CJChE丨太原理工大学 赵志萍、汤琼、刘雷等:基于烷基萘基础油纳米二氧化硅润滑脂的流变行为和摩擦学性能研究

在机械系统运行过程中，摩擦和磨损是始终存在的物理现象，其本质源于接触界面的相对运动与能量耗散，这不仅导致了大量的资源浪费，还带来了经济损失。现代设备不断朝着长寿命和高可靠性的方向发展，对润滑剂的性能要求也越来越高。润滑脂和润滑油是最常用的两种润滑剂。相比之下，润滑脂作为一种半固体润滑剂，因其出色的密封性能、宽泛的工作温度范围和较长的使用寿命，被广泛应用于润滑油无法到达和有效发挥作用的领域。

润滑脂通常由基础油、稠化剂和各种添加剂组成，形成高度结构化的悬浮液。目前，市面上广泛使用且占有较大市场份额的润滑脂，如锂基润滑脂和钙基润滑脂，都不能满足高温润滑的需求。纳米二氧化硅润滑脂是一种常以二氧化硅稠化基础油为原料合成的润滑脂，具有优异的抗剪切性能、高温稳定性和环境友好性等诸多优点，扩大了应用范围，使其成为研究热点。纳米二氧化硅润滑脂的高温特性对其基础油也提出了耐高温的要求。目前报道的润滑基础油中，矿物基础油在润滑油脂市场中仍占据主导地位，这主要得益于其显著的成本优势以及较宽的工作温度适应性。但矿物油成分复杂，易氧化变质，通常不适合作为高温润滑脂的基础油。合成油具有较低的挥发性、出色的高温稳定性、理想的黏温性能和优异的抗氧化性能，能够满足恶劣工作环境下长期可靠地安全运行的性能要求。烷基萘作为一种较新的合成油，其特点是富电子的萘环，具有优异的氧化稳定性、热稳定性，已经被报道可以有效提高润滑脂的抗氧化性能，而且通过调整其结构中的柔性链和刚性环状结构可以适应不同稠化能力的稠化剂。因此随着高性能润滑剂市场需求的攀升，烷基萘作为一种具有竞争力的高性能基础油，应用前景广泛。

纳米硅脂作为一种新型润滑剂具有优异的耐高温特性，因此对其所需要的基础油也提出了更高的要求。烷基萘优异的氧化稳定性和热稳定性使其可以作为高温润滑脂的基础油，基础油的分子结构对其性能具有重要影响。通过萘和α-烯烃的烷基化反应，得到了不同链长的烷基萘作为基础油，以纳米二氧化硅为稠化剂，制备了系列润滑脂，系统考察了烷基侧链长度对二氧化硅润滑脂基本理化性能、流变学行为及摩擦学性能的影响。研究表明，烷基萘基础油的侧链长度对二氧化硅润滑脂的结构摩擦学性能具有重要的影响。随着烷基萘基础油侧链长度的增加，稠化剂与基础油的相互作用增强，二氧化硅润滑脂的结构强度增大，相应润滑脂的摩擦学性能也越优异。

以纳米二氧化硅为稠化剂，癸基萘、十二烷基萘、十四烷基萘和十六烷基萘为基础油制备了系列二氧化硅润滑脂，研究了烷基萘基础油侧链长度对二氧化硅润滑脂基本理化性能、流变学行为及摩擦学性能的影响。合成的所有二氧化硅润滑脂在实验过程中均没有观测到滴点（＞330 ℃），分油量随着烷基侧链长度增加逐渐减少，胶体稳定性得到改善。随着烷基萘基础油的侧链长度增加，烷基萘基础油与稠化剂纳米二氧化硅的相互作用增强，润滑脂的结构强度增加，流变学行为上表现出良好的粘弹性和触变行为；同时摩擦学试验表明，烷基萘基础油侧链长度增加，相应润滑脂的摩擦学性能越好，大大提高了润滑脂的减摩抗磨性能。提出了二氧化硅润滑脂的润滑机理，长链烷基萘在面对外界环境变化时可以更好地与二氧化硅短链聚集体的骨架结构通过拉伸或旋转运动来维持系统结构的稳定性，从而保证了良好的润滑效果。

通讯作者：刘雷，工学博士，太原理工大学化学与化工学院教授，化学产品工程山西省重点实验室主任，主要从事煤/生物基原料的资源化利用、化学产品的开发和利用、新催化材料的设计与合成和系统集成方面的研究。相关的研究成果在Angew. Chem. Int. Ed.、Appl. Catal. B、AIChE Journal、ACS Catal.、Green Chem.等期刊发表学术论文百余篇，授权发明专利20余项。担任中国化工学会精细化工专业委员会委员、太原理工大学学术委员会委员。全国百篇优秀博士学位论文获得者、国家优秀青年基金获得者、山西省“青年三晋学者”、教育部新世纪优秀人才、山西省青年拔尖人才、山西省学术技术带头人、山西省高等学校中青年拔尖创新人才。

团队介绍：董晋湘教授研究团队目前现有教师7人，包括国家杰出青年基金获得者1人，国家优秀青年基金获得者2人，山西省三晋学者2人，山西省青年拔尖人才和优秀青年学术带头人2人，团队成员有6人入选山西省“三晋英才”支持计划。研究团队以国家和山西省重大需求为牵引，近年来承担了国家自然科学重点基金项目和国家优秀青年基金等20余项项目，主要的研究方向包括煤基资源的化学产品工程，气固、液固和多相界面化学与反应工程，相关的研究成果获国家技术发明二等奖1次，教育部和山西省科技奖励等4次。