《高水解稳定性硼酸酯润滑添加剂的构效关系及其作用机理研究》

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该项目属于机械摩擦、磨损及润滑学。

由于环保要求的日益苛刻,人们熟知的高效多功能添加剂ZDDP因易使汽车尾气处理催化剂中毒和增加颗粒物排放而将限制使用;常用的硫化异丁烯极压添加剂也因易产生恶臭挥发物将限制使用;农林渔业使用的机械设备因受生态保护限制需使用可生物降解润滑油。故开发ZDDP替代物、硫化异丁烯替代物和低毒高生物降解率的润滑添加剂已成为该领域的国际热点课题。已有研究表明:S,N杂环基团具有低毒、高生物降解率和良好极压、抗磨、抗腐蚀、抗氧化、抑制硼酸酯水解等特性;而有机硼酸酯基团具有良好油溶性、减小摩擦、抗磨、抗腐蚀和抗氧化等特性。因此,该项目在国家自然科学基金的资助下,结合前期与中石油联合研发硼酸酯润滑添加剂的基础,从分子设计出发,设计了多种提高硼酸酯水解稳定性的方法,并基于此开发了系列高水解稳定性硼酸酯衍生物润滑添加剂,同时运用现代表面分析手段研究了摩擦学作用机理。

1.提高硼酸酯水解稳定性方法:基于空间位阻、共轭效应和电子分散理论,设计了多种有效的提高硼酸酯水解稳定性的方法,尤其是提出将苯环与缺电子B原子直接相连,B原子空的p轨道与苯环的大π键形成p-π共轭,从而使B原子的缺电子性从根本上得到解决,同时在苯环的另一端接上一个长链烷基,不仅具有位阻效应,阻碍水分子对B的进攻,也能够提高油溶性。水解稳定测试结果表明,该方案制备的长链烷基苯硼酸酯衍生物水解稳定性超过720小时,与传统硼酸酯相比,提高了72倍以上;

2.含杂环硼酸酯衍生物润滑添加剂的开发:基于上述提高水解稳定性方法,将具有优异摩擦学性能的含S,N杂环活性基团与硼酸酯合理组合,设计合成了系列潜在的新型环保型多功能润滑添加剂,考察了它们的摩擦学性能并总结其构效关系规律。结果表明,S,N杂环活性基团引入能够显著提高硼酸酯摩擦学性能,极压性能、抗磨性能和减摩性能最大分别提高了124%,42%和20%。

3.摩擦学机理探究:借助三维形貌仪、SEM、AFM对摩擦副表面形貌进行分析;通过X射线光电子能谱(XPS)和X光近边吸收结构光谱(XANES)分析磨损表面的活性元素的化学组成。结果表明,硼酸酯润滑添加剂在摩擦过程中,在剪切力和摩擦热的共同作用下,可以在摩擦副表面生成氮化硼、三配位和四配位的硼氧化物,形成摩擦膜,避免摩擦副表面金属的直接接触,从而提高摩擦学性能。

项目执行期间分别在Tribol. Int.,Appl. Surf. Sci.,Tribol. Lett.,RSC Adv.和ProcIMechE Part J:J Engineering Tribology等材料和摩擦学研究重要期刊上发表期刊论文15篇,其中8篇代表性论文他引总数82次,单篇最高引用15次,申请并获得授权中国发明专利2项。

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