架空导线防护润滑脂的制备及作用机理

2023-08-10张鹏强

石油炼制与化工 2023年8期

张鹏强

(中铁三局集团电务工程有限公司，山西晋中 030600)

架空导线承担着电能传输任务,是电网中的关键组成部分之一,其安全运行是企业生产、居民生活的保障[1-2]。一般情况下,架空导线裸露于野外环境,运行工况十分复杂,易导致故障频发。研究表明[3-4],磨损和腐蚀是架空导线出现故障的主要原因。其中导线因风力或其他外力引起振动,线股之间产生微幅滑移和交变应力,从而造成磨损;导线腐蚀主要由环境中腐蚀性介质的侵蚀而形成。磨损和腐蚀会导致架空导线内阻增加、电晕增强,严重时还会导致线路断裂,造成严重的安全事故。因此,增强架空导线耐磨损和抗腐蚀性能,是提高架空导线服役性能和可靠性的关键[5-6]。

架空导线的磨损和腐蚀都与线股之间的界面接触状态密切相关,改善接触界面处的润滑状态和腐蚀抑制性能,可有效增强架空导线耐磨损和抗腐蚀性能,在这方面润滑脂显现出巨大潜力,应用润滑脂可对导线的线股间界面接触行为进行有效调控。国外对架空润滑脂的研究开展较早,欧盟和国际电工委员会分别于2002年和2011年发布了架空导线用润滑脂标准BS EN50326—2002和PD IEC61394—2011[7-8]。我国关于架空导线专用润滑脂的开发和应用非常有限,一直将封存油脂或钢丝绳润滑脂用于架空导线的防护,但其性能远不能满足架空导线恶劣工况需求[9]。因此,亟需研制一种兼具减摩抗磨和抗腐蚀性能的架空导线专用润滑脂,提高架空导线的耐磨损和抗腐蚀性能。

一般而言,润滑脂稠化剂分子中的金属离子对润滑脂基础油有催化氧化作用。聚脲型润滑脂稠化剂中不含金属离子,因而避免了稠化剂对基础油氧化反应的催化作用。同时,聚脲润滑脂具有较高的滴点,较好的热稳定性、抗氧化性和抗水性等优点,适合用作架空导线防护润滑基础脂[10-11]。润滑脂添加剂可以进一步增强润滑脂的性能。纳米二氧化硅颗粒作为润滑脂添加剂已得到广泛的应用,其分散在润滑脂中可以在摩擦表面形成性能优异的润滑保护膜,起到减摩抗磨作用[12-13];而聚苯胺是一种高分子聚合物,具有较好的抗腐蚀作用,同时也可以起到减摩抗磨作用[14-15]。近年来,核壳结构纳米颗粒作为润滑添加剂引起了科研工作者的极大兴趣。核壳结构纳米颗粒的内核与外壳通过物理和化学作用结合在一起,同时具有核材料和壳材料的优势,因而表现出更好的性能[16-17]。

鉴于此,为了获得性能优异的架空导线防护润滑脂,本研究以聚脲润滑脂为基础脂,同时制备核壳结构的二氧化硅-聚苯胺纳米颗粒用作润滑脂添加剂,详细考察二氧化硅-聚苯胺纳米颗粒对润滑脂理化性能、抗腐蚀性能及摩擦学性能的影响,并与二氧化硅纳米颗粒性能进行对比,深入分析核壳结构纳米颗粒的作用机理。

1 实验

1.1 原料

二氧化硅(粒径60 nm)、苯胺、过硫酸铵、盐酸溶液(浓度1 mol/L)、聚α-烯烃(PAO40)、二苯基甲烷二异氰酸酯、己二胺、十八胺、丙酮,均购自国药集团化学试剂有限公司。

1.2 核壳结构二氧化硅-聚苯胺的制备及表征

采用原位聚合法制备核壳结构的二氧化硅-聚苯胺添加剂,具体步骤如下:首先,将10 g二氧化硅和1.6 g苯胺同时超声分散于500 mL盐酸溶液中,将3.92 g的过硫酸铵溶于200 mL的蒸馏水中;然后,将含有过硫酸铵的蒸馏水缓慢加入至含有二氧化硅和苯胺的盐酸溶液中,并在室温下反应24 h;最后,将所得溶液过滤,用丙酮洗涤数次,再将过滤物在60 ℃下干燥12 h,即可得到核壳结构二氧化硅-聚苯胺添加剂。利用扫描电子显微镜(SEM,SU8010型,日本HITACHI公司产品)和透射电镜(TEM,HT7800型,日本HITACHI公司产品)观察二氧化硅-聚苯胺的微观形貌,利用X射线能谱仪(EDX,QUANTAX型,德国Bruker公司产品)表征添加剂典型元素分布情况,利用傅里叶变换红外光谱仪(FT-IR,Nicolet iS5型,美国Thermo Fisher Scientific公司产品)表征添加剂的化学结构。

1.3 润滑脂的制备

首先,称取一定量的十八胺和己二胺加入到PAO40基础油中,加热至80 ℃;再加入一定量的二苯基甲烷二异氰酸酯和PAO40基础油,保持温度为80 ℃反应60 min;然后,缓慢加入少量蒸馏水,继续反应30 min;之后,将反应温度提高至150 ℃,保持30 min后自然冷却至室温,加入二氧化硅或所制备的核壳结构二氧化硅-聚苯胺颗粒,其质量分数分别为1.0%,2.0%,3.0%,4.0%,5.0%,经研磨得到润滑脂。

1.4 润滑脂性能测试

利用德国Bruker公司生产的UMT-3型往复摩擦磨损试验机评价润滑脂的摩擦学性能,摩擦副为球-盘形式。针对架空导线钢芯线与铝线接触界面处磨损最严重的现象,摩擦副选择钢-铝材质:上试件钢球为GGr15材质,直径为10 mm、硬度为610 HV;下试件底盘为2024材质铝块,尺寸为30 mm×30 mm×5 mm,硬度为160 HV。每次试验前在摩擦副间涂加约0.5 g润滑脂,试验温度为室温,试验时间为30 min,试验载荷为20,30,40,50 N,钢球往复滑动相对速率为20,40,60,80 mm/s。试验结束后,用带有刻度标尺的光学显微镜(CX43型,日本Olympus公司产品)测量铝盘磨痕宽度,用SEM观察铝块上磨痕的微观形貌,试验过程中加速电压为12 kV,电流束为7.5 nm;用X射线光电子能谱仪(PHI-5702型,美国American Institute of Physics Electronic Company产品)分析摩擦表面的化学成分,以Mg Kα射线为激发源,C1s结合能284.6 eV为内标。

分别依据国家标准GB/T 3498和GB/T 269测试润滑脂的滴点和锥入度;利用铜片腐蚀试验考察润滑脂的腐蚀性能,试验温度为100 ℃,试验时间168 h。

2 结果与分析

2.1 扫描电镜与红外光谱分析

利用SEM和TEM观察二氧化硅-聚苯胺的微观形貌,利用EDX表征二氧化硅-聚苯胺颗粒典型元素(N和Si)的面分布情况,利用傅里叶变换红外光谱表征添加剂的化学结构,结果如图1所示。由图1(a)颗粒的SEM照片可知,所制固体添加剂颗粒近似于球形,粒径为80～100 nm;由颗粒的TEM和EDX表征结果可以确定,所制添加剂具有典型的核壳结构。由图1(b)可以看出,聚苯胺分子中醌环和苯环的特征峰分别出现于波数1 561 cm-1和1 485 cm-1处,同时波数1 301 cm-1处的特征峰归属于醌环和苯环上C—N键的伸缩振动,波数1 120 cm-1和799 cm-1处的特征峰归属于醌环和苯环上C—H的弯曲振动,这些结果与文献[15-16]所报道的一致,表明二氧化硅颗粒表面形成了由聚苯胺组成的外壳。图1试验结果表明成功制备了球形核壳结构的二氧化硅-聚苯胺添加剂。

2.2 纳米添加剂对润滑脂理化性能的影响

在聚脲基础脂中,分别添加不同质量分数的二氧化硅纳米颗粒或合成二氧化硅-聚苯胺核壳结构纳米颗粒,测定其理化性能参数,结果如表1所示。从表1可以看出,添加不同量的纳米颗粒添加剂后,所有润滑脂的滴点均高于270 ℃,两种添加剂的加入对聚脲润滑脂的滴点均无明显影响,这是因为润滑脂的滴点主要由稠化剂的纤维结构决定,而纳米颗粒添加剂分散于聚脲网状结构中,对滴点影响很小;随着纳米颗粒添加剂含量的增加,润滑脂的锥入度轻微降低,这主要是因为纳米添加剂通常具有相对较大的比表面积,当加入润滑脂中,能够吸附润滑脂中游离的基础油,增加润滑脂的稠度。

在聚脲基础润滑脂中分别添加质量分数3%的二氧化硅或二氧化硅-聚苯胺纳米添加剂,测定制得润滑脂样品的铜片腐蚀性能,结果如图2所示。由图2可以看出,3种润滑脂铜片腐蚀试验后的铜片均出现了一定的腐蚀现象,其中,添加二氧化硅-聚苯胺纳米颗粒的润滑脂抑制铜片腐蚀的性能较好,铜片的腐蚀相对轻微。这可能是因为聚苯胺具有相对较高的腐蚀电位,因而表现出较好的“钝化作用”,当与金属表面接触时,可以将金属的腐蚀电位提高至钝化区域,并在金属表面形成致密的钝化膜,从而降低金属的腐蚀速率[13-14]。

图2 不同润滑脂的铜片腐蚀试验照片

2.3 纳米添加剂对润滑脂摩擦学性能的影响

在聚脲基础脂中,分别添加不同质量分数二氧化硅或二氧化硅-聚苯胺添加剂制得含纳米颗粒添加剂的润滑脂样品,测定润滑脂样品在载荷20 N、滑动速率80 mm/s条件下钢-铝摩擦副间的平均摩擦因数及其铝盘磨痕宽度,结果如图3所示。从图3可以看出,与聚脲基础脂相比,两种纳米颗粒添加剂的加入均可以显著降低润滑脂样品的平均摩擦因数和铝盘磨痕宽度,表明两种添加剂均具有较好的减摩抗磨性能。同时,随着添加剂含量的增加,润滑脂的平均摩擦因数和铝盘磨痕宽度均先减小、后增大;当添加剂质量分数为3%时,润滑脂的平均摩擦因数和铝盘磨痕宽度均达到最小值,其中,相比于二氧化硅颗粒,二氧化硅-聚苯胺颗粒添加剂的减摩抗磨效果更优,将润滑脂平均摩擦因数和铝盘磨痕宽度分别比基础脂降低了26.8%和38.5%,表明固体添加剂的含量对减摩抗磨效果具有重要影响:当含量过低时,添加剂在摩擦过程中无法形成有效的润滑保护膜,导致抗磨减摩效果有限;当含量过高时,固体添加剂在润滑剂中容易发生团聚现象,导致摩擦过程中磨损表面易发生磨粒磨损。由上述分析可知,两种添加剂的最优质量分数均为3%,因此,在以下不同载荷和滑动速率下的摩擦试验中,润滑脂中的纳米颗粒添加剂质量分数均为3%。

图3 添加剂含量对润滑脂摩擦因数和铝盘磨痕宽度的影响■—添加二氧化硅润滑脂; ●—添加二氧化硅-聚苯胺润滑脂

图4为含质量分数3%纳米二氧化硅或二氧化硅-聚苯胺添加剂的润滑脂样品在不同载荷下的平均摩擦因数和铝盘磨痕宽度,试验滑动速率为80 mm/s。从图4可以看出:随着载荷的增大,所有润滑脂样品的平均摩擦因数和铝盘磨痕宽度均呈现增大的趋势,这可能是由于载荷增大导致摩擦副接触区域应力增大,使摩擦区域发生了更为剧烈的摩擦行为;同时,不同载荷下,添加二氧化硅-聚苯胺润滑脂的平均摩擦因数和铝盘磨痕宽度始终低于基础脂和添加二氧化硅的润滑脂,表明添加二氧化硅-聚苯胺的润滑脂在多种载荷下均具备较好的减摩抗磨性能。

图4 载荷对润滑脂摩擦因数和铝盘磨痕宽度的影响■—聚脲基础脂; ●—添加二氧化硅润滑脂; ▲—添加二氧化硅-聚苯胺润滑脂。图5同

图5为钢球不同滑动速率下润滑脂的平均摩擦因数和铝盘的磨痕宽度。其中,添加剂质量分数为3%,载荷为50 N。从图5可知,滑动速率对润滑脂的减摩抗磨性能有一定影响,润滑脂平均摩擦因数和铝盘磨痕宽度随着钢球滑动速率的增大而逐渐增大,这是因为滑动速率增大会造成摩擦副接触区产生更多热量,导致润滑油膜的厚度和承载能力降低。同时,当滑动速率分别为40 mm/s和60 mm/s时,添加二氧化硅-聚苯胺和添加二氧化硅的润滑脂摩擦因数和铝盘磨痕宽度相近;当滑动速率为20 mm/s和80 mm/s时,添加二氧化硅-聚苯胺润滑脂表现出更加优异的减摩抗磨性能,其原因可能是:在20 mm/s滑动速率下,与硬质纳米二氧化硅相比,二氧化硅-聚苯胺颗粒外层相对柔软的聚苯胺层更易适应磨损表面形貌,从而填充到摩擦表面的凹痕中,改善摩擦副的润滑性能;在80 mm/s滑动速率下,摩擦行为相对剧烈,二氧化硅-聚苯胺添加剂表层柔软的聚苯胺层更容易被摩擦撕裂成碎片,从而对摩擦表面的细微磨痕进行“修补”。因此,相比于纳米二氧化硅添加剂,二氧化硅-聚苯胺添加剂可充分利用其核壳结构的性能优势,而表现出更加优异的协同润滑作用。

图5 滑动速率对润滑脂摩擦因数和铝盘磨痕宽度的影响

2.4 摩擦表面分析

图6为3种润滑脂摩擦试验后铝盘摩擦表面的微观形貌,试验载荷为50 N,滑动速率为80 mm/s。图6(a)可以看出,聚脲基础脂润滑下的铝盘摩擦表面非常粗糙,出现了大量的磨痕,表明在摩擦过程中铝盘摩擦表面发生了剧烈的磨损现象。相比于图6(a),可以发现图6(b)和(c)所示的铝盘摩擦表面相对光滑,仅出现了较浅的磨痕和少量的剥落区域,表明二氧化硅和二氧化硅-聚苯胺两种添加剂均有效提高了润滑脂的抗磨效果,这也与前文图3-5所示试验结果相吻合。

图6 3润滑脂润滑下的铝盘摩擦表面微观形貌

为了进一步探索二氧化硅-聚苯胺添加剂的减摩抗磨机理,采用X射线光电子能谱仪对铝盘摩擦表面的典型元素进行分析,结果如图7所示。由图7可知:Al2p的XPS谱在结合能73.6 eV处出现了明显的特征峰,归属于氧化铝;O1s在结合能530.1 eV和530.6 eV处有明显的特征峰,归属于金属氧化物或碳氧化合物;Si2p在结合能101.4 eV处的特征峰位归属于二氧化硅;N1s在结合能400.2 eV处出现了相对较宽的特征峰,归属于氮氧化合物;Si2p和N1s的XPS谱图结果表明在摩擦过程中二氧化硅-聚苯胺添加剂能够在接触应力的作用下在铝盘摩擦表面形成润滑保护膜,从而增强润滑脂的减摩抗磨性能。

图7 铝盘摩擦表面典型元素的XPS图谱

相关试验表明核壳结构二氧化硅-聚苯胺作为聚脲润滑脂添加剂可以表现出优异的减摩抗磨性能,其摩擦学作用机理可以从以下几个方面阐述:①二氧化硅-聚苯胺添加剂在二氧化硅外层包覆相对柔软的聚苯胺层,有利于固体添加剂适应磨损表面形貌,同时在外加载荷的作用下,表层柔软的聚苯胺层也可以被撕裂成碎片,填充到接触表面的沟槽和凹坑,这个过程可以有效“修补”摩擦表面,降低接触表面粗糙度,从而改善摩擦副的摩擦学性能[18-19];②球形固体添加剂在摩擦过程中可以有效发挥“滚动效应”,将摩擦副之间的滑动摩擦转变为滚动摩擦,大幅降低摩擦副间的剪切应力,从而减弱摩擦副的摩擦和磨损[20];③随着添加剂外部较为柔软的聚苯胺壳层逐渐破裂,更多的二氧化硅内核直接参与表面摩擦过程,在摩擦表面局部高温作用下,二氧化硅可能处于熔化、半熔化或烧结状态,同时在压力作用下,这些二氧化硅颗粒可以在摩擦表面形成具有自修复作用的润滑保护膜,从而增强润滑脂的减摩抗磨性能[21-22]。基于以上多种减摩抗磨机制的协同作用,二氧化硅-聚苯胺作为聚脲润滑脂添加剂表现出优异的减摩抗磨性能。