发动机用润滑油添加剂的研究进展*

郭文娟

（宝鸡职业技术学院生物与建筑工程学院，陕西宝鸡 721013）

近年来，随着科学技术的不断进步，我国的汽车制造业得到迅速发展，发动机作为汽车的核心部件，它的使用寿命与动力性能直接决定了汽车的品质与受青睐程度。而发动机中的内燃机主导着发动机性能。因此，如何通过添加润滑油降低发动机中内燃机的摩擦损失引起国内外科研工作者的广泛关注[1]。而内燃机在使用过程中，产生的碳颗粒、污染物与金属磨粒等杂质掺入润滑油中都会破坏润滑，加剧内燃机磨损，使发动机的动力性能与经济性显著降低。因此，如何提高润滑油的润滑性能是亟待解决的主要问题。在润滑油中加入添加剂是提高润滑性能的一种重要途径[2]。在润滑油中加入添加剂后，在发动机运行过程中发生摩擦反应后，一层反应膜会形成于摩擦反应副表面，不仅降低了摩擦反应系数，而且在一定程度上可以修复和填补摩擦表面，最终使润滑油的抗磨、减摩性能得以提高，从而应用于更加苛刻的润滑环境中[3]。本文综述了润滑油添加剂的种类，阐述了不同添加剂的作用机理，提出了当前存在的问题和研究热点。

1 发动机用润滑油添加剂的研究现状

润滑油主要包含基础油和添加剂。基础油作为润滑油的主要组成部分，它决定了润滑油的基本性能。添加剂是基础油成为高级润滑油的必需品，精心选择合适的添加剂，可显著改善基础油的物理化学性质，弥补基础油在润滑性能方面的不足，赋予其新的性能，进一步满足更高的润滑要求，更是润滑油质量的关键保证。目前润滑油添加剂的种类有很多，包括球形微纳米颗粒润滑油添加剂[4-6]、硼酸酯润滑油添加剂[7-8]、金属钼/钨系列润滑油添加剂[9-10]与苯三唑脂肪胺盐润滑油添加剂[11-12]等。

2.1 发动机用球形微纳米颗粒润滑油添加剂

球形微纳米颗粒润滑油添加剂主要包括金属单质、金属单质复合物、金属氧化物、金属氧化物复合物、硫化物以及硫化物复合物等；而不同的制备方法所得微纳米颗粒添加剂的组成与润滑性能不同，其制备方法主要有溶胶凝胶法、水热法、溶解热法、激光辐照法、沉淀法等[13]。例如：宋小云[14]利用水热法制备了粒径约为95nm的类球形ZnO纳米颗粒，分别对面接触和点接触的摩擦性性能进行了测试。结果表明，ZnO类球形纳米粉体作为润滑油添加剂，可以改善润滑油的摩擦性能，ZnO纳米粉体的添加量不同，润滑油的摩擦系数减小程度不同，当添加适量的ZnO纳米粉体时，摩擦系数较小，最多可降28%。董凌等[15]采用微胶囊技术，以纳米铜颗粒为“芯”， 有机物为“壳”合成了“芯-壳”结构的纳米铜微胶囊，即纳米铜颗粒表面均匀地包覆了一层有机膜，从而提高了其在润滑油中分散性和稳定性，使该纳米复合颗粒表现出较好的抗磨减摩、极压性能。许耀华等[16]通过原位修饰法在纳米铜颗粒的表面修饰了一层网状结构，抑制了纳米铜的团聚与氧化，提高了纳米铜的水溶性，其在水介质中，表现出优良的分散性、稳定性以及抗氧化性，使该纳米复合颗粒表现出较好的抗磨减摩、极压性能。王青宁等[17]利用表面活性剂Tween-40与Span-80同纳米铜粉体进行复配，可以明显提高纳米铜颗粒在 10#机械油中的分散性与稳定性，使该纳米复合颗粒表现出较好的抗磨减摩、极压性能。由此可见，球形微纳米颗粒润滑油添加剂通常会在基体上形成一层润滑摩擦层，能够起到抗磨减摩的作用；其作用机理一般可分为以下3种：抛光效应、微轴承效应、自修复效应。但是，球形微纳米颗粒润滑油添加剂也存在明显的缺点，纳米颗粒极易团聚，不易形成球形纳米颗粒。因此，如何提高球形微纳米颗粒润滑油添加剂的分散性是该领域的研究热点。

1.2 发动机用硼酸酯润滑油添加剂

硼酸酯润滑油添加剂主要分为具有活性元素的硼酸酯添加剂、无活性元素的硼酸酯添加剂及复合型硼酸酯润滑油添加剂三类。通常在硼酸酯结构中掺入S、P、N等具有活性的元素，这些具有加强活性的元素在使用润滑油的过程中，有助于与金属的表面形成一层保护薄膜，从而提高润滑油的抗磨减摩性能[18-20]。目前，研究最多的硼酸酯润滑油添加剂是含有N元素的硼酸酯添加剂，也是研究的热点之一。由于硼酸酯中硼原子缺少电子，而N 原子中存在弧对电子，二者之间能够形成氮硼配位键，从而提高了润滑油的抗磨抗压性能；此外，两种元素之间的协同作用显著提高了润滑油的水解稳定性能。含有S活性元素的硼酸酯添加剂具有一定的吸附性能，在金属表面形成一层吸附膜，从而提高润滑油的抗磨减摩性能。相比含有S活性元素的硼酸酯润滑油添加剂，含有P活性元素的硼酸酯润滑油添加剂存在明显的缺点即极压性较差。然而，在硼酸酯润滑油添加剂中同时引入硫与磷，其抗磨抗压性能能够得到显著的改善。如高瑞保等[21]合成的含硫、氮的苯基硼酸酯润滑油添加剂（1-巯基苯并噻唑-2-辛基-3-苯基硼酸酯），作为添加剂加入润滑油中，可以提高润滑油的抗磨减摩性能。当1-巯基苯并噻唑-2-辛基-3-苯基硼酸酯的加入量为2.5%时，润滑油的抗磨性能提高了24.7%，承载能力提高了131.8%。最终，有效地减轻金属摩擦副表面的磨损和擦伤。龚殿婷等[22]利用五氧化二磷、十六醇与硼酸为原料，通过酯化法合成了含磷硼酸酯润滑油添加剂，用四球机测试了该添加剂对润滑油的摩擦性能，结果表明具有较高的水解稳定性和较好的抗磨性能。而没有活性元素的硼酸酯添加剂也能够提高润滑油的抗磨减摩性能，因其在使用过程中，能够与金属表面发生摩擦反应形成边界润滑保护膜。但是，无活性元素硼酸酯添加剂的缺点非常明显，在使用过程中，容易水解失去润滑性能。

1.3 发动机用金属钼/钨系列润滑油添加剂

钼/钨系列润滑油添加剂属于高档油品的添加剂，在发达国家的研究已趋成熟。含S、低P、含N钼/钨系列添加剂的油溶性问题已经得以解决，以上产品均表现出较好的稳定性，尤其是含N钼/钨系列润滑油添加剂展现出优良的抗氧化性能。然而在中国，对钼/钨系列润滑油添加剂已经进行了大量的研究工作，但是对钼/钨系列润滑油添加剂生产水平仍然处于初级阶段，合成关键技术以及稳定性等诸多问题尚未解决。

钼/钨有着类似的化学结构与性质，而MoS2/WS2具有类似于石墨的层状结构，因此它们合成的金属钼/钨系列润滑油添加剂结构也类似，都具有良好的润滑性能。钼/钨系列润滑油添加剂根据其结构以及所含主元素种类大致可分为以下四类：含 S 元素的钼/钨系列润滑油添加剂、含N元素的钼/钨系列润滑油添加剂、含N 和 S 元素的钼/钨系列润滑油添加剂以及含S与P元素的钼/钨系列润滑油添加剂[23-25]。如An等[26]研究发现WS2作为润滑油添加剂，在使用过程中会发生摩擦化学反应，在金属表面会形成一层WS2纳米膜，能够保护金属表面，起到润滑的作用。Dabrowski等[27]合成的甲苯基二硫代羧酸钼与苊共同使用时，两者会产生协同作用，在金属表面会形成FeMo2S4润滑保护膜，表现出优良的抗磨减摩性能。夏迪等[28]合成的二烷基二硫代氨基甲酸钼润滑油添加剂，加入润滑油中，可以明显提高润滑油的抗磨减摩性能。当二烷基二硫代氨基甲酸钼的加入量为3.0%时，润滑油的减摩性能降低了40.2%，加入量为2.0%时，减摩性能最佳。

1.4 发动机用苯三唑脂肪胺盐润滑油添加剂

苯三唑脂肪胺盐作为一类润滑油添加剂，能够明显提高润滑油的防腐、抗氧化、抗磨、减摩等性能[29]。苯三唑脂肪胺盐的合成方法主要分为以甲醇或者水为溶剂的制备方法[30-31]。但是，以甲醇作为溶剂制备苯三唑脂肪胺盐是一种传统方法，产率较低（低于80%），合成工艺条件苛刻。而以水作为溶剂，不仅简化了合成工艺，提高了产品收率；而且降低了成本，避免甲醇减轻了环境污染；尤其是提高了其油溶性，从而明显改善了润滑油的防腐和减磨性能。苯三唑脂肪胺盐润滑油添加剂的缓蚀机理讨论较多的是物理吸附机理[32]和薄膜机理[33]。如：冯冰等[34]研究了苯三唑脂肪胺盐润滑油添加剂的吸附性能与缓蚀性能之间的关系。研究结果表明苯三唑脂肪胺盐作为润滑油中的添加剂引起的吸附效应直接影响润滑油的缓蚀性能。王颖等[35]利用多聚甲醛、油胺、苯三唑为原料，制备了液体苯三唑胺盐。与固态苯三唑胺盐相比，液体苯三唑胺盐作为润滑油添加剂在低温下的油溶性以及抗磨减摩性能和防锈防腐蚀性能更好。而且，该方法制备的液体苯三唑胺盐的产率较高，可达93.57%，合成过程中不添加有机溶剂，制备工艺简单，合成条件温和，符合绿色环保合成要求。

2 结论与展望

润滑油添加剂直接影响着润滑油的使用范围和使用寿命，它不仅能够保护金属界面，而且可以使润滑油使用寿命延长、使用范围扩大，从而进一步延长发动机等机械设备的使用寿命。近年来，随着环保要求的逐渐提高和润滑油使用要求的日益提高，那些性能单一、含有硫、磷及重金属元素的润滑油添加剂很难满足不同工业部门发展需求，而开发高性能、多功能和绿色环保的复合润滑油添加剂是未来的研究重点和难点。硼酸酯润滑油添加剂拥有良好的密封性以及氧化稳定性、防锈抗腐蚀性，有望成为一种高性能、多功能和绿色环保的复合润滑油添加剂。球形微纳米颗粒具有良好的减摩、抗磨性能，离子液体和柔性纳米材料等作为润滑油添加剂具有很大的研究空间和广阔的应用前景。