CN111909754B - 一种复合润滑组合物及润滑材料 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种复合润滑组合物及润滑材料，所述复合润滑组合物的组分为棒状分子结构的液晶分子和β‑二酮，所述β‑二酮的结构式如（1）所示，式（1）中，R₁为C_mH_2m+1、C_mH_2mOCH₃或C_mH_2m+1COOCH₃，R₂为C_nH_2n+1、C_nH_2nOCH₃或C_nH_{2n+ 1}COOCH₃，其中，m、n为正整数。本发明的技术方案利用了棒状分子结构的液晶分子与β‑二酮的分子特性，两者混合发生协同作用；用于钢铁表面进行润滑时，在没有剪切的情况下，两者混合的组合物粘度高，承载能力好；在剪切的条件下，棒状的液晶分子和β‑二酮均沿水平方向排列，降低了粘度和剪切阻力，可以在更宽的工况范围下实现超滑。

Description

一种复合润滑组合物及润滑材料

技术领域

本发明属于润滑材料技术领域，尤其涉及一种复合润滑组合物及润滑材料。

背景技术

液晶润滑剂是一种新型润滑材料，它可以通过分子取向同时具备高承载能力和低剪切阻力，从而实现可控的流变与摩擦学性能。一般而言，液晶材料的分子取向可以通过两种实现方式。一是通过外加电场或磁场，引起液晶分子的有序排列，但是这种方式当用于非带电或带磁的环境中，液晶分子将失去这一特性。另一种方式是预先对摩擦副表面使用表面活性剂，作为取向层来诱导液晶分子的取向，但是因为在摩擦过程中磨损一般不可避免，而表面活性剂层会随着摩擦运动时间的增长而逐渐损坏，最终也会导致液晶取向能力的消失，从而不具有润滑效果。另外，现有研究具有棒状形态的非液晶结构的分子，其在表面形成化学吸附层的条件下具有一定的取向能力，但是因为分子间作用力不够强，所形成的分子取向只能维持在几个分子层，所以无法像真正的液晶分子一样形成长程有序的结构，因此其承载能力有限，能实现超滑工况的范围较窄。

发明内容

针对以上技术问题，本发明公开了一种复合润滑组合物及润滑材料，可以在更宽的工况范围下实现超滑的效果。

对此，本发明采用的技术方案为：

一种复合润滑组合物，其特征在于：其包括棒状分子结构的液晶分子和β-二酮，所述β-二酮的结构式如下所示：

式(1)中，R₁为C_mH_2m+1、C_mH_2mOCH₃或C_mH_2m+1COOCH₃，R₂为C_nH_2n+1、C_nH_2nOCH₃或C_nH_{2n+ 1}COOCH₃，其中，m、n为正整数。

采用此技术方案，将棒状分子结构的液晶分子与β-二酮混合用于润滑，在没有剪切的情况下，β-二酮可以在钢表面通过摩擦化学反应形成化学吸附、降低钢的表面能；根据液晶取向的FCK原则，液晶分子可以在此表面形成垂直取向，从而提高粘度和承载能力。然而在高剪切的情况下，棒状的液晶分子和β-二酮都可以沿水平方向排列，从而降低粘度和剪切阻力。使用该组合物进行润滑时，液晶分子不需外加电、磁场和表面活性剂即可形成分子取向，β-二酮所形成的化学吸附层在磨损掉后可以及时通过摩擦化学反应在表面即时生成。而对比纯的β-二酮，液晶分子间的相互作用更强，可以形成更规整和传递距离更远的分子取向，在重载、低速下的成膜能力更强。因此，此协同作用可以使复合油具有比两者均强的润滑性能。

作为本发明的进一步改进，所述m、n满足：0<m<8，0<n<8，且3<m+n<10。

上述β-二酮分子存在二酮式和烯醇式两种互变异构体，反应式如式(2)所示。两者的比例决定了β-二酮的化学反应活性和分子间相互作用力。此技术方案通过调节两侧的分子链长度，使两种互变异构体达到一个优化的平衡，使β-二酮在在组合物中同时具备较高的化学反应活性和较强的分子间相互作用力，便于与液晶分子发生协同作用。

作为本发明的进一步改进，所述液晶分子为温致液晶分子。

作为本发明的进一步改进，所述液晶分子包括4-正戊基-4’-氰基联苯(5CB)、N-(4-甲氧基苯亚甲基)-4-丁基苯胺(MBBA)、4-氰基苯基4-丁基苯酸酯(PEPN4)中的至少一种。采用此技术方案，当β-二酮与钢表面反应产生化学吸附层，可以对上述液晶分子起到更强的诱导取向作用。

作为本发明的进一步改进，所述复合润滑组合物中，所述β-二酮的质量百分比为5～20wt％。进一步改进的，所述液晶分子与β-二酮的质量百分比为19～4:1。

采用此技术方案，考虑到了液晶分子的尺寸与β-二酮处于同一量级对组合物的影响，控制β-二酮在复合油中的比例为5～20wt％，保证了β-二酮在摩擦化学反应中的供给，同时避免了β-二酮对液晶分子取向的干扰。进一步改进的，所述β-二酮的质量百分比为10～15wt％。进一步优选的，所述液晶分子与β-二酮的质量百分比为5～9:1。

本发明还公开了一种润滑材料，其包括如上任意一项所述的复合润滑组合物，还可以包括助剂，作为润滑油使用；也可以包含其他润滑油脂；添加增稠剂，可以用作润滑脂。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

采用本发明的技术方案，综合利用了棒状分子结构的液晶分子与β-二酮在不同状态下的分子特性，两者混合发生协同作用；用于钢铁表面进行润滑时，在没有剪切的情况下，两者混合的组合物粘度高，承载能力好；在剪切的条件下，棒状的液晶分子和β-二酮均沿水平方向排列，降低了粘度和剪切阻力，可以在更宽的工况范围下实现超滑；相对比单一的液晶分子或β-二酮，两者混合后具有更好的润滑性能。

附图说明

图1是本发明实施例1中钢盘表面有无β-二酮反应的化学吸附层的水滴接触角的对比图；其中，a)为没有β-二酮反应的化学吸附层的钢盘，b)为有β-二酮反应的化学吸附层的钢盘。

图2是本发明实施例1中钢盘表面有无β-二酮反应的化学吸附层的储能模量的对比图；其中，a)为没有β-二酮反应的化学吸附层的钢盘，b)为有β-二酮反应的化学吸附层的钢盘。

图3是本发明实施例1中采用5CB与10wt％β-二酮混合的复配油的旋转摩擦测试的分析图；其中，a)为恒定接触压20Mpa下的旋转摩擦测试分析图；b)为恒定速度400mm/s下的旋转摩擦测试分析图。

图4是本发明实施例1中使用5CB/β-二酮的复合油进行摩擦测试后的钢盘表面清洗后的照片与其对应的EDS能谱分析图。

具体实施方式

下面对本发明的较优的实施例作进一步的详细说明。

实施例1

将如式(1)分子结构式所述的β-二酮(其中，R₁＝-C₂H₅,R₂＝-C₆H₁₃)滴加在钢盘上并加热至180℃约5min，模拟摩擦化学反应的实施。反应结束后用丙酮清洗掉残余的β-二酮，得到化学吸附层。

其中，R₁＝-C₂H₅,R₂＝-C₆H₁₃。

在有化学吸附层的钢盘的表面和未反应的钢表面进行水滴的接触角测试，如图1所示，发现带有化学吸附层的钢盘接触角明显增大。经过计算，本实施例的β-二酮的化学吸附可以将钢盘的接触角由41mJ/m²降低到37mJ/m²。结合根据液晶取向的FCK规则，低表面能的表面将有利于棒状液晶分子的垂直取向。

再利用旋转流变仪测试液晶5CB在两种钢盘表面的储能模量G’，条件为：往复频率1％，角速度10rad/s，结果如图2所示，发现液晶5CB在未反应钢盘表面的储能模量几乎为零(10^-4数量级)，说明此时液晶5CB没有形成分子取向，只是普通的粘性流体。

而在β-二酮反应后的钢盘，添加液晶5CB，利用旋转流变仪测试钢盘表面的储能模量G’，结果如图2所示，可见此时5CB的储能模量上升约4个数量级，说明此时在有β-二酮化学吸附层的钢盘表面，液晶5CB形成了定向的结构，可以通过形变抵抗外力，具有一定弹性体的性质。这一结果证实β-二酮在钢表面的化学吸附层可以诱导5CB产生较强的分子取向。

由此将5CB与10wt％β-二酮混合形成复配油，利用多功能摩擦试验机在钢球-钢盘表面进行旋转摩擦测试，结果如图3所示，可见在恒定接触压下(20MPa)，该复合油比纯5CB、纯β-二酮在低速下具有更低的摩擦系数。而在恒定速度下(400mm/s)，复合油比纯5CB、纯β-二酮在高接触压下具有更低的摩擦系数。该实验结果证实了5CB与10wt％β-二酮的复合油可以在更宽的工况范围下实现超滑。

另外，对使用5CB与10wt％β-二酮的复合油进行摩擦测试后的钢盘表面用丙酮进行清洗，然后通过EDS能谱进行分析，如图4所示，可见在磨痕处存在明显的C元素的聚集，证实了β-二酮在磨损情况下仍能够通过摩擦化学反应不断对钢表面进行化学吸附，诱导液晶5CB的分子取向。

实施例2

本实施例与实施例1不同在于：本实施例β-二酮的化学结构式中，R1和R2基团相同，均为-C₃H₆COOCH₃，5CB与β-二酮的复配油中β-二酮的含量为15wt％。其它步骤、试剂和参数与实施例1相同。

通过对本实施例的β-二酮对钢铁表面改性前后进行水滴的接触角测试，接触角由没有β-二酮改性前的72.4°增大到83.1°，采用本实施例的β-二酮处理的钢盘表面形成的化学吸附层使得钢盘接触角明显增大。

采用5CB在本实施例β-二酮改性钢表面采用粘弹性经旋转流变仪进行钢盘表面的储能模量G’的测试，条件为：往复频率1％，角速度10rad/s；结果发现其储能模量由未反应钢盘几乎为零(10^-4数量级)增大到3Pa。

采用5CB与15wt％β-二酮的复合油经多功能摩擦试验机测试发现，在恒定20MPa接触压下，超滑最低速度由纯β-二酮230mm/s拓展至137mm/s；在恒定400mm/s速度下，超滑最高接触压由22MPa拓展至29MPa。摩擦测试后，对钢盘表面用丙酮进行清洗，然后通过EDS能谱进行分析，磨痕处存在明显的C元素的聚集，证明钢盘表面形成了化学吸附层，另外也可以证明β-二酮的化学吸附可以持续诱导液晶5CB的分子取向，从而实现更宽范围的超滑性能。

实施例3

本实施例与实施例1不同在于：采用的液晶基础油为MBBA。其它步骤、试剂和参数与实施例1相同。本实施例中所制备的β-二酮对钢铁表面能的降低由接触角测试证实，接触角由改性前的72.4°增大到86.0°。MBBA在改性钢表面的粘弹性经旋转流变仪证实，其储能模量由未反应钢盘几乎为零(10^-4数量级)增大到11Pa。5CB/β-二酮超滑性能经多功能摩擦试验机证实，在恒定20MPa接触压下，超滑最低速度由纯β-二酮220mm/s拓展至121mm/s；在恒定400mm/s速度下，超滑最高接触压由22MPa拓展至27MPa。摩擦测试后，化学吸附层的存在经EDS能谱分析证实，证明β-二酮的化学吸附可以持续诱导液晶MBBA的分子取向。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种复合润滑组合物，其特征在于：其组分为棒状分子结构的液晶分子和β-二酮，所述β-二酮的结构式如下所示：

（1），

式（1）中，R₁为C_mH_2m+1、C_mH_2mOCH₃或C₃H₆COOCH₃，R₂为C_nH_2n+1、C_nH_2nOCH₃或C₃H₆COOCH₃，其中，m、n为正整数。

2.根据权利要求1所述的复合润滑组合物，其特征在于：所述m、n满足：0<m<8，0<n<8，且3<m+n<10。

3.根据权利要求2所述的复合润滑组合物，其特征在于：所述液晶分子为温致液晶分子。

4.根据权利要求3所述的复合润滑组合物，其特征在于：所述液晶分子包括4-正戊基-4’-氰基联苯、N-(4-甲氧基苯亚甲基)-4-丁基苯胺、4-氰基苯基4-丁基苯酸酯中的至少一种。

5.根据权利要求3所述的复合润滑组合物，其特征在于：所述复合润滑组合物中，β-二酮的质量百分比为5~20wt%。

6.一种润滑材料，其特征在于：其包括如权利要求1~5任意一项所述的复合润滑组合物。

7.根据权利要求6所述的润滑材料，其特征在于：其包括增稠剂。

Images