无硫磷含氮杂环润滑添加剂的合成及摩擦学性能

发布时间：2016-10-23 08:17

第 1 章 绪论

由于汽车工业的迅速发展以及汽车需求量的攀升，促使世界石油资源日渐枯竭，能源危机迫在眉睫，燃料价格不断上涨。而大量汽车尾气的排放也严重影响了环境质量，如 2013 年初我国北方如北京、济南等部分城市冬季出现的持续较长时间的雾霾天气、PM2.5 的问题，都与汽车尾气的排放密切相关。据统计，大气污染中有 60%的一氧化碳、50%的氮氧化物和 70%的烃类、有机挥发物来自汽车排放。随着人们生活质量的提高、节能及环保意识的逐渐增强，人们对生活环境提出了更高的要求，如空气中 PM2.5 的限制是典型的一个案例。世界各国也对大气质量的控制以及对汽车排放标准的要求更加严格。为了满足法规要求的排放标准，未来汽车均采用电控燃油喷射技术，广泛安装催化转化器，柴油车还要安装颗粒物过滤器。汽车技术的发展要求发动机油在不断提高其高温清净性、分散性和抗氧化性能的同时，还要满足低灰分、低磷、低硫的需求[1-2]。因为大量试验已经证实，尾气中的这些化学成分会降低排放后处理装置的效率，缩短其使用寿命，甚至失效。在理论上，润滑油中所有的硫、磷及灰分都会降低排放后处理装置的效率，缩短其使用寿命[3-4]。目前，许多润滑油规格已开始对润滑油中的硫、磷及灰分含量进行了限制。如表 1.1 所示，在轿车用油规格中的 ILSACGF-5/APISM，ACEAC1、C2、C3、C4，奔驰的 MBp22931 等。

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第 2 章 试剂、仪器及试验方法

2.1 试剂、仪器

润滑油的润滑性能一般用摩擦磨损试验机来测定，常用的试验机有：四球试验机、梯姆肯试验机、法莱克斯试验机等。相互接触的摩擦副的摩擦磨损性能不仅与整个摩擦系统的组成成份密切相关，而且还与润滑材料性能相关，例如润滑油基础油的品质，润滑油添加剂的种类、添加量、纯度、性能，也受到工作参数、工作状况、环境因素等多种情况的影响[81]。因而试验仪器的选择也比较重要，本文形成的润滑添加剂的摩擦学性能测试选择了现在人们最常用的四球试验机，它具有操作步骤方便、数据可靠等优点。四球试验机的工作部分机构示意图如图 2.1所示[82]。

2.2 热稳定性能测试方法

采用美国PERKIN-ELMER公司TGAQ500型综合热分析仪对六种添加剂进行热分析测试。测试条件：氮气氛围，测试温度从室温以 20℃/min 升的温速率，升温到 550℃。其主要原理为：热重法是在程序设置温度控制的条件下，测量被测物质量随着温度的变化情况，热重分析仪主要用于研究物质的分解、吸附、解析、脱水、化合、相变、蒸发、凝固、升华、溶化等现象及对物质做鉴别分析、动力学参数测定、热参数分析、组分分析等[80]。

第 2 章 试剂、仪器及试验方法..........17
2.1 试剂、仪器.........17 
2.2 热稳定性能测试方法..........18
2.3 摩擦学性能测试方法.............18
第 3 章 无硫磷含氮杂环润滑添加剂的摩擦学性能研究 ............22
3.1 无硫磷含氮杂环润滑添加剂的设计合成及热稳定性能..........22 
3.2 5-烷氧基-[1,2,4]-三唑并[4,3-a]喹唑啉的摩擦学性能.................... 32 
3.3 5-烷胺基-[1,2,4]-三唑并[4,3-a]喹唑啉的摩擦学性能..................... 48
第 4 章 结论及展望............................ 73
4.1 结论........ 73
4.2 展望................. 74

第 3 章 无硫磷含氮杂环润滑添加剂的摩擦学性能研究

3.1 无硫磷含氮杂环润滑添加剂的设计合成及热稳定性能

基于上述分子设计思想，开发出一种他人尚未在润滑添加剂中报道的无灰、无磷、无硫的双含氮杂环：喹唑啉并三氮唑环，作为所设计添加剂的母体化合物，如图 3.1 所示。在前期研究工作积累和润滑添加剂历史研究中得知，喹唑啉环和三氮唑环都是各自兼具摩擦学、抗氧抗腐防锈等多功能属性的含氮单杂环；分子中苯环的存在可以提高分子热稳定性和氧化安定性，还有益于增加其对基础油的感受性，同时对分子油溶性以及抗腐蚀性会有贡献，多个处于邻位的氮原子更是有利于分子在摩擦金属表面强有力吸附，形成更稳定的正离子过渡态，生成更致密的表面膜。

3.2 5-烷氧基-[1,2,4]-三唑并[4,3-a]喹唑啉的摩擦学性能

从图 3.16 中可以看出加入 BOTQ、OOTQ 和 DOTQ 三种润滑添加剂之后，液体石蜡的最大无卡咬负荷值均得到提高，这可能是在高负荷的条件下三种添加剂发生分解成含铁的有机化合物润滑膜，这种润滑膜质软而且容易剪切，在油膜破裂后，能够在金属表面继续起润滑作用，这种润滑膜还能够继续防止摩擦副的接触区域的进一步烧结或划伤，从而可提高基础油的承载能力。从图 3.16 中得知该3种添加剂都随着添加剂的浓度的增大，其最大无卡咬负荷值也随着增大，都在添加剂的浓度为 2.0%时的最大无卡咬负荷值达到最大；当添加剂 BOTQ 的添加量为 1.0%、OOTQ 的添加量为 1.5%、DOTQ 的添加量为 1.0%时，最大无卡咬负荷值分别达到 470N、520N 、540N，分别较基础油液体石蜡最大无卡咬负荷值 300N的基础上提高了 57%、73%和 80%，但是当添加剂的浓度继续上升时，其最大无卡咬负荷值已经不再继续发生明显的变化，此时可能由于润滑添加剂在润滑边界的吸附已趋近饱和。BOTQ、OOTQ 和 DOTQ 属于同系列的化合物，它们有着相同的官能团，只是烷基含有不同的链长，从图中可以看出随着该类添加剂链长的增加，其最大无卡咬负荷值也增加，且在相同浓度下，链长的润滑添加剂高于链短的添加剂，说明添加剂的链长越长，形成的吸附膜越厚，其极压承载能力越好。
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第 4 章 结论及展望

4.1 结论

本论文以液体石蜡为基础油，在四球摩擦磨损试验机上分析了合成的两类六种无硫磷含氮杂环润滑添加剂在液体石蜡中的的摩擦学性能，在实验的基础之上，得到了如下的主要结论。（1）合成了 5-烷氧基-[1,2,4]三唑并[4,3-a]喹唑啉类和 5-烷胺基-[1,2,4]三唑并[4,3-a]喹唑啉类六种润滑添加剂，它们分别为 BOTQ、OOTQ、DOTQ 与 BATQ、OATQ、DATQ，确定了添加剂的分子结构，其热稳定性良好，最低的初始分解温度为 130℃，能够满足一般工况的要求。（2）同系列的 BOTQ、OOTQ 、DOTQ 三种添加剂具有良好的摩擦学性能，随着烷基的链长增长，其摩擦学性能增强。1.0%的添加剂 DOTQ 可以提高液体石蜡的 PB值的 80%；在添加剂的浓度为 1.0%、载荷为 245N、长磨时间为 30min 的条件下，添加剂 BOTQ、OOTQ 、DOTQ 的磨斑直径分别从基础油的磨斑直径0.679mm 减小到 0.390mm、0.365mm、0.352mm，含 1.0%添加剂 DOTQ 的摩擦系数由基础油的 0.08030 减小到 0.07868。

4.2 展望

通过无硫磷的含氮杂环润滑添加剂的摩擦学性能研究，该类润滑添加剂属于环境友好的添加剂，并且具有优良的摩擦学性能，但是由于研究时间与条件以及本人研究水平限制，本论文只是开发环境友好润滑添加剂的摩擦学性能的基础研究，研究中也必定存在着些许问题，，本论文的研究也仅仅是抛砖引玉，本人认为在此研究的基础上还可以对该类添加剂进行复配的摩擦学性能等基础研究。

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参考文献（略）

本文编号：150038