化學結構及組成對合成酯摩擦特性的影響研究

朱碧寧

摘要：本文以季戊四醇為例，研究了三種不同化學結構組成的合成脂的摩擦特性。所利用的原理是由于光對彈流實驗的干涉，導致合成脂烴鏈長度增長，加大季戊四醇酯的油膜厚度。在摩擦實驗中表明，不同的載物和不同的溫度情況下，合成脂的分子鏈增長會導致摩擦指數降低。同樣，跟隨實驗載物以及實驗溫度和頻率的增長，分成脂的磨損體積大大增加，其抗摩擦性能會變低。本文還會使用設備對研制出的最新合成脂類型的摩擦改進劑進行研究，并與舊型摩擦改進劑的功能進行了一個比較。

關鍵詞：季戊四醇酯;摩擦特性;摩擦改進劑

從人類的發展歷史來看，磚木取火的出現帶領人類文明向前邁了一大步，車輪利用摩擦力的原理解放了人類的雙腳，帶來的新的代步方式。現今，摩擦學在各大領域得到了越來越多的重視并被廣泛應用，從航天工程到交通出行，再到海洋探險，世界上的所有的工程幾乎都離不開摩擦學的原理。人們很早便對摩擦學有了一個認識，但對于摩擦學的定義是在15世紀中期意大利的文藝復興階段才出現，由意大利的一位學者對其進行深入的研究。隨著研究的不斷深入，在摩擦學的基礎上又涌現出更多的發展機遇，例如納米摩擦學和智能潤滑等等。

摩擦學作文一門以研究摩擦、磨損、潤滑為主的科學在機械和電子等領域占據重要地位。一項研究表明，全世界一年大約有1/2～1/4的能源因摩擦而被消耗掉，在這其中大約65%的設備零件因摩擦受損而被損壞，45%的機器故障由摩擦受損而引起。因此，使用摩擦改進劑作為機器兩接觸表面的潤滑，大大減低摩擦，可以大大減少破損，并解決目前全球面臨的能源危機。

三種不同化學結構組成的季戊四醇酯的摩擦特性研究

季戊四醇作為一種比較重要的合成脂，在航空、汽車的潤滑油以及抗燃液壓油等方面已被廣泛引用[1]。這種合成脂的脂基數量較多并且β位的碳不含氫原子，因此具有蒸發成本低、安定性能好的特點，并且也方便用來做實驗。

（一）實驗材料的準備階段

本實驗選擇三種分子鏈長度不同即不同的化學結構構成的季戊四醇酯作為實驗對象，分別為：季戊四醇五戊酸脂、季戊四醇五庚酸脂、季戊四醇五壬酸脂。三個實驗對象的分子結構大致相似，從季戊四醇五戊酸脂、季戊四醇五庚酸脂到季戊四醇五壬酸脂三種合成脂的分子鏈長度在增加。同時根據相關的研究表明，在季戊四醇的分子結構中，烴鏈的長度決定了其粘度，長度增加，粘度也在提高。

（二）合成脂的摩擦性能分析

對合成脂的摩擦性能進行，即研究在實驗過程中，實驗載物、實驗溫度以及頻率對合成脂摩擦性能的影響。

1.實驗載物的影響

從實驗中可以看出，因不同的實驗載物，所以三種合成脂的抗摩擦性能并不相同。從季戊四醇五戊酸脂、季戊四醇五庚酸脂到季戊四醇五壬酸脂三種合成脂的摩擦系數在減小，同樣的磨損掉的體積也在減小，這是因為合成脂分子鏈的長度在增加，加強了與金屬表面之間的吸附，相應的吸附膜所能承受的力度增加，從而降低因摩擦所產生的磨損。即表明合成脂的分子鏈長度越長，其摩擦性能越好。另外在實驗中還可以發現，因實驗載物的增加破壞了季戊四醇表面的吸附膜的完好，從而增加了合成脂的磨損體積，抗摩擦性能大大降低。

2.實驗溫度的影響

從實驗數據中可以看出，三種不同分子鏈長度的季戊四醇在隨著溫度的增加中，其因磨損而減少的體積不斷地在增加，說明溫度的增加會損壞合成脂表面吸附膜的完好性，降低其抗摩擦性能。同時，在實驗中還發現不同的溫度下，合成脂的摩擦受損體積均在減小，這表明合成脂中分子鏈長的會更加快速的形成表面的吸附膜，較之前更厚強度更強，從而可以改善其摩擦性能。

3.頻率的影響

實驗數據表明，三種合成脂的摩擦系數在實驗頻率的增加中都會有一定的幅度的提高，但在一個較高的頻率時，三種季戊四醇的摩擦系數有大致在一個水平線上。這代表合成脂與金屬表面產生的吸附膜會因為實驗頻率而不太穩定，頻率的增加導致金屬表面吸附膜損壞，從而增加摩擦受損體積。在相同的實驗頻率下，從季戊四醇五戊酸脂、季戊四醇五庚酸脂到季戊四醇五壬酸脂三種合成脂的分子鏈長度在增加，相應的受磨損體積也在減小，說明在一定范圍的實驗頻率內，分子鏈長的更易提高季戊四醇的抗摩擦性指數。

3.實驗小結

這個實驗對三種不同化學分子結構的季戊四醇進行考察，三種季戊四醇最明顯的差別是三種合成脂的分子鏈長度各不相同，利用這一點進行探究其摩擦特性的影響。對上述三個不同的實驗條件進行了一個總結，可以得出：不論在什么實驗條件下，合成脂的分子鏈的長度越長，更可以提高合成脂的摩擦性能，但是會適當的降低其在低溫下的流動性能;合成脂的摩擦性能還和結構中烴鏈的長度有關，其烴鏈在分子結構中的長度越長，越有利于形成相對更厚強度更大的金屬之間的吸附膜，從而會減少磨損體積，增加其摩擦性能。這個實驗同樣還得出一個原理，合成脂與金屬接觸面形成的吸附膜并不是特別的穩定，會因實驗條件而發生改變。本實驗中可以看出，隨實驗載物和試驗溫度的增加，都會相應的破壞合成脂的摩擦性能，降低合成脂的抗摩擦性能。

新研制摩擦改進劑的摩擦性能研究

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費，所以專家研究出一種摩擦改進劑。例如潤滑油就像一種摩擦改進劑，在機器正常運轉的基礎上加長其使用壽命，并大幅度的減少因摩擦而引起的機器故障。摩擦改進劑作為改善燃油的重要方法，已被廣泛應用，并成為“綠色GDP”的研究焦點[2]。摩擦改進劑是通過對金屬表面較強的吸附能力，從而達到降低磨損體積，增加摩擦性能以及節能減排的作用，提高了能源的利用率。摩擦改進劑的使用不僅可以促進建設綠色環保的環境，還可以增加經濟收益。

（一）新研制摩擦改進劑在基礎油中的摩擦性能研究

在這次的研究中我們主要是對一種新研發的摩擦改進劑——SE進行摩擦性能的研究[3]。利用很有名的四球實驗對新研發出的摩擦改進劑與傳統的摩擦改進劑——GMO進行對比。在實驗中鋼球采用GCr 15的標準鋼球，因這種鋼球的硬度和直徑更便于觀察和記錄;并以一種合成脂油作為基礎油。在實驗開始之前，需對鋼球表面的油脂進行一下清理，可以利用石油醚對鋼球表面進行超聲波清理兩遍即可。

從實驗結果數據可以看出，在基礎油中不論是添加哪一種摩擦改進劑都可以減少基礎油在使用過程的磨損消耗，降低其摩擦系數，代表了這兩種摩擦改進劑在一定的濃度范圍內均可以起到一個很好的減少摩擦的作用。在實驗數據中還可以看出，在相同的濃度范圍內，在添加SE的基礎油中其摩擦系數要低于添加GMO的基礎油，這就說明目前新研發出的摩擦改進劑其性能要遠遠大于舊型摩擦改進劑。

（二）新研制摩擦改進劑在發動機油中的摩擦性能研究

新研制的摩擦改進劑在基礎油中的摩擦性能比舊型摩擦改進劑更好，現在將兩種摩擦改進劑添加在日常使用的發動機油中，來進行對比與檢驗。同樣選用GCr 15的標準鋼球，并對其進行清洗，減少外在因素的影響[4]。

從得到的實驗結果可以看出，兩種摩擦改進劑加入到發動機油中都可以提高其抗摩擦性能，同樣SE的抗摩擦性能依然是優于GMO.這個實驗表明新研制的摩擦改進劑可以完全的投入到發動機油的使用中，并且比舊型摩擦改進劑會帶來更高的經濟效益。

結語

本文考察了不同化學組成結構的合成脂與其摩擦性能的影響，并探討了不同的實驗條件下合成脂的摩擦性。結果顯而易見，合成脂的摩擦性能與它的分子鏈長度和烴鏈的長度有很大的關系，其中分子鏈越長的合成脂在摩擦過程中其磨損消耗會越小，即摩擦性能越好。文中還對新研制的摩擦改進劑進行探究并與舊型摩擦改進劑作了一個對比，其中發現摩擦改進劑可以大量的減少因摩擦而產生的損耗，并且不論是基礎油還是發動機油新型的改進劑的效果好于傳統摩擦改進劑。

在未來，可以對以下三個方面的問題進行研究：（1）對加入粘指劑的潤滑劑進行理論探索，討論粘指劑與潤滑劑成膜之間的聯系與影響，并對加入粘指劑后產生的潤滑劑膜厚度不變的現象進行徹底的分析與研究。（2）對于不同的化學分子結構的潤滑劑與其性能的影響，對其抗摩擦受損性能是否有影響，并對潤滑劑潤滑原理進行深入的探討與研究。（3）摩擦改進劑在改善金屬表面的吸附膜時是否受外界溫度、實驗載物以及實驗頻率所影響。

參考文獻：

[1]白敏麗，劉美，王宇，等.薄膜潤滑的結構和摩擦特性的分子動力學模擬[J].潤滑與密封，2017，42（4）：12-16.

[2]趙二輝，馬彪，李和言，等.轉速對濕式離合器局部潤滑及摩擦特性影響研究[J].兵工學報，2017，38（4）：625-633.

[3]李直，陳劍，沈錦龍，等.基于雙盤試驗的齒面時變摩擦特性研究[J].機械工程學報，2018，54（3）：73-81.

[4]覃文源，楊國峰，鄭洪波，等.水潤滑橡膠軸承摩擦特性的實驗研究[J].振動與沖擊，2017，36（17）：42-47.