含氮硼酸酯在聚醚水溶液中的成膜性能

Film-forming Property of Polyether Aqueous Solutions withNitrogenous Boric Acid EsterGENG Ming ZHANG Chaohui LIU Sisi SUN Yuetao MING Eryang(School ofMechanical，Electronic and Control Engineering，Beijing Jiaotong University，Beijing 100044)Abstract：Nitrogen contained boric acid ester and polyether additive are al wel-performed water-based lubricant additives.The filmforming properties of the two additives mixed water-based lubricating fluid is not studied.Th e transparent aqueous solution is the1：1(m/m)mixture of laurie acid random copoly-ether(LPE)and boric acid triethanolamine(BN).The efect of concentration，loadand linear speed on the film-form ing property of the mixed polyether aqueous solution are analyzed by the nanometer scalelubrication film thickness gauge(NGY-6).Results of me tests show that film thickness of the water-based lubricant(5%，v/v'load100 N)iS 5.5 m ，and it Can bear the 1oad of 0.86 GPa.Th e film-forming property ofwater-based lubricants is afected by theconcentration，load and linear speed.W ith the increase in the lOad，the efect of linear speed on film.form ing property decreases。

Meanwhile，in the experiments，the chemical adsorption film is formed on the friction pair surfaces.Th e nanoscale film.form ingproperties ofthe lubricating film Can be widely applied in the field ofprecision instrumems。

Key words：Wlater-based lubrication Film-forming property Laurie acid random copoly.ether Boric acid triethan olamine0 前言硼酸酯类和聚醚类水基润滑添加剂因其 良好的性能得到广泛应用。RAO 等Ll J通过-系列不同金属成型加工过程中八种润滑液的摩擦性能测试试验，发现含硼酸润滑液与其他含石墨、油脂、聚四氟乙烯、油酸、二硫化钼润滑液，壳牌得力士液压油等七种润滑液相比，含硼酸类润滑液在卞拉伸和延展过程中表现出更好的减摩性能。硼酸酯类添加剂有很好的实际应用前景。聚醚从结构和组成上·2009教育部新世纪优秀人才支持计划资助项目(NCET-09-0211)。

20120426收到初稿，20121229收到修改稿分为全聚醚(具有各种环氧烷衍生物)、改性聚醚(如引入酯基或硅氧烷基)、聚醚混兑油2 (如聚醚/酯类油、聚醚/硅油)。国内外关于聚醚润滑剂的研究集中在聚醚型冷冻全损耗系统用油、油溶性聚醚、半合成润滑油等，但没有对水基全合成液进行研究。

很多聚醚型润滑剂在实际中有广泛的应用，如JMR聚醚润滑剂、SYT-2聚醚润滑剂。

硼酸酯是-种减摩抗磨，热稳定性高的环保型多功能添加剂；水溶性聚醚有极性，在大多数润滑状态下能形成稳定而且有吸附力和承载力的润滑膜，因此二者混合复配将是开发新型添加剂的方法之-。王永刚等p在苯并噻唑烷基二硫醚结构中引入硼酸酯官能团，得到-种含二硫代苯并噻唑基团机 械 工 程 学 报 第 49卷第 5期小，其膜厚度从大到小的质量比顺序为 1：1，1：2，4：l，9：l。刘书海[6对离子型 E离子型表面活性剂聚合物的水溶液成膜性能进行试验和机理分析；在混合表面活性剂的水溶液中，溶液成膜性能会降低，原因是离子型和非离子型表面活性剂分子问的相互作用促进混合胶束在固/液界面的形成。成膜性能的强弱与减摩抗磨性能并无绝对关系；但在-定范围内，成膜性能的降低反而能增强摩擦学综合性能[ 。

选取成膜性能最好的，质量配 比为 1：l的BN.LPE水溶液继续研究；分别考虑浓度、载荷、线速度等因素对 BN-LPE水溶液成膜性能的影响并作机理分析。

2.1 浓度对成膜性能的影响分别 以质 量浓度 为 5.0%，1.0%，0.5%的BN-LPE水溶液为例，在 10 N、50 N、100 N三种载荷下讨论不同浓度对成膜性能的影响，如图3～5所示。

量量酸线速度 v/(mm/s)图 3 不同质量浓度BN.LPE溶液 1O N载荷下成膜性能比较量E线速度 v/(mmls)图4 不同质量浓度BN-LPE溶液 50 N载荷下成膜性能比较图3中，10 N载荷下 1%的BN-LPE水溶液的成膜性能好于其他浓度溶液的成膜性能。如图4所示，BN.LPE水溶液在线速度小于200 mm/s时，0.5%水溶液的膜厚度大于 1%水溶液的膜厚度；当线速度超过 200舢[Il/s时，二者膜厚度相差很校如图 5所示，0.5%的水溶液在较高载荷 100 N下表现出更好的成膜性能。这是由于在 0.5%的BN.PE水溶液在固/液界面上形成化学吸附膜，此浓度更接近临界胶束浓度；1%，5%的 BN.LPE水溶液因含有更多的BN、PE而无法充分吸附到固/液界面上，再加上聚醚具有长支链，不容易通过球/盘接触区而堵塞其入口，减小溶液的流量，最终润滑膜厚度降低。

线速度 v/(mmls)图5 不同质量浓度 BN.LPE溶液 100 N载荷成膜性能比较在水溶液中聚合物和表面活性剂的相互作用有两种方式6：① 聚合物和表面活性剂发生强烈缔合；② 表面活性剂在聚合物链上或附近胶束化。表面活性剂分子在固/液界面附近容易形成新的聚合体，这些聚合体会改善水溶液的边界润滑性能。当溶液浓度达到临界胶束浓度后，表面活性剂单体活性度大致恒定，吸附趋于饱和。但是随着浓度的增加只会促进溶液中胶束的形成，并不会改变其吸附密度。这就是在 10 N，50 N载荷下三种浓度的膜厚度相差不大的原因，溶液浓度都达到临界胶束浓度。

但是在 100 N 载荷下三种浓度的膜厚度变化都不大，是因为BN和 LPE在较高载荷下发生摩擦化学反应并形成高强度化学吸附膜使得膜厚度变化不大。成膜性能还受到表面活性剂分子极性构成、支链数量和长度的影响L6J。

质量浓度为 5%，配比为 1：1的BN-LPE水溶液在较高载荷下膜厚度变化较小，这在精密仪器领域中有很大的应用。

2.2 载荷对成膜性能的影响分别以 1%和 5%的BN.LPE水溶液为例，讨论载荷对润滑液成膜性能的影响。膜厚曲线如图6和图7所示。

如图6所示，1%的 BN-LPE水溶液在 l0 N载荷下成膜性能更好；50 N和 100 N载荷下成膜性能相差不大。如图7所示，5%的 BN.LPE水溶液在三种载荷下膜厚度差距较大，但都在 5～l3 nra内2013年 3月 耿 明等：含氮硼酸酯在聚醚水溶液中的成膜性能LIGang，ZHANGChenhui，XU Hongyi，eta1.Thefilmbehaviors of grease in point contact during micro-oscillation[J].Tribology Letters，2010，38(3)：259·266。

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作者简介：耿明，男，1987年出生。主要从事水基金属加工液方面的研究。

E-mail.-geng51ing###163.com张朝辉(通信作者)，男，1972年出生，博士后，教授，博士研究生导师。

E-marl：zhhzhang###bjtu.edu.cn第2届上银优秀机械博士论文奖--优秀奖微分进化演算法于工程优化之应用博士：李国铭毕业学校：高雄第-科技大学指导教授：周至宏 刘东官 蔡进聪对于许多实际工程优化的问题，如果同时考虑作业环境的噪音和制造的变异，要获得精确的设计变数通常并不容易。

为了克服这-困难，本论文利用田口外直交表(Taguchi outer array)来考量具有设计允差(噪音)的设计变数，提出两个改进差分进化的方法解决混合离散连续与非线性，以及考虑设计变数允差的表面磨削优化的工程问题。本论文提出的第-种方法称为田口滑动模式微分进化方法(TSBDEA)，其中所谓的田口滑动水准方法(TSLM)系提供-个系统化的交叉(Crossover)运算，以取代传统微分进化算法的交叉操作。以 TSLM 为基础的交叉操作具有系统化的推理能力，利用滑动水准因子的影响，产生优秀的子代，再繁殖具有潜力的后代，有效提供多样化的子代，避免陷入局部最佳解；第二种方法命名为田口微分进化外阵列方法(TDEOA)，延续TSBDEA的方法，仿效外直交表存放噪音的方式，将设计变数的允差(容许变异)放置在外部阵列内，如此藉由 TSLM 滑动水准的多样性交叉运算、改良型微分进化快速稳健的收敛效能以及田口方法具有局部优化解的稳健品质特性，得以求出适应环境噪音、容许设计允差的强健设计变数值。同时，本论文导入-估测设计变数可靠度的方式，在-般加工状态或是不可预期干扰的环境下，或是在容许设计允差设定下，TDEOA的方法都被验证其保有稳健的可靠性。本论文中应用不同的工程优化问题，结果显示本论文改良型的微分演算方法同时具有全域优化解的演算能力，以及强健的可靠度。