方向的两侧存在较明显的犁沟，磨斑中部的犁沟基本消失，磨斑中部的表面十分平整，磨损面积仅为276 μm2，表明磨料磨损非常轻微。根据前期工作可知［10］，此时发生的是“化学腐蚀磨损”，是进入接触区域的空心球与摩擦副表面的摩擦化学反应引起的。“化学腐蚀磨损”是空心球进入接触区的证据，也是空心球与植物油在摩擦表面经摩擦化学反应形成润滑膜的证据。该润滑膜阻隔了摩擦副的直接接触，限制了磨屑的生成，减弱了磨料磨损。在植物油中空心球有良好的分散性［10］，因而可以很好地发挥润滑功能，然而片状MoS2在植物油中的分散性较差，润滑能力难以发挥。因此，即使纳米片具有很小的尺寸，理应更容易进入到摩擦接触面作为润滑剂，但其差的分散性导致实际进入到接触区域的MoS2十分有限，从而对玉米油的润滑性能改善效果不理想。

图3　不同形态MoS2改性玉米油润滑时摩擦表面形貌图与三维轮廓曲线

图4　MoS2空心球的变形剥层转移机理

除了良好的分散性外，空心球的润滑性能还可归因于球形结构的特殊润滑机理（图4）。这种润滑机理与传统层状材料的剪切滑移机理不同，它主要包括球形结构的滚动、弹性变形与球壳的剥层转移过程，其中最主要的是球壳的剥层转移，它为接触区提供了源源不断的MoS2润滑剂［7-9］。

3　结论

MoS2空心球在玉米油中具有良好的分散性能，摩擦过程中可以进入到接触区域，通过其球形结构的滚动、弹性变形与球壳剥层转移到接触区来润滑摩擦副，因而能有效地改善玉米油的摩擦学性能，尤其是抗磨损性能，在玉米油中具有潜在的应用价值；MoS2纳米片对玉米油的抗磨损性能具有一定的改善效果，但不够明显，难以充当玉米油的润滑添加剂；微米片不仅不能改善玉米油的摩擦学性能，而且还干扰了玉米油的润滑功能，因而不能充当玉米油的润滑添加剂。

参考文献

［1］Rahim E A，Sasahara H. A study of the effect of palm oil as MQL lubricant on high speed drilling of titanium alloys［J］.Tribology International，2011，44：309- 317.

［2］Sharma B K，Adhvaryu A，Erhan S Z. Friction and wear behavior of thioether hydroxyvegetable oil［J］. Tribology International，2009，42：353- 358.

［3］Biresaw G，Bantchev G B，Cermak S C. Tribological properties of vegetable oils modified by reaction with butanethiol［J］. Triboloy Letters，2011，43：17- 32.

［4］Suzuki A，Ulfiati R，Masuko M. Evaluation of antioxidants in rapeseed oilsforrailwayapplication［J］.TribologyInternational，2009，42：987- 994.

［5］Fox N J，Stachowiak G W. Vegetable oil- based lubricants a review ofoxidation［J］. Tribology International，2007，40：1035- 1046.

［6］Onodera T，Morita Y，Nagumo R，et al. A computational chemistry studyon friction ofh- MoS2［J］.Part II. Friction Anisotropy. Journal of Physical Chemistry B，2010，114，15832- 15838.

［7］Tannous J，Dassenoy F，Lahouij I，et al. Understanding the tribochemical mechanisms of IF- MoS2nanoparticles under boundarylubrication［J］. Triboloy Letters，2011，41：55- 64.

［8］Lahouij I，Dassenoy F，Vacher B，et al. Real time TEMimaging of compression and shear of single fullerene- like MoS2nanoparticle ［J］. Triboloy Letters，2012，45: 131- 141.

［9］Lahouij I，Dassenoy F，de Knoop L，et al. In situ TEMobservation ofthe behavior of an individual fullerene- Like MoS2nanoparticle in a dynamic contact［J］. Triboloy Letters，2011，42：133- 140.

［10］Xu Z Y，Hu K H，Han C L，et al. Morphological influence of molybdenum disulfide on the tribological properties of rapeseed oil ［J］. Triboloy Letters，2013，49：513- 524.□

Morphological Effect of MoS2Particles on the Lubricating Performance of Corn Oil

LIU Min1，XU Yong2，HU Kun-hong2
（1. Anhui Design Institute of Chemical Industry，Hefei 230009，China；2. Department of Chemical and Materials Engineering，Hefei University，Hefei 230601，China）

Abstract：The lubricating performances of corn oils modified by MoS2particles with different morphologies were studied. Hollowsphere- like MoS2remarkablyimproved the tribological properties ofcorn oil，especiallythe wear resistance. Thus，the hollowsphere- like MoS2shows potential applications in corn oil. Though the sphere- like MoS2is superior to the nano- flakes in corn oil，the MoS2nano- flakes could also improve the lubrication of corn oil to some extent. However，microsized commercial MoS2deteriorated the lubrication of corn oil. The lubrication of sphere- like MoS2was ascribed to the particular lubricatingmechanisms，good dispersibilityin corn oil，and abrasive wear resistance of MoS2transferred tothe contact region.

Key words：Molybdenumdisulfide；lubricatingperformance；corn oil；lubricants

doi：10.3969/j.issn.1008- 553X.2016.03.006

中图分类号：TQ136.1+2

文献标识码：A

文章编号：1008- 553X（2016）03- 0015- 04

收稿日期：2015- 12- 06

作者简介：刘敏（1980-），女，工程师，从事化工工艺设计工作，13866196154，lium@ahshgsjy.com。