架空導線防護潤滑脂的制備及作用機理

張 鵬 強

(中鐵三局集團電務工程有限公司，山西 晉中 030600)

架空導線承擔著電能傳輸任務,是電網中的關鍵組成部分之一,其安全運行是企業生產、居民生活的保障[1-2]。一般情況下,架空導線裸露于野外環境,運行工況十分復雜,易導致故障頻發。研究表明[3-4],磨損和腐蝕是架空導線出現故障的主要原因。其中導線因風力或其他外力引起振動,線股之間產生微幅滑移和交變應力,從而造成磨損;導線腐蝕主要由環境中腐蝕性介質的侵蝕而形成。磨損和腐蝕會導致架空導線內阻增加、電暈增強,嚴重時還會導致線路斷裂,造成嚴重的安全事故。因此,增強架空導線耐磨損和抗腐蝕性能,是提高架空導線服役性能和可靠性的關鍵[5-6]。

架空導線的磨損和腐蝕都與線股之間的界面接觸狀態密切相關,改善接觸界面處的潤滑狀態和腐蝕抑制性能,可有效增強架空導線耐磨損和抗腐蝕性能,在這方面潤滑脂顯現出巨大潛力,應用潤滑脂可對導線的線股間界面接觸行為進行有效調控。國外對架空潤滑脂的研究開展較早,歐盟和國際電工委員會分別于2002年和2011年發布了架空導線用潤滑脂標準BS EN50326—2002和PD IEC61394—2011[7-8]。我國關于架空導線專用潤滑脂的開發和應用非常有限,一直將封存油脂或鋼絲繩潤滑脂用于架空導線的防護,但其性能遠不能滿足架空導線惡劣工況需求[9]。因此,亟需研制一種兼具減摩抗磨和抗腐蝕性能的架空導線專用潤滑脂,提高架空導線的耐磨損和抗腐蝕性能。

一般而言,潤滑脂稠化劑分子中的金屬離子對潤滑脂基礎油有催化氧化作用。聚脲型潤滑脂稠化劑中不含金屬離子,因而避免了稠化劑對基礎油氧化反應的催化作用。同時,聚脲潤滑脂具有較高的滴點,較好的熱穩定性、抗氧化性和抗水性等優點,適合用作架空導線防護潤滑基礎脂[10-11]。潤滑脂添加劑可以進一步增強潤滑脂的性能。納米二氧化硅顆粒作為潤滑脂添加劑已得到廣泛的應用,其分散在潤滑脂中可以在摩擦表面形成性能優異的潤滑保護膜,起到減摩抗磨作用[12-13];而聚苯胺是一種高分子聚合物,具有較好的抗腐蝕作用,同時也可以起到減摩抗磨作用[14-15]。近年來,核殼結構納米顆粒作為潤滑添加劑引起了科研工作者的極大興趣。核殼結構納米顆粒的內核與外殼通過物理和化學作用結合在一起,同時具有核材料和殼材料的優勢,因而表現出更好的性能[16-17]。

鑒于此,為了獲得性能優異的架空導線防護潤滑脂,本研究以聚脲潤滑脂為基礎脂,同時制備核殼結構的二氧化硅-聚苯胺納米顆粒用作潤滑脂添加劑,詳細考察二氧化硅-聚苯胺納米顆粒對潤滑脂理化性能、抗腐蝕性能及摩擦學性能的影響,并與二氧化硅納米顆粒性能進行對比,深入分析核殼結構納米顆粒的作用機理。

1 實 驗

1.1 原 料

二氧化硅(粒徑60 nm)、苯胺、過硫酸銨、鹽酸溶液(濃度1 mol/L)、聚α-烯烴(PAO40)、二苯基甲烷二異氰酸酯、己二胺、十八胺、丙酮,均購自國藥集團化學試劑有限公司。

1.2 核殼結構二氧化硅-聚苯胺的制備及表征

采用原位聚合法制備核殼結構的二氧化硅-聚苯胺添加劑,具體步驟如下:首先,將10 g二氧化硅和1.6 g苯胺同時超聲分散于500 mL鹽酸溶液中,將3.92 g的過硫酸銨溶于200 mL的蒸餾水中;然后,將含有過硫酸銨的蒸餾水緩慢加入至含有二氧化硅和苯胺的鹽酸溶液中,并在室溫下反應24 h;最后,將所得溶液過濾,用丙酮洗滌數次,再將過濾物在60 ℃下干燥12 h,即可得到核殼結構二氧化硅-聚苯胺添加劑。利用掃描電子顯微鏡(SEM,SU8010型,日本HITACHI公司產品)和透射電鏡(TEM,HT7800型,日本HITACHI公司產品)觀察二氧化硅-聚苯胺的微觀形貌,利用X射線能譜儀(EDX,QUANTAX型,德國Bruker公司產品)表征添加劑典型元素分布情況,利用傅里葉變換紅外光譜儀(FT-IR,Nicolet iS5型,美國Thermo Fisher Scientific公司產品)表征添加劑的化學結構。

1.3 潤滑脂的制備

首先,稱取一定量的十八胺和己二胺加入到PAO40基礎油中,加熱至80 ℃;再加入一定量的二苯基甲烷二異氰酸酯和PAO40基礎油,保持溫度為80 ℃反應60 min;然后,緩慢加入少量蒸餾水,繼續反應30 min;之后,將反應溫度提高至150 ℃,保持30 min后自然冷卻至室溫,加入二氧化硅或所制備的核殼結構二氧化硅-聚苯胺顆粒,其質量分數分別為1.0%,2.0%,3.0%,4.0%,5.0%,經研磨得到潤滑脂。

1.4 潤滑脂性能測試

利用德國Bruker公司生產的UMT-3型往復摩擦磨損試驗機評價潤滑脂的摩擦學性能,摩擦副為球-盤形式。針對架空導線鋼芯線與鋁線接觸界面處磨損最嚴重的現象,摩擦副選擇鋼-鋁材質:上試件鋼球為GGr15材質,直徑為10 mm、硬度為610 HV;下試件底盤為2024材質鋁塊,尺寸為30 mm×30 mm×5 mm,硬度為160 HV。每次試驗前在摩擦副間涂加約0.5 g潤滑脂,試驗溫度為室溫,試驗時間為30 min,試驗載荷為20,30,40,50 N,鋼球往復滑動相對速率為20,40,60,80 mm/s。試驗結束后,用帶有刻度標尺的光學顯微鏡(CX43型,日本Olympus公司產品)測量鋁盤磨痕寬度,用SEM觀察鋁塊上磨痕的微觀形貌,試驗過程中加速電壓為12 kV,電流束為7.5 nm;用X射線光電子能譜儀(PHI-5702型,美國American Institute of Physics Electronic Company產品)分析摩擦表面的化學成分,以Mg Kα射線為激發源,C1s結合能284.6 eV為內標。

分別依據國家標準GB/T 3498和GB/T 269測試潤滑脂的滴點和錐入度;利用銅片腐蝕試驗考察潤滑脂的腐蝕性能,試驗溫度為100 ℃,試驗時間168 h。

2 結果與分析

2.1 掃描電鏡與紅外光譜分析

利用SEM和TEM觀察二氧化硅-聚苯胺的微觀形貌,利用EDX表征二氧化硅-聚苯胺顆粒典型元素(N和Si)的面分布情況,利用傅里葉變換紅外光譜表征添加劑的化學結構,結果如圖1所示。由圖1(a)顆粒的SEM照片可知,所制固體添加劑顆粒近似于球形,粒徑為80～100 nm;由顆粒的TEM和EDX表征結果可以確定,所制添加劑具有典型的核殼結構。由圖1(b)可以看出,聚苯胺分子中醌環和苯環的特征峰分別出現于波數1 561 cm-1和1 485 cm-1處,同時波數1 301 cm-1處的特征峰歸屬于醌環和苯環上C—N鍵的伸縮振動,波數1 120 cm-1和799 cm-1處的特征峰歸屬于醌環和苯環上C—H的彎曲振動,這些結果與文獻[15-16]所報道的一致,表明二氧化硅顆粒表面形成了由聚苯胺組成的外殼。圖1試驗結果表明成功制備了球形核殼結構的二氧化硅-聚苯胺添加劑。

2.2 納米添加劑對潤滑脂理化性能的影響

在聚脲基礎脂中,分別添加不同質量分數的二氧化硅納米顆粒或合成二氧化硅-聚苯胺核殼結構納米顆粒,測定其理化性能參數,結果如表1所示。從表1可以看出,添加不同量的納米顆粒添加劑后,所有潤滑脂的滴點均高于270 ℃,兩種添加劑的加入對聚脲潤滑脂的滴點均無明顯影響,這是因為潤滑脂的滴點主要由稠化劑的纖維結構決定,而納米顆粒添加劑分散于聚脲網狀結構中,對滴點影響很小;隨著納米顆粒添加劑含量的增加,潤滑脂的錐入度輕微降低,這主要是因為納米添加劑通常具有相對較大的比表面積,當加入潤滑脂中,能夠吸附潤滑脂中游離的基礎油,增加潤滑脂的稠度。

在聚脲基礎潤滑脂中分別添加質量分數3%的二氧化硅或二氧化硅-聚苯胺納米添加劑,測定制得潤滑脂樣品的銅片腐蝕性能,結果如圖2所示。由圖2可以看出,3種潤滑脂銅片腐蝕試驗后的銅片均出現了一定的腐蝕現象,其中,添加二氧化硅-聚苯胺納米顆粒的潤滑脂抑制銅片腐蝕的性能較好,銅片的腐蝕相對輕微。這可能是因為聚苯胺具有相對較高的腐蝕電位,因而表現出較好的“鈍化作用”,當與金屬表面接觸時,可以將金屬的腐蝕電位提高至鈍化區域,并在金屬表面形成致密的鈍化膜,從而降低金屬的腐蝕速率[13-14]。

圖2 不同潤滑脂的銅片腐蝕試驗照片

2.3 納米添加劑對潤滑脂摩擦學性能的影響

在聚脲基礎脂中,分別添加不同質量分數二氧化硅或二氧化硅-聚苯胺添加劑制得含納米顆粒添加劑的潤滑脂樣品,測定潤滑脂樣品在載荷20 N、滑動速率80 mm/s條件下鋼-鋁摩擦副間的平均摩擦因數及其鋁盤磨痕寬度,結果如圖3所示。從圖3可以看出,與聚脲基礎脂相比,兩種納米顆粒添加劑的加入均可以顯著降低潤滑脂樣品的平均摩擦因數和鋁盤磨痕寬度,表明兩種添加劑均具有較好的減摩抗磨性能。同時,隨著添加劑含量的增加,潤滑脂的平均摩擦因數和鋁盤磨痕寬度均先減小、后增大;當添加劑質量分數為3%時,潤滑脂的平均摩擦因數和鋁盤磨痕寬度均達到最小值,其中,相比于二氧化硅顆粒,二氧化硅-聚苯胺顆粒添加劑的減摩抗磨效果更優,將潤滑脂平均摩擦因數和鋁盤磨痕寬度分別比基礎脂降低了26.8%和38.5%,表明固體添加劑的含量對減摩抗磨效果具有重要影響:當含量過低時,添加劑在摩擦過程中無法形成有效的潤滑保護膜,導致抗磨減摩效果有限;當含量過高時,固體添加劑在潤滑劑中容易發生團聚現象,導致摩擦過程中磨損表面易發生磨粒磨損。由上述分析可知,兩種添加劑的最優質量分數均為3%,因此,在以下不同載荷和滑動速率下的摩擦試驗中,潤滑脂中的納米顆粒添加劑質量分數均為3%。

圖3 添加劑含量對潤滑脂摩擦因數和鋁盤磨痕寬度的影響■—添加二氧化硅潤滑脂; ●—添加二氧化硅-聚苯胺潤滑脂

圖4為含質量分數3%納米二氧化硅或二氧化硅-聚苯胺添加劑的潤滑脂樣品在不同載荷下的平均摩擦因數和鋁盤磨痕寬度,試驗滑動速率為80 mm/s。從圖4可以看出:隨著載荷的增大,所有潤滑脂樣品的平均摩擦因數和鋁盤磨痕寬度均呈現增大的趨勢,這可能是由于載荷增大導致摩擦副接觸區域應力增大,使摩擦區域發生了更為劇烈的摩擦行為;同時,不同載荷下,添加二氧化硅-聚苯胺潤滑脂的平均摩擦因數和鋁盤磨痕寬度始終低于基礎脂和添加二氧化硅的潤滑脂,表明添加二氧化硅-聚苯胺的潤滑脂在多種載荷下均具備較好的減摩抗磨性能。

圖4 載荷對潤滑脂摩擦因數和鋁盤磨痕寬度的影響■—聚脲基礎脂; ●—添加二氧化硅潤滑脂; ▲—添加二氧化硅-聚苯胺潤滑脂。圖5同

圖5為鋼球不同滑動速率下潤滑脂的平均摩擦因數和鋁盤的磨痕寬度。其中,添加劑質量分數為3%,載荷為50 N。從圖5可知,滑動速率對潤滑脂的減摩抗磨性能有一定影響,潤滑脂平均摩擦因數和鋁盤磨痕寬度隨著鋼球滑動速率的增大而逐漸增大,這是因為滑動速率增大會造成摩擦副接觸區產生更多熱量,導致潤滑油膜的厚度和承載能力降低。同時,當滑動速率分別為40 mm/s和60 mm/s時,添加二氧化硅-聚苯胺和添加二氧化硅的潤滑脂摩擦因數和鋁盤磨痕寬度相近;當滑動速率為20 mm/s和80 mm/s時,添加二氧化硅-聚苯胺潤滑脂表現出更加優異的減摩抗磨性能,其原因可能是:在20 mm/s滑動速率下,與硬質納米二氧化硅相比,二氧化硅-聚苯胺顆粒外層相對柔軟的聚苯胺層更易適應磨損表面形貌,從而填充到摩擦表面的凹痕中,改善摩擦副的潤滑性能;在80 mm/s滑動速率下,摩擦行為相對劇烈,二氧化硅-聚苯胺添加劑表層柔軟的聚苯胺層更容易被摩擦撕裂成碎片,從而對摩擦表面的細微磨痕進行“修補”。因此,相比于納米二氧化硅添加劑,二氧化硅-聚苯胺添加劑可充分利用其核殼結構的性能優勢,而表現出更加優異的協同潤滑作用。

圖5 滑動速率對潤滑脂摩擦因數和鋁盤磨痕寬度的影響

2.4 摩擦表面分析

圖6為3種潤滑脂摩擦試驗后鋁盤摩擦表面的微觀形貌,試驗載荷為50 N,滑動速率為80 mm/s。圖6(a)可以看出,聚脲基礎脂潤滑下的鋁盤摩擦表面非常粗糙,出現了大量的磨痕,表明在摩擦過程中鋁盤摩擦表面發生了劇烈的磨損現象。相比于圖6(a),可以發現圖6(b)和(c)所示的鋁盤摩擦表面相對光滑,僅出現了較淺的磨痕和少量的剝落區域,表明二氧化硅和二氧化硅-聚苯胺兩種添加劑均有效提高了潤滑脂的抗磨效果,這也與前文圖3-5所示試驗結果相吻合。

圖6 3潤滑脂潤滑下的鋁盤摩擦表面微觀形貌

為了進一步探索二氧化硅-聚苯胺添加劑的減摩抗磨機理,采用X射線光電子能譜儀對鋁盤摩擦表面的典型元素進行分析,結果如圖7所示。由圖7可知:Al2p的XPS譜在結合能73.6 eV處出現了明顯的特征峰,歸屬于氧化鋁;O1s在結合能530.1 eV和530.6 eV處有明顯的特征峰,歸屬于金屬氧化物或碳氧化合物;Si2p在結合能101.4 eV處的特征峰位歸屬于二氧化硅;N1s在結合能400.2 eV處出現了相對較寬的特征峰,歸屬于氮氧化合物;Si2p和N1s的XPS譜圖結果表明在摩擦過程中二氧化硅-聚苯胺添加劑能夠在接觸應力的作用下在鋁盤摩擦表面形成潤滑保護膜,從而增強潤滑脂的減摩抗磨性能。

圖7 鋁盤摩擦表面典型元素的XPS圖譜

相關試驗表明核殼結構二氧化硅-聚苯胺作為聚脲潤滑脂添加劑可以表現出優異的減摩抗磨性能,其摩擦學作用機理可以從以下幾個方面闡述:①二氧化硅-聚苯胺添加劑在二氧化硅外層包覆相對柔軟的聚苯胺層,有利于固體添加劑適應磨損表面形貌,同時在外加載荷的作用下,表層柔軟的聚苯胺層也可以被撕裂成碎片,填充到接觸表面的溝槽和凹坑,這個過程可以有效“修補”摩擦表面,降低接觸表面粗糙度,從而改善摩擦副的摩擦學性能[18-19];②球形固體添加劑在摩擦過程中可以有效發揮“滾動效應”,將摩擦副之間的滑動摩擦轉變為滾動摩擦,大幅降低摩擦副間的剪切應力,從而減弱摩擦副的摩擦和磨損[20];③隨著添加劑外部較為柔軟的聚苯胺殼層逐漸破裂,更多的二氧化硅內核直接參與表面摩擦過程,在摩擦表面局部高溫作用下,二氧化硅可能處于熔化、半熔化或燒結狀態,同時在壓力作用下,這些二氧化硅顆粒可以在摩擦表面形成具有自修復作用的潤滑保護膜,從而增強潤滑脂的減摩抗磨性能[21-22]。基于以上多種減摩抗磨機制的協同作用,二氧化硅-聚苯胺作為聚脲潤滑脂添加劑表現出優異的減摩抗磨性能。

2.5 自制架空導線潤滑脂與市場同類潤滑脂的比較

對比自制架空導線的防護潤滑脂和兩種市售同類潤滑脂的理化性能、防腐性能和摩擦學性能,結果如表2所示。由表2可以看出:3種潤滑脂都具有較高的滴點(>250 ℃)、相似的錐入度和較好的抗腐蝕性能;自制的架空導線防護潤滑脂具有相對較低的平均摩擦因數和磨痕寬度,說明其具有更好的減摩、抗磨性能。

表2 自制架空導線防護潤滑脂與市售同類產品的性能比較

綜上可知,添加二氧化硅-聚苯胺納米顆粒添加劑的潤滑脂具有優異的抗腐蝕性能和摩擦學性能,可以用作架空導線防護潤滑脂,增強架空導線的抗腐蝕和耐磨損性能,延長架空導線的使用壽命。

3 結 論

(1)基于原位聚合法,制備了核殼結構二氧化硅-聚苯胺添加劑,該添加劑為球形,粒徑為80～100 nm。

(2)銅片腐蝕試驗表明二氧化硅-聚苯胺作為聚脲潤滑脂添加劑,可以有效提高抗腐蝕性能;摩擦學試驗表明二氧化硅-聚苯胺潤滑脂在不同載荷和滑動速率下均表現出優異的減摩抗磨性能,其中,當二氧化硅-聚苯胺質量分數為3%時,潤滑脂的減摩抗磨效果最優。

(3)摩擦表面分析表明二氧化硅-聚苯胺添加劑優異的摩擦學性能主要決定于“修補效應”、“滾動效應”、表面潤滑保護膜等多種減摩抗磨機制的協同作用。

(4)鑒于較好的抗腐蝕效果和優異的減摩抗磨性能,二氧化硅-聚苯胺潤滑脂可以作為架空導線防護潤滑脂,增強架空導線的抗腐蝕和耐磨損性能。