CN111778083B - 一种液晶润滑剂及包括该液晶润滑剂的超低摩擦系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种液晶润滑剂及包括该液晶润滑剂的超低摩擦系统，所述液晶润滑剂用于轴承钢和6FDA‑ODA型聚酰亚胺材料配副的运动系统中，能有效降低摩擦副间的摩擦，实现摩擦系数至0.001量级，发生超低摩擦现象。

Description

一种液晶润滑剂及包括该液晶润滑剂的超低摩擦系统
技术领域
本发明涉及润滑材料技术领域，具体是一种液晶润滑剂及包括该液晶润滑剂的超低摩擦系统。
背景技术
随着科学技术的发展，能源消耗的大幅增长与资源匮乏之间的矛盾日趋严重，因此，提高能源利用效率就显得非常重要。摩擦是消耗能源的重要途径之一，而超低摩擦技术的出现能够大大提高运动系统的能源利用效率。
采用先进润滑技术，是提高生产效率，降低能耗的最有效的方式之一，是实现低碳经济和社会可持续发展的重要环节。其中，新型润滑剂的设计和开发，一直都是学术界和工业界关注的热点问题。液晶被认为是一种可能的新型特种润滑剂。众所周知，物质存在随温度变化的固、液、气三态。而某些有机材料在一定的温度范围内(热致液晶)或浓度范围内(溶致液晶)会呈现出介于固态和液态之间的中间相，即液晶态。在这种状态下分子的物理性质表现为液体的流动性和晶体的各向异性。液晶将晶体的有序性及液体的流动性在分子水平上统一起来，从而使体系能采取最低能量的构型来响应外界(如：磁场、电场、化学及机械力等)的刺激，因此液晶在许多领域都有着重要的应用，尤其是作为电子显示屏材料，是目前其最广泛的应用。近年来，它们也成为摩擦学研究的热点之一。
润滑剂的摩擦学性能取决于其结构。固体润滑剂通常采用具有层状结构的化合物，晶格中原子的层状排列形成了天然的滑移面，以达到良好的润滑效果。而液晶化合物具有按某种位置顺序进行分子定向排列的结构特征，可以起到同样的作用。同时由于液晶化合物中存在极性基团，使得它们能更好地吸附在摩擦副表面，因此定向排列作用可能更强。这种效应使得滑移面更容易形成，同时滑移面也可以起到保护的作用。自20世纪80年代以来，各国一直在开展着对液晶化合物的摩擦学行为的研究。研究表明，液晶在用作润滑剂或润滑添加剂时，由于其有序状态，表现出不同寻常的润滑性能。与传统润滑剂相比，液晶具有较低的摩擦系数和较高的承载能力。
聚酰亚胺材料的分子主链上有稳定的酰亚胺芳杂环结构，是一种新型的耐高温有机聚合物，具有优良的尺寸和氧化稳定性、耐辐照性能，绝缘性能、耐化学腐蚀、耐磨损、强度高等特点，被广泛应用于航空航天、汽车、微电子等领域。然而直接用作自润滑耐磨材料依然存在摩擦过大，摩擦系数偏高的问题。
发明内容
针对上述现有技术的不足，本发明提供一种液晶润滑剂及包括该液晶润滑剂的超低摩擦系统，所述超低摩擦系统以液晶材料作为润滑剂用于轴承钢和6FDA-ODA型聚酰亚胺材料配副的运动系统中，能有效降低摩擦副间的摩擦，实现摩擦系数至0.001量级，发生超低摩擦现象。
本发明提供的技术方案：一种液晶润滑剂，所述液晶润滑剂选自下式所示的联苯类化合物：
Figure BDA0002549297590000031
其中，R1，R2，R3基团均选自烷基，烯基，炔基，烷氧基，H，F，Cl，CF3，OCF3中的任意一种或几种组合。
进一步的，所述R1，R2，R3基团选自的烷基，烯基，炔基，烷氧基包括直链或支链的烷基，烯基，炔基，烷氧基。
所述液晶润滑剂作为轴承钢和聚酰亚胺材料配副下的润滑剂的用途。
进一步的，所述液晶润滑剂单独或者作为混晶的成分的润滑剂使用。
一种混晶润滑剂，所述混晶润滑剂中联苯类化合物占混晶重量百分比为20％-50％。
一种超低摩擦系统，所述超低摩擦系统是以如下式所示的联苯类化合物作为润滑剂，轴承钢和6FDA-ODA型聚酰亚胺材料配副的运动系统，
Figure BDA0002549297590000032
一种超低摩擦系统，所述超低摩擦系统是以如下式所示的联苯类化合物作为润滑剂，轴承钢和6FDA-ODA型聚酰亚胺材料配副的运动系统，
Figure BDA0002549297590000041
所述n-C3H7表示正丙基，所述n-C5H11表示正戊基，所述6FDA-ODA型聚酰亚胺是由4,4’－二氨基二苯醚(ODA)为二胺单体，4,4′-六氟亚异丙基-邻苯二甲酸酐(6FDA)为二酐的单体制备出的聚酰亚胺。
一种超低摩擦系统，所述超低摩擦系统是以混晶润滑剂作为润滑剂，轴承钢和6FDA-ODA型聚酰亚胺材料配副的运动系统，
所述混晶润滑剂由以下按照重量百分比计的组分组成：
组分1的结构式
Figure BDA0002549297590000042
组分2的结构式
Figure BDA0002549297590000043
组分3的结构式
Figure BDA0002549297590000044
组分4的结构式
Figure BDA0002549297590000045
组分5的结构式
Figure BDA0002549297590000046
组分6的结构式
Figure BDA0002549297590000047
组分7的结构式
Figure BDA0002549297590000048
其中：R和R’基团选自C1-C5的烷基，组分1-7的重量百分比之和为100％。
进一步的，所述轴承钢为GCr15轴承钢。
本发明将提供的一系列的GCr15轴承钢和聚酰亚胺配副下液晶作为润滑剂的超低摩擦系统，该系统以联苯类液晶材料或联苯类液晶作为其中成分的混晶材料作为润滑剂，GCr15轴钢和6FDA-ODA型聚酰亚胺材料配副的超低摩擦系统，能有效降低摩擦副间的摩擦，摩擦系数低至0.001量级，实现整个系统的超低摩擦。
附图说明
图1是本发明的液晶润滑剂的化学结构式；
图2是本发明使用的6FDA-ODA型聚酰亚胺材料的分子结构式；
图3是本发明使用的3CGPC3液晶材料分子结构式；
图4是本发明使用的5CB液晶材料分子结构式；
图5是本发明的3CGPC3液晶润滑液在GCr15钢/6FDA-ODA配副下摩擦系数随时间变化图；
图6是本发明的5CB液晶润滑液在GCr15钢/6FDA-ODA配副下摩擦系数随时间变化图。
图7是本发明的M28800混晶润滑液在GCr15钢/6FDA-ODA配副下摩擦系数随时间变化图。
图8是本发明的3CGPC3液晶润滑液和5CB液晶润滑液分别在GCr15钢/GCr15钢配副下摩擦系数随时间变化图。
具体实施方式
下面将结合具体实施例和附图对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述。
以下实施例中均利用UTM-3型微摩擦试验机(德国布鲁克公司)进行微摩擦试验。试验时，使用NSK公司生产的51103型止推球轴承的一个钢球(直径为4.45mm)作为静试件，6FDA-ODA型聚酰亚胺材料贴附在于固定盘上作为旋转运动的盘试件，以50rpm的转速旋转，环形摩擦路径的半径为8.5mm。试验载荷通过球试件的中心线垂直施加，以点-面接触模式进行试验。试验历时为1h，载荷条件为5N，在钢球和6FDA-ODA型聚酰亚胺材料之间滴加0.1-0.2ml的联苯类液晶，试验在室温下进行。其中，3CGPC3液晶和5CB液晶为单晶，M28800液晶为混晶。试验过程中，摩擦系数(coefficient of friction，COF)由电脑自动记录，然后软件计算得到平均摩擦系数。
实施例1
以如图3所示的3CGPC3液晶润滑剂，作为GCr15钢/6FDA-ODA配副下的超低摩擦系统的润滑剂，其摩擦系数随时间变化图如图5所示。
实施例2
以如图4所示的5CB液晶润滑剂，作为GCr15钢/6FDA-ODA配副下的超低摩擦系统的润滑剂，其摩擦系数随时间变化图如图6所示。
实施例3
以表1中所示的M28800混晶材料分子作为GCr15钢/6FDA-ODA配副下的超低摩擦系统的润滑剂，其摩擦系数随时间变化图如图7所示。
表1 M28800混晶材料分子组成及比例
Figure BDA0002549297590000071
在3CGPC3液晶和5CB液晶作为润滑剂时，GCr15钢/GCr15钢配副时，利用UTM-3型微摩擦试验机(德国布鲁克公司)进行微摩擦试验。以点-面接触模式进行试验。摩擦副均使用NSK公司生产的推力球轴承(51103)中的钢珠及配套钢环。实验参数：转速50rpm，旋转半径11.5mm，载荷5N，时间1h，温度为室温，其摩擦系数随时间变化图如图8所示。
实验结果表明：液晶润滑下，GCr15轴承钢/GCr15轴承钢配副时，摩擦系数未达到0.001数量级，未实现超低摩擦；采用其他润滑剂与GCr15轴钢和6FDA-ODA型聚酰亚胺材料配副时，也均未实现0.001数量级的超低摩擦，而以本发明提供的联苯类单晶或混晶材料作为润滑剂，GCr15轴钢和6FDA-ODA型聚酰亚胺材料配副时，能有效降低摩擦副间的摩擦，摩擦系数都低至0.001量级，实现整个系统的超低摩擦。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何属于本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (6)

1.一种超低摩擦系统，其特征在于：所述超低摩擦系统是以如下式所示的联苯类化合物作为润滑剂，轴承钢和聚酰亚胺材料配副的运动系统，
Figure FDA0003536870610000011
其中，R1，R2，R3基团均选自烷基，烯基，炔基，烷氧基，H，F，Cl，CF3，OCF3中的任意一种或几种组合。
2.根据权利要求1所述的超低摩擦系统，其特征在于：所述R1，R2，R3基团选自的烷基，烯基，炔基，烷氧基包括直链或支链的烷基，烯基，炔基，烷氧基。
3.根据权利要求1所述的超低摩擦系统，其特征在于：所述超低摩擦系统是以如下式所示的联苯类化合物作为润滑剂，轴承钢和6FDA-ODA型聚酰亚胺材料配副的运动系统，
Figure FDA0003536870610000012
4.根据权利要求1所述的超低摩擦系统，其特征在于：所述超低摩擦系统是以如下式所示的联苯类化合物作为润滑剂，轴承钢和6FDA-ODA型聚酰亚胺材料配副的运动系统，
Figure FDA0003536870610000013
5.一种超低摩擦系统，其特征在于：所述超低摩擦系统是以混晶润滑剂作为润滑剂，轴承钢和6FDA-ODA型聚酰亚胺材料配副的运动系统，
所述混晶润滑剂由以下按照重量百分比计的组分组成：
组分1的结构式
Figure FDA0003536870610000021
组分2的结构式
Figure FDA0003536870610000022
组分3的结构式
Figure FDA0003536870610000023
组分4的结构式
Figure FDA0003536870610000024
组分5的结构式
Figure FDA0003536870610000025
组分6的结构式
Figure FDA0003536870610000026
组分7的结构式
Figure FDA0003536870610000027
其中：R和R’基团选自C1-C5的烷基，组分1-7的重量百分比之和为100％。
6.根据权利要求1-5任一项所述的超低摩擦系统，其特征在于：所述轴承钢为GCr15轴承钢。
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