化学结构及组成对合成酯摩擦特性的影响研究

朱碧宁

摘要：本文以季戊四醇为例，研究了三种不同化学结构组成的合成脂的摩擦特性。所利用的原理是由于光对弹流实验的干涉，导致合成脂烃链长度增长，加大季戊四醇酯的油膜厚度。在摩擦实验中表明，不同的载物和不同的温度情况下，合成脂的分子链增长会导致摩擦指数降低。同样，跟随实验载物以及实验温度和频率的增长，分成脂的磨损体积大大增加，其抗摩擦性能会变低。本文还会使用设备对研制出的最新合成脂类型的摩擦改进剂进行研究，并与旧型摩擦改进剂的功能进行了一个比较。

关键词：季戊四醇酯;摩擦特性;摩擦改进剂

从人类的发展历史来看，砖木取火的出现带领人类文明向前迈了一大步，车轮利用摩擦力的原理解放了人类的双脚，带来的新的代步方式。现今，摩擦学在各大领域得到了越来越多的重视并被广泛应用，从航天工程到交通出行，再到海洋探险，世界上的所有的工程几乎都离不开摩擦学的原理。人们很早便对摩擦学有了一个认识，但对于摩擦学的定义是在15世纪中期意大利的文艺复兴阶段才出现，由意大利的一位学者对其进行深入的研究。随着研究的不断深入，在摩擦学的基础上又涌现出更多的发展机遇，例如纳米摩擦学和智能润滑等等。

摩擦学作文一门以研究摩擦、磨损、润滑为主的科学在机械和电子等领域占据重要地位。一项研究表明，全世界一年大约有1/2～1/4的能源因摩擦而被消耗掉，在这其中大约65%的设备零件因摩擦受损而被损坏，45%的机器故障由摩擦受损而引起。因此，使用摩擦改进剂作为机器两接触表面的润滑，大大减低摩擦，可以大大减少破损，并解决目前全球面临的能源危机。

三种不同化学结构组成的季戊四醇酯的摩擦特性研究

季戊四醇作为一种比较重要的合成脂，在航空、汽车的润滑油以及抗燃液压油等方面已被广泛引用[1]。这种合成脂的脂基数量较多并且β位的碳不含氢原子，因此具有蒸发成本低、安定性能好的特点，并且也方便用来做实验。

（一）实验材料的准备阶段

本实验选择三种分子链长度不同即不同的化学结构构成的季戊四醇酯作为实验对象，分别为：季戊四醇五戊酸脂、季戊四醇五庚酸脂、季戊四醇五壬酸脂。三个实验对象的分子结构大致相似，从季戊四醇五戊酸脂、季戊四醇五庚酸脂到季戊四醇五壬酸脂三种合成脂的分子链长度在增加。同时根据相关的研究表明，在季戊四醇的分子结构中，烃链的长度决定了其粘度，长度增加，粘度也在提高。

（二）合成脂的摩擦性能分析

对合成脂的摩擦性能进行，即研究在实验过程中，实验载物、实验温度以及频率对合成脂摩擦性能的影响。

1.实验载物的影响

从实验中可以看出，因不同的实验载物，所以三种合成脂的抗摩擦性能并不相同。从季戊四醇五戊酸脂、季戊四醇五庚酸脂到季戊四醇五壬酸脂三种合成脂的摩擦系数在减小，同样的磨损掉的体积也在减小，这是因为合成脂分子链的长度在增加，加强了与金属表面之间的吸附，相应的吸附膜所能承受的力度增加，从而降低因摩擦所产生的磨损。即表明合成脂的分子链长度越长，其摩擦性能越好。另外在实验中还可以发现，因实验载物的增加破坏了季戊四醇表面的吸附膜的完好，从而增加了合成脂的磨损体积，抗摩擦性能大大降低。

2.实验温度的影响

从实验数据中可以看出，三种不同分子链长度的季戊四醇在随着温度的增加中，其因磨损而减少的体积不断地在增加，说明温度的增加会损坏合成脂表面吸附膜的完好性，降低其抗摩擦性能。同时，在实验中还发现不同的温度下，合成脂的摩擦受损体积均在减小，这表明合成脂中分子链长的会更加快速的形成表面的吸附膜，较之前更厚强度更强，从而可以改善其摩擦性能。

3.频率的影响

实验数据表明，三种合成脂的摩擦系数在实验频率的增加中都会有一定的幅度的提高，但在一个较高的频率时，三种季戊四醇的摩擦系数有大致在一个水平线上。这代表合成脂与金属表面产生的吸附膜会因为实验频率而不太稳定，频率的增加导致金属表面吸附膜损坏，从而增加摩擦受损体积。在相同的实验频率下，从季戊四醇五戊酸脂、季戊四醇五庚酸脂到季戊四醇五壬酸脂三种合成脂的分子链长度在增加，相应的受磨损体积也在减小，说明在一定范围的实验频率内，分子链长的更易提高季戊四醇的抗摩擦性指数。

3.实验小结

这个实验对三种不同化学分子结构的季戊四醇进行考察，三种季戊四醇最明显的差别是三种合成脂的分子链长度各不相同，利用这一点进行探究其摩擦特性的影响。对上述三个不同的实验条件进行了一个总结，可以得出：不论在什么实验条件下，合成脂的分子链的长度越长，更可以提高合成脂的摩擦性能，但是会适当的降低其在低温下的流動性能;合成脂的摩擦性能还和结构中烃链的长度有关，其烃链在分子结构中的长度越长，越有利于形成相对更厚强度更大的金属之间的吸附膜，从而会减少磨损体积，增加其摩擦性能。这个实验同样还得出一个原理，合成脂与金属接触面形成的吸附膜并不是特别的稳定，会因实验条件而发生改变。本实验中可以看出，随实验载物和试验温度的增加，都会相应的破坏合成脂的摩擦性能，降低合成脂的抗摩擦性能。

新研制摩擦改进剂的摩擦性能研究

在引言中已大致提到目前全世界有大量的能源因摩擦在被浪费，所以专家研究出一种摩擦改进剂。例如润滑油就像一种摩擦改进剂，在机器正常运转的基础上加长其使用寿命，并大幅度的减少因摩擦而引起的机器故障。摩擦改进剂作为改善燃油的重要方法，已被广泛应用，并成为“绿色GDP”的研究焦点[2]。摩擦改进剂是通过对金属表面较强的吸附能力，从而达到降低磨损体积，增加摩擦性能以及节能减排的作用，提高了能源的利用率。摩擦改进剂的使用不仅可以促进建设绿色环保的环境，还可以增加经济收益。

（一）新研制摩擦改进剂在基础油中的摩擦性能研究

在这次的研究中我们主要是对一种新研发的摩擦改进剂——SE进行摩擦性能的研究[3]。利用很有名的四球实验对新研发出的摩擦改进剂与传统的摩擦改进剂——GMO进行对比。在实验中钢球采用GCr 15的标准钢球，因这种钢球的硬度和直径更便于观察和记录;并以一种合成脂油作为基础油。在实验开始之前，需对钢球表面的油脂进行一下清理，可以利用石油醚对钢球表面进行超声波清理两遍即可。

从实验结果数据可以看出，在基础油中不论是添加哪一种摩擦改进剂都可以减少基础油在使用过程的磨损消耗，降低其摩擦系数，代表了这两种摩擦改进剂在一定的浓度范围内均可以起到一个很好的减少摩擦的作用。在实验数据中还可以看出，在相同的浓度范围内，在添加SE的基礎油中其摩擦系数要低于添加GMO的基础油，这就说明目前新研发出的摩擦改进剂其性能要远远大于旧型摩擦改进剂。

（二）新研制摩擦改进剂在发动机油中的摩擦性能研究

新研制的摩擦改进剂在基础油中的摩擦性能比旧型摩擦改进剂更好，现在将两种摩擦改进剂添加在日常使用的发动机油中，来进行对比与检验。同样选用GCr 15的标准钢球，并对其进行清洗，减少外在因素的影响[4]。

从得到的实验结果可以看出，两种摩擦改进剂加入到发动机油中都可以提高其抗摩擦性能，同样SE的抗摩擦性能依然是优于GMO.这个实验表明新研制的摩擦改进剂可以完全的投入到发动机油的使用中，并且比旧型摩擦改进剂会带来更高的经济效益。

结语

本文考察了不同化学组成结构的合成脂与其摩擦性能的影响，并探讨了不同的实验条件下合成脂的摩擦性。结果显而易见，合成脂的摩擦性能与它的分子链长度和烃链的长度有很大的关系，其中分子链越长的合成脂在摩擦过程中其磨损消耗会越小，即摩擦性能越好。文中还对新研制的摩擦改进剂进行探究并与旧型摩擦改进剂作了一个对比，其中发现摩擦改进剂可以大量的减少因摩擦而产生的损耗，并且不论是基础油还是发动机油新型的改进剂的效果好于传统摩擦改进剂。

在未来，可以对以下三个方面的问题进行研究：（1）对加入粘指剂的润滑剂进行理论探索，讨论粘指剂与润滑剂成膜之间的联系与影响，并对加入粘指剂后产生的润滑剂膜厚度不变的现象进行彻底的分析与研究。（2）对于不同的化学分子结构的润滑剂与其性能的影响，对其抗摩擦受损性能是否有影响，并对润滑剂润滑原理进行深入的探讨与研究。（3）摩擦改进剂在改善金属表面的吸附膜时是否受外界温度、实验载物以及实验频率所影响。

参考文献：

[1]白敏丽，刘美，王宇，等.薄膜润滑的结构和摩擦特性的分子动力学模拟[J].润滑与密封，2017，42（4）：12-16.

[2]赵二辉，马彪，李和言，等.转速对湿式离合器局部润滑及摩擦特性影响研究[J].兵工学报，2017，38（4）：625-633.

[3]李直，陈剑，沈锦龙，等.基于双盘试验的齿面时变摩擦特性研究[J].机械工程学报，2018，54（3）：73-81.

[4]覃文源，杨国峰，郑洪波，等.水润滑橡胶轴承摩擦特性的实验研究[J].振动与冲击，2017，36（17）：42-47.