王韋，錢(qián)善華，鞏龍飛，任海棟，唐磊

（1.江蘇省食品先進(jìn)制造裝備技術(shù)重點(diǎn)試驗(yàn)室，江蘇 無(wú)錫214122；2.江南大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 無(wú)錫214122；3.江蘇澳潤(rùn)新材料有限公司，南京210008）

在食品和藥品等行業(yè)中，生產(chǎn)設(shè)備的潤(rùn)滑劑泄露易引發(fā)食品、藥品的安全問(wèn)題[1-2]，故在食品和藥品等領(lǐng)域涉及到生產(chǎn)和包裝等環(huán)節(jié)必須使用食品級(jí)潤(rùn)滑材料。過(guò)去一段時(shí)間內(nèi)，常以食用油代替普通潤(rùn)滑材料，雖然它是無(wú)毒害性且對(duì)人體較為安全，但在潤(rùn)滑性能上卻比工業(yè)潤(rùn)滑材料差，并在強(qiáng)負(fù)荷等苛刻工況下易降低其服役壽命。同時(shí)，在機(jī)械裝備運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生的高溫將導(dǎo)致食用油變質(zhì)，滋生大量細(xì)菌，進(jìn)而嚴(yán)重危害了消費(fèi)者的健康[3]。為了減小甚至規(guī)避所產(chǎn)生的負(fù)面影響，食品及藥品等領(lǐng)域生產(chǎn)和包裝環(huán)節(jié)所涉及到的潤(rùn)滑脂均應(yīng)使用食品級(jí)潤(rùn)滑脂[4-5]。為了規(guī)避溫度造成潤(rùn)滑失效以及細(xì)菌滋生，耐高溫食品級(jí)潤(rùn)滑脂成為較佳選擇。目前，國(guó)內(nèi)生產(chǎn)且符合要求的食品級(jí)潤(rùn)滑脂產(chǎn)品較少，市場(chǎng)上大多數(shù)產(chǎn)品為國(guó)外品牌。隨著國(guó)民食品安全意識(shí)的提升和法律條例的完善，食品級(jí)潤(rùn)滑脂的應(yīng)用和需求將越來(lái)越廣泛[6-7]。

目前，國(guó)內(nèi)主要生產(chǎn)商是中國(guó)石化潤(rùn)滑油有限公司，它的產(chǎn)品主要有食品級(jí)潤(rùn)滑脂、食品級(jí)液壓油、食品級(jí)齒輪油等七大系列產(chǎn)品，具有H1 注冊(cè)認(rèn)證的產(chǎn)品信息。而國(guó)外品牌有Mobil（美孚）和FUCHS（福斯），其中Mobil（美孚）公司的FM221 和FM222食品級(jí)潤(rùn)滑脂獲得了H1 注冊(cè)，并通過(guò)了猶太潔食認(rèn)證和清真潔食認(rèn)證；FUCHS（福斯）公司CASSIDA（加適達(dá)）系列的食品級(jí)潤(rùn)滑脂分為RLS（常規(guī)負(fù)荷）、EPS（中負(fù)荷）和HDS（重負(fù)荷）三大類，均獲得了H1 注冊(cè)、猶太潔食認(rèn)證和清真潔食認(rèn)證[8]?，F(xiàn)有的食品級(jí)潤(rùn)滑脂大多數(shù)采用了復(fù)合皂基稠化劑，與普通潤(rùn)滑脂相比，它具有較高的滴點(diǎn)和良好的抗磨性等[5,9]。同時(shí)，潤(rùn)滑油制造商著力于提升食品級(jí)合成潤(rùn)滑劑的抗氧化性能和熱穩(wěn)定性[10]。如NSK 開(kāi)發(fā)了一種原料完全來(lái)自于食品級(jí)成分的潤(rùn)滑油脂，此類潤(rùn)滑脂的發(fā)展對(duì)于食品、藥品或化妝品的安全加工具有突破性意義[11]。與國(guó)外相比，國(guó)內(nèi)對(duì)食品級(jí)潤(rùn)滑脂的研究較晚，目前國(guó)內(nèi)研究食品級(jí)潤(rùn)滑脂的主要方式是選擇食品級(jí)基礎(chǔ)油及稠化劑，添加劑進(jìn)行復(fù)配來(lái)提升食品級(jí)潤(rùn)滑劑的使用性能，如抑菌防腐、附著性以及減摩抗磨等[12]。同時(shí)，通過(guò)不同黏度基礎(chǔ)油復(fù)配方法制備了水利工程專用食品級(jí)鋼絲繩表面潤(rùn)滑脂，具有優(yōu)異的高低溫性能、防銹性、抗水性，是國(guó)內(nèi)首次開(kāi)發(fā)的水利工程專用食品級(jí)潤(rùn)滑脂，在提高水質(zhì)和保障設(shè)備安全運(yùn)行等方面具有創(chuàng)新性突破[13]。然而，機(jī)械行業(yè)的發(fā)展使機(jī)械設(shè)備所處環(huán)境越來(lái)越苛刻，僅使用潤(rùn)滑材料不能滿足重載、高溫、高速等苛刻工況，需要在潤(rùn)滑材料中加入添加劑，以待提高潤(rùn)滑材料的抗磨減摩性能，以提高潤(rùn)滑材料的服役壽命，如添加高分子量酚類抗氧化劑可提高食品級(jí)潤(rùn)滑脂的滴點(diǎn)及耐腐蝕性等[14]，但食品級(jí)添加劑的選擇較為嚴(yán)格。

聚四氟乙烯（PTFE）因其具備優(yōu)異的化學(xué)穩(wěn)定性和摩擦學(xué)性能而被廣泛應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域和固體潤(rùn)滑領(lǐng)域[15-18]，并具有耐寒、耐熱、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、表面不粘附等特點(diǎn)[15]。這不僅能夠增加涂層的耐磨性[19-23]，還能滿足耐高溫潤(rùn)滑脂的使用要求。聚四氟乙烯的減摩作用可能是物理吸附和化學(xué)遷移共同作用的結(jié)果[24]，在鈦基潤(rùn)滑脂中添加少量的PTFE，可以有效提高潤(rùn)滑脂的減摩抗磨作用[25]。此外，PTFE 的無(wú)毒無(wú)害性，使其有望應(yīng)用到食品級(jí)潤(rùn)滑脂領(lǐng)域。

本文選用食品級(jí)白油為基礎(chǔ)油，以異丙醇鋁、苯甲酸、硬脂酸作為稠化劑，選用PTFE 為添加劑并添加至食品級(jí)潤(rùn)滑脂，研究不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)PTFE 對(duì)復(fù)合鋁基潤(rùn)滑脂減摩抗磨性能的影響，揭示摩擦副、潤(rùn)滑脂、PTFE 的協(xié)同作用機(jī)制，并與現(xiàn)有的食品級(jí)潤(rùn)滑脂PURITY FG2 的摩擦學(xué)性能進(jìn)行對(duì)比，研究結(jié)果將為新型食品級(jí)潤(rùn)滑脂的研發(fā)提供技術(shù)參考。

1 試驗(yàn)

1.1 材料

本文擬選用食品級(jí)白油（MOROKE/摩潤(rùn)克）為基礎(chǔ)油，選用異丙醇鋁、硬脂酸和苯甲酸（國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司）為稠化劑，其中苯甲酸、硬脂酸、異丙醇鋁的物質(zhì)的量比為2∶3∶4[26]，而白油質(zhì)量占總質(zhì)量（基礎(chǔ)油+稠化劑）的80%。選用PTFE 粉末（美國(guó)杜邦）為添加劑。

潤(rùn)滑脂的制備過(guò)程為：將380 g 白油、24.4 g 苯甲酸、81.6 g 異丙醇鋁依次放入反應(yīng)釜中，加熱至120 ℃，待反應(yīng)物完全溶解后，加入85.2 g 硬脂酸，恒溫皂化后加7.2 g 水，等待皂化脫水完全，加熱至最高煉制溫度195 ℃，恒溫?zé)捴?0 min 后加入190 g白油，冷卻至 170 ℃加入剩余基礎(chǔ)油，恒溫?zé)捴?0 min，攪拌冷卻至室溫。使用三輥研磨機(jī)研磨3 次成脂。將潤(rùn)滑脂分為40 g 每份，置于恒溫干燥箱中，在80 ℃下分別添加1%～7%的PTFE，均勻攪拌形成混合潤(rùn)滑脂。同時(shí)，選用市場(chǎng)上成熟的食品級(jí)潤(rùn)滑脂PURITY FG2（加拿大石油潤(rùn)滑油公司）為參考，評(píng)價(jià)本文所制備的食品級(jí)潤(rùn)滑脂的摩擦學(xué)性能。

此外，選用的鋼球材質(zhì)為軸承鋼，直徑為9.5 mm。圓盤(pán)材質(zhì)為45 鋼，直徑為50.8 mm，厚度為6 mm，表面粗糙度為0.8 μm。試驗(yàn)前，將鋼球和圓盤(pán)置于無(wú)水乙醇中采用超聲波清洗，清洗后放入恒溫干燥箱烘干待用。

1.2 測(cè)試方法

采用ALPHA 紅外光譜儀（德國(guó)Bruker Optics 公司）表征食品級(jí)白油、PTFE 和混合脂的分子結(jié)構(gòu)以及官能團(tuán)。采用LabRam HR Evolution 激光共聚焦顯微拉曼光譜儀（Horiba Jobin Yvon）表征鋁基脂、PTFE、混合脂、異丙醇鋁的結(jié)構(gòu)和官能團(tuán)。通過(guò)拉曼光譜分析試驗(yàn)結(jié)束后磨痕表面殘留物質(zhì)。按照SH/T 0324、GB/T 269 和GB/T 3498 標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)制得的復(fù)合鋁基潤(rùn)滑脂開(kāi)展鋼網(wǎng)分油、錐入度和滴點(diǎn)等物化性能測(cè)試。采用DHR-2 流變儀（DISCOVERY，美國(guó)TA 儀器公司）測(cè)定食品級(jí)白油和復(fù)合鋁基脂的黏度隨溫度的變化情況。采用Q500 熱重分析儀（TGA，美國(guó)TA 儀器公司）測(cè)定食品級(jí)白油和復(fù)合鋁基純脂的熱穩(wěn)定性，即在氮?dú)獗Ｗo(hù)下，以15 ℃/min 的速率從30 ℃升至600 ℃，記錄熱失重曲線。

在MFT-5000 磨損試驗(yàn)機(jī)上（美國(guó)Rtec 儀器公司）通過(guò)球盤(pán)試驗(yàn)研究PTFE 對(duì)復(fù)合鋁基潤(rùn)滑脂減摩抗磨性能的影響。試驗(yàn)前，將鋼球置于圓柱狀樣品夾具中鎖緊并與傳感器相連，將圓盤(pán)固定于夾具平臺(tái)上，潤(rùn)滑脂涂覆在圓盤(pán)表面。試驗(yàn)參數(shù)為：室溫，測(cè)試時(shí)間900 s，載荷250 N，線速度78.5 mm/s。試驗(yàn)過(guò)程中，力傳感器能夠輸出x方向上摩擦力Fx和z方向上正壓力Fz，從而獲得其摩擦因數(shù)。試驗(yàn)結(jié)束后，用乙醇清洗圓盤(pán)表面，采用MFP-D 白光干涉儀（美國(guó)Rtec 儀器公司）觀測(cè)圓盤(pán)表面的磨痕形貌。此外，對(duì)試驗(yàn)后的磨痕采用等效體積法獲取其磨損體積，基本原理是在Solidworks2012 中繪制圓盤(pán)模型，以O(shè)rigin2016軟件計(jì)算其磨痕截面的平均面積，以面積等效截面在Solidworks2012 旋轉(zhuǎn)切除，在評(píng)估模塊中獲得其磨損體積。值得說(shuō)明的是，同一工況下每組試驗(yàn)執(zhí)行3 次，每次試驗(yàn)前均使用新的鋼球和圓盤(pán)。球盤(pán)摩擦試驗(yàn)見(jiàn)圖1。

圖1 球盤(pán)摩擦試驗(yàn)示意圖Fig.1 Schematic diagram of a ball-disk test rig

2 結(jié)果與討論

2.1 材料結(jié)構(gòu)表征

圖2 為食品級(jí)白油、PTFE、含PTFE 混合脂的紅外光譜分析圖。可知，基礎(chǔ)白油在725 cm–1處的吸收峰為—CH2—的振動(dòng)吸收，1372、1466 cm–1處的吸收峰為CH2和CH3中的C—H 的振動(dòng)吸收，2850、2910 cm–1處的吸收峰為C—H 的振動(dòng)吸收。PTFE 在1158 cm–1處出現(xiàn)吸收峰為—CF2—的對(duì)稱伸縮振動(dòng)，在1215 cm–1處出現(xiàn)吸收峰為—CF2—的不對(duì)稱伸縮振動(dòng)，這表明PTFE 材料中不含雜質(zhì)且具有良好的對(duì)稱特性。PTFE 的對(duì)稱性使其分子間的吸引力較低，從而具有較好的延展性能。與白油的紅外光譜圖相比，混合脂在1300～1500 cm–1和2800～3000 cm–1處的較強(qiáng)吸收峰與食品級(jí)白油一致，這表明基礎(chǔ)油對(duì)復(fù)合鋁基脂的制備有較大的影響。

圖2 白油、聚四氟乙烯、復(fù)合鋁基脂的紅外光譜圖Fig.2 Infrared spectrum of white oil, PTFE and aluminum complex grease

圖3 為復(fù)合鋁基脂和異丙醇鋁的拉曼光譜。異丙醇鋁在2932 cm–1處的吸收峰是—CH3的伸縮振動(dòng)，在1450 cm–1處的吸收峰是C—H 的不對(duì)稱彎曲吸收。在3593 cm–1處出現(xiàn)寬而強(qiáng)的吸收峰，可見(jiàn)異丙醇鋁有強(qiáng)的吸濕性，試驗(yàn)樣品易吸潮。制備過(guò)程中異丙醇鋁與硬脂酸反應(yīng)生成了硬脂酸鋁，在復(fù)合鋁基脂的光譜圖中并未發(fā)現(xiàn)3593 cm–1處的吸收峰，可見(jiàn)異丙醇鋁在制備過(guò)程中已完全反應(yīng)，異丙醇完全揮發(fā)，使得反應(yīng)產(chǎn)物不具備異丙醇鋁的微毒性。同時(shí)，在反應(yīng)過(guò)程中加入的水能夠?qū)惐贾脫Q出。因此，所制備的復(fù)合鋁基脂能夠作為食品級(jí)潤(rùn)滑材料應(yīng)用到食品和藥品等裝備的潤(rùn)滑部位。

圖3 復(fù)合鋁基脂和異丙醇鋁的拉曼光譜Fig.3 Raman spectrum of aluminum complex grease and aluminum isopropoxide

2.2 潤(rùn)滑材料的性能表征

復(fù)合鋁基脂的理化性能結(jié)果見(jiàn)表1，所制備的復(fù)合鋁基脂具有較高的錐入度和滴點(diǎn)，能夠適用于較高的環(huán)境溫度。同時(shí)，較低的鋼網(wǎng)分油率能夠保證其在長(zhǎng)時(shí)間工作中仍保持良好的潤(rùn)滑性能，這表明所制備的復(fù)合鋁基脂具有良好的理化性能。PTFE 自身能夠作為潤(rùn)滑脂稠化劑，添加PTFE 后將減小鋼網(wǎng)分油及錐入度，并且其可在-180 ～ 260 ℃寬溫領(lǐng)域下使用，因此PTFE 的添加對(duì)復(fù)合鋁基脂使用溫度范圍的影響極小。

表1 復(fù)合鋁基潤(rùn)滑脂性能Tab.1 Food grade aluminum complex grease performance

在大多數(shù)情況下，基礎(chǔ)油黏度特性將影響潤(rùn)滑脂的黏稠度，食品級(jí)白油和復(fù)合鋁基脂的黏度隨溫度的變化關(guān)系如圖4 所示。發(fā)現(xiàn)隨著溫度的升高，白油和復(fù)合鋁基脂的黏度均呈非線性降低的變化。溫度為0～45 ℃時(shí)，白油黏度降低的速率較高，超過(guò)60 ℃時(shí)，白油黏度緩慢降低，100 ℃后白油黏度趨于穩(wěn)定且約為0.0015 Pa·s。復(fù)合鋁基脂在110 ℃左右黏度下降速率降低，150 ℃下的黏度值穩(wěn)定且約為3.8 Pa·s。低溫下，潤(rùn)滑脂黏度較大、流動(dòng)性差，易對(duì)摩擦副產(chǎn)生一定的阻滯作用，而高溫下，潤(rùn)滑脂的附著性能下降而易于流失，同時(shí)在較高溫度下有利于減小粘著阻力，能夠降低機(jī)械動(dòng)力的損失。因此，選用較低黏度的基礎(chǔ)油制備低溫轉(zhuǎn)矩特性較好的潤(rùn)滑脂，有利于降低潤(rùn)滑脂的低溫轉(zhuǎn)矩，使設(shè)備易啟動(dòng)并減小功率損失。

圖4 白油和復(fù)合鋁基脂的黏度隨溫度的變化Fig.4 Variation in viscosity of white oil and aluminum complex grease with temperature

白油和復(fù)合鋁基脂的質(zhì)量損失隨溫度的變化如圖5 所示。其中，TG 為熱失重曲線，DTG 為T(mén)G 曲線對(duì)溫度的一階微分，峰值表示物質(zhì)最大分解速率時(shí)的溫度。該白油的起始熱分解溫度為238 ℃，最快熱分解溫度為343 ℃，終止熱分解溫度為370 ℃。其中，0～238 ℃為干燥階段，質(zhì)量并未發(fā)生較大變化；238～370 ℃為熱分解階段，質(zhì)量損失集中在此溫度范圍內(nèi)；370～600 ℃為深度熱分解階段，生成焦炭和灰再次分解成小分子量的氣體。復(fù)合鋁基潤(rùn)滑脂的起始熱分解溫度約為 245 ℃，最快熱分解溫度約為366.5 ℃，終止熱分解溫度約為510 ℃，其中質(zhì)量損失主要集中在260～380 ℃。此試驗(yàn)結(jié)果配合滴點(diǎn)可見(jiàn)，復(fù)合鋁基脂在200 ℃下能夠安全使用并能發(fā)揮其良好的潤(rùn)滑作用。

圖5 食品級(jí)白油和復(fù)合鋁基脂質(zhì)量損失隨溫度的變化Fig.5 Variation in mass loss of food grade white oil and aluminum complex grease with temperature

2.3 混合脂的摩擦學(xué)性能

圖6 為含1%～7%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）PTFE 的混合脂和食品級(jí)潤(rùn)滑脂PURITY FG2 的摩擦因數(shù)隨時(shí)間的變化關(guān)系。發(fā)現(xiàn)在試驗(yàn)初期潤(rùn)滑脂的摩擦因數(shù)均產(chǎn)生較大的波動(dòng)，這主要是處于摩擦副的磨合階段，即鋼球與圓盤(pán)剛接觸時(shí)，接觸面積較小使得摩擦副的接觸應(yīng)力較高，但未添加PTFE 時(shí)磨合階段的摩擦因數(shù)波動(dòng)較大。經(jīng)過(guò)短時(shí)間的磨合，接觸面積增大并趨于穩(wěn)定，使得其接觸應(yīng)力降低并趨于穩(wěn)定，此時(shí)摩擦因數(shù)也趨于減小的趨勢(shì)，隨后進(jìn)入穩(wěn)定的磨損階段。隨著PTFE質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，其平均摩擦因數(shù)呈下降的趨勢(shì)，但當(dāng)PTFE 質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過(guò)5%時(shí)，摩擦因數(shù)略有增大，這是由于PTFE 含量的增加易發(fā)生團(tuán)聚，從而降低了PTFE 的減摩效果。復(fù)合鋁基脂中添加5% 的PTFE時(shí)，減摩性能達(dá)到最好，此時(shí)平均摩擦因數(shù)從0.122降低至0.088，減小了27.9%。通過(guò)對(duì)比圖6b 中平均摩擦因數(shù)的方差，發(fā)現(xiàn)添加PTFE 后，方差較小，這表明PTFE 能夠提高復(fù)合鋁基脂工作狀態(tài)的穩(wěn)定性。同等條件下，潤(rùn)滑脂PURITY FG2 的平均摩擦因數(shù)為0.098，而含5% PTFE 的復(fù)合脂比其降低了10.2%，這表明含5% PTFE 復(fù)合鋁基脂有良好的工程應(yīng)用價(jià)值。

圖6 混合脂的摩擦因數(shù)與時(shí)間和PTFE 質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化Fig.6 Variation in CoF of mixde grease with time and mass fraction of PTFE, (a) variation in CoF with time, (b) variation in average CoF with mass fraction of PTFE

圖7 為含不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)PTFE 混合脂和復(fù)合鋁基脂PURITY FG2 的鋼盤(pán)經(jīng)過(guò)900 s 摩擦試驗(yàn)后表面微觀形貌及其截面變化特性。在外部載荷作用下，鋼球與圓盤(pán)接觸區(qū)產(chǎn)生了應(yīng)力和變形，源于疲勞形成的裂紋和材料剝落的凹坑（磨痕）?；A(chǔ)脂對(duì)應(yīng)的鋼盤(pán)表面磨痕的最大深度接近70 μm，而含PTFE 的混合脂對(duì)應(yīng)的磨痕深度和寬度均低于基礎(chǔ)脂。當(dāng)PTFE 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6%時(shí)，鋼盤(pán)表面的磨痕寬度和深度值均達(dá)到最小，其磨痕寬度從1.67 mm 減小至1.17 mm，降低了30.0%；而其磨痕深度由71.4 μm 減小至40.33 μm，降低了43.6%。由此可見(jiàn)，PTFE 具有較好的抗磨性能。潤(rùn)滑脂PURITY FG2 的磨痕最大寬度為1.340 mm，磨痕最大深度為44.73 μm，含6% PTFE 的復(fù)合鋁基脂的磨痕最大深度和寬度比其分別降低了12.7%和9.9%，且添加PTFE 后的潤(rùn)滑脂涂覆下的鋼盤(pán)磨痕截面屬性優(yōu)于潤(rùn)滑脂PURITY FG2 涂覆下的鋼盤(pán)磨痕截面。

由于磨痕截面的不規(guī)則性，磨痕的最大寬度和深度不能作為評(píng)判PTFE 抗磨性能的唯一標(biāo)準(zhǔn)，需深入分析其磨痕截面積和磨損體積。圖8 為經(jīng)過(guò)900 s 磨擦試驗(yàn)后鋼盤(pán)表面的磨損參數(shù)隨PTFE 質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化。鑒于磨損體積是通過(guò)面積等效截面法獲得，故磨痕截面積與其對(duì)應(yīng)的磨損體積具有相同的變化趨勢(shì)。隨著PTFE 質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，鋼盤(pán)表面的磨損體積呈現(xiàn)先減小后增大的變化。當(dāng)PTFE 質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到5%時(shí)，混合脂的抗磨性能最佳，其磨損體積由4.91 mm3降低至2.29 mm3，減小了53.4%。此外，食品級(jí)復(fù)合鋁基脂PURITY FG2 試驗(yàn)后鋼盤(pán)表面的平均磨損體積為2.48 mm3，含5% PTFE 復(fù)合鋁基脂試驗(yàn)后的鋼盤(pán)表面磨損體積比其降低了 7.7%。且發(fā)現(xiàn)含5%PTFE 的磨痕截面積和磨損體積綜合方差最小，表明添加5%PTFE 的復(fù)合鋁基脂具有良好的穩(wěn)定性和抗磨性能。

2.4 討論

從理化性能指標(biāo)和熱重分析來(lái)看，復(fù)合鋁基脂具有良好的理化性能和熱穩(wěn)定性，滴點(diǎn)和熱分解溫度表明復(fù)合鋁基脂能夠在200 ℃下安全使用，并發(fā)揮良好的潤(rùn)滑作用，較低的鋼網(wǎng)分油率保證了復(fù)合鋁基脂在長(zhǎng)時(shí)間工作中仍保持良好的潤(rùn)滑性能。

圖7 不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)PTFE 混合脂和潤(rùn)滑脂PURITY FG2 的鋼盤(pán)磨痕截面Fig.7 Micro-morphology of the steel disc wear scar at mixed grease of different mass fractions of PTFE and PURITY FG2

圖8 不同工況下鋼盤(pán)表面磨痕的平均截面積和平均磨損體積Fig.8 Average cross-sectional area and wear volume of surface wear scar of the steel disc under different conditions

從混合脂的摩擦學(xué)性能來(lái)看，摩擦試驗(yàn)中潤(rùn)滑脂在球盤(pán)間充當(dāng)潤(rùn)滑介質(zhì)。由圖6 發(fā)現(xiàn)，在起始階段，摩擦因數(shù)有較大波動(dòng)的變化；當(dāng)磨合一段時(shí)間后，球和鋼盤(pán)在復(fù)合鋁基脂的作用下達(dá)到較穩(wěn)定狀態(tài)，其摩擦因數(shù)呈降低且平緩的變化，此時(shí)進(jìn)入穩(wěn)定的潤(rùn)滑階段。圖9 為PTFE、復(fù)合鋁基脂、含5% PTFE 的混合脂以及磨痕表面殘留物質(zhì)的拉曼光譜，可見(jiàn)PTFE 在737 cm–1處的強(qiáng)烈吸收峰得到保留，但在磨痕表面檢測(cè)到的特征峰為復(fù)合鋁基脂中硬脂酸鋁的強(qiáng)烈特征峰、苯甲酸鹽和硬脂酸鹽的三重峰，并未檢測(cè)到復(fù)合鋁基脂在2722 cm–1和3074 cm–1附近的吸收峰和PTFE 在737 cm–1處的強(qiáng)烈吸收峰。因此，在剪切力作用下，硬脂酸鋁和PTFE 發(fā)生結(jié)構(gòu)破壞或者PTFE不易保留在磨痕表面，這表明高分子化合物PTFE 在復(fù)合鋁基脂的潤(rùn)滑作用中直接參與減摩抗磨，并未與復(fù)合鋁基脂發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，PTFE 的減摩抗磨作用得益于其光滑的分子輪廓。PTFE 能夠改善復(fù)合鋁基脂的抗磨減磨性能，隨著PTFE 質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，混合脂的摩擦因數(shù)和鋼盤(pán)表面磨損體積均呈先降低后增大的趨勢(shì)。同時(shí)，含5% PTFE 的混合潤(rùn)滑脂所對(duì)應(yīng)的摩擦因數(shù)和磨損體積均達(dá)到最小值，這表明含5%PTFE 的混合鋁基脂最有可能應(yīng)用到食品裝備等領(lǐng)域。

圖9 復(fù)合鋁基脂、PTFE、復(fù)合鋁基脂+5%PTFE、磨痕表面殘留物的拉曼光譜Fig.9 Raman spectrum of aluminum complex grease, PTFE,aluminum complex grease with 5%PTFE, residues on the surface of wear scars

3 結(jié)論

1）復(fù)合鋁基潤(rùn)滑脂具有良好的理化性能，即較高的滴點(diǎn)、錐入度、熱穩(wěn)定性及較低的鋼網(wǎng)分油率。

2）添加劑PTFE 能夠改善復(fù)合鋁基脂的減摩性能和抗磨性能，混合脂的摩擦因數(shù)和鋼盤(pán)表面磨損體積均隨PTFE 質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈先降低后增加的變化。當(dāng)PTFE 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%時(shí)，平均摩擦因數(shù)和鋼盤(pán)磨損體積分別降低了27.9%和53.4%。

3）含5% PTFE 的混合潤(rùn)滑脂最有可能被應(yīng)用到食品裝備等領(lǐng)域。