第 1 章 绪论
1.1 前言
现代家庭生活和工业生产都离不开自动化与机械化，在机械设备中，只要是相互接触并且产生相对运动的部件表面都会存在摩擦现象，而长时间的摩擦会使部件产生磨损，从而导致零件的损坏。在现实生活、生产中摩擦磨损现象随处可见，与人们的生活息息相关，有数据显示，部件间的摩擦使世界上三分之一以上的一次能源被白白消耗掉。作为机械设备与材料失效的三大主要原因之一，磨损导致了世界上百分之六十以上的机械材料的消耗[1]。因此，研究摩擦学，降低摩擦、磨损带来的损失，就显得尤为重要。润滑可以降低两个相对运动的机件间因接触产生的摩擦和磨损。润滑油是现代工业中应用最为广泛的润滑剂之一，其中矿物油基润滑油的用量占总用量的 95%以上[2]，它能够对机械设备起到润滑、减摩、清洁、密封、冷却、防蚀、防锈等作用。在机械动力系统中，如果把动力的运转设备比作机械动力心脏的话，那么润滑油就是机械动力的血液，机械的生命就是靠润滑油对设备各摩擦部位的润滑来维护的。但是在使用过程中润滑油除一部分是由机械正常消耗掉外，其余部分由于渗透、溢出、泄漏和处理不当都直接或间接流入土壤、江河和湖泊中，通过扩散、溶解、乳化、吸附等方式残留在土壤、水体或水体沉积物中，对自然环境和人类造成危害。其次润滑油因添加剂分解、介质磨损产生的砷、钡、铅、锌、镍等重金属也会累积在水土环境中，严重加剧了润滑油对水土环境的污染[3-4]。随着机械工业的发展与进步，环保意识的不断增强，人们对润滑油产品的质量提出了严苛的要求。因此，有关学者在研究可生物降解且生态毒性小的基础油取代传统的矿物油的同时，也积极探索研究环境友好型润滑剂添加剂。目前矿物油基润滑剂仍垄断着润滑剂市场，但由于其生物降解性差，环境污染严重，加上其资源的不可再生，必将被环境友好润滑剂取代。
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1.2 润滑油污染事例介绍
机械化的普及促进了润滑油产业的快速发展，据调查，在 2013 年 3950 万吨的基础上，虽然全球年均润滑油（包括加工油）需求增长率预计会减至 1.4%或更低，但是到 2023 年全球润滑油需求量仍将达到 4550 万吨[5]。在生产、加工、储运、使用过程中，部分润滑油因渗透、溢出、泄漏和操作不当等因素进入食品、土壤或水体中。以下将从三个方面介绍润滑油的污染。其一、润滑油对食品的污染。食品机械的正常运转离不开润滑油，在水产加工品、乳制品、豆制品、酒类等食品工业中都有相应的食品机械加工设备，图 1-1 示出了两种易造成食品污染的机械设备。随着食品加工业日益趋于自动化和机械化，各种各样的机械设备被广泛的应用在食品生产、包装、加工等方面，所耗用的机械润滑油数量也日益增多，在使用过程中很难避免对食品产生不同程度的污染，但是润滑油是食品机械设备正常运行的必需品，所以其在食品安全控制方面显得非常特殊和重要。2011 年九阳豆浆机被曝光使用工业润滑油，豆浆机在运转过程中，润滑油会受热挥发成气体，这些气体与食品接触，会造成食品污染，进而影响人体健康，此事件将食品机械润滑油的使用推至风口浪尖上。因此，为了控制润滑油对食品造成较少污染，要求食品机械润滑油不含致畸、致癌、致遗传变异物质、不含重金属、不含致病微生物等[6,7]。
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第 2 章 试验设备与方法
2.1 试验用基础油、基础脂、添加剂
2.1.1 基础油
目前，可用作绿色润滑油的基础油主要是植物油和合成酯。图 2-1 为各种天然植物油与矿物油、白油和合成酯的生物降解性的比较。从图 2-1 中可以看出：植物油的生物降解性最好，降解率能达到 90%以上，合成酯的降解率次之，降解率范围为 70%-90%。矿物油和白油的生物降解性最差[59]。基于此，本文选用合成酯作为基础油。本文选用聚四氟乙烯（PTFE）润滑脂作为基础脂，其制备过程为：以 PAO为基础油，PTFE 为稠化剂，丙酮为分散剂，将基础油 PAO 和 PTFE 粉末按 7:3的比例混合，常温搅拌 60min，向其中加入少量丙酮，使其分散均匀，然后升温至 80℃并且维持 30-60min，待丙酮充分挥发后将反应物冷却至室温，并在三辊研磨机上研磨三遍，即得所需的基础脂。
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2.2 叶表蜡质的提取
为了保证蜡质提取物的纯度，提取植物叶表蜡质前，所有工具应用丙酮擦拭，以防其他有机物的存在。提取步骤如下：（1）将植物叶片表面的污垢用清水反复冲洗干净，但要尽量减少对表面蜡质层的损伤；（2）将清洗后的叶片放在自然环境中，待表面水分蒸发完毕；（3）将表面水分蒸发完毕后的叶片放入有机溶剂（石油醚、汽油、氯仿等）中浸泡 10-60s；（4）提取完成后，用滤纸过滤，将其放在通风厨内，溶剂挥发完后析出的固体物质即为所需的添加剂。
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2.3 润滑剂的配制
配制润滑剂前将所有容器和试件在丙酮或石油醚溶剂中超声清洗 10 分钟，然后分别配制质量分数为 0.5%、1%、2%的植物叶表蜡质作添加剂的润滑油，以探究其在不同载荷、不同摩擦副下的摩擦学性能。作为对比，我们还配制了 0.5%、1%、2%的丙三醇和油酸作添加剂的润滑油。在机械设备中，除了润滑油可以作为润滑剂外，还有润滑脂，所以本文还以聚四氟乙烯脂为基础脂，以沙冬青叶表蜡质、银杏叶表蜡质、爬地柏叶表蜡质为添加剂，配制了质量分数为 1%、2%、3%的润滑脂，以探究其在不同载荷、不同摩擦副下的摩擦学性能。
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第 3 章 乔木类植物叶表蜡质作润滑油添加剂的摩擦学性能 ...........19
3.1 概述 .....19
3.2 乔木类植物叶表蜡质成分分析 ...........19
3.3 钢-铝摩擦副下乔木类植物叶表蜡质的摩擦学性能 ........21
3.4 钢-钢摩擦副下乔木类植物叶表蜡质的摩擦学性能 ........22
3.4.1 添加剂含量对摩擦学性能的影响...........22
3.4.2 载荷对摩擦学性能的影响.............23
3.5 磨痕表面形貌分析 ...........23
3.6 润滑机理分析 .........24
3.7 本章小结 .......26
第 4 章 灌木类植物叶表蜡质作润滑油添加剂的摩擦学性能 ...........28
4.1 概述 .....28
4.2 灌木类植物叶表蜡质成分分析 ...........28
4.3 灌木类植物叶表蜡质在钢-铝摩擦副下的摩擦学性能 ....30
4.4 灌木类植物叶表蜡质在钢-钢摩擦副下的摩擦学性能 ....32
4.5 磨痕表面形貌分析 ...........33
4.6 润滑机理分析 .........34
4.7 本章小结 .......36
第 5 章 植物叶表蜡质作润滑脂添加剂的摩擦学性能 .............38
5.1 概述 .....38
5.2 植物叶表蜡质在钢-铝摩擦副下的摩擦学性能 ......38
5.3 植物叶表蜡质在钢-钢摩擦副下的摩擦学性能 ......39
5.4 磨痕表面形貌分析 ...........41
5.5 本章小结 .......42
第 5 章 植物叶表蜡质作润滑脂添加剂的摩擦学性能
5.1 概述
通过试验前文已经证明植物叶表蜡质作为润滑油添加剂表现出了优异的减摩抗磨性能，但根据用途工业润滑剂可分为润滑油和润滑脂，在实际工业中润滑脂应用广泛，所以为了更好的了解植物叶表蜡质的摩擦学性能，本章以沙冬青、银杏和爬地柏叶表蜡质为添加剂，聚四氟乙烯润滑脂作基础脂，以探究植物叶表蜡质作为润滑脂添加剂在不同载荷不同质量分数不同摩擦副下的摩擦学性能。根据以上所选材料配制了 4 种润滑脂：聚四氟乙烯基础脂（PTFE）；沙冬青叶表蜡质作添加剂（PTFE+Am）；银杏叶表蜡质作添加剂（PTFE+Gb）；爬地柏叶表蜡质作添加剂（PTFE+Sp）。试验过程中为了保证试验数据的准确性，本章试验遵循单一变量原则。如图 5-1 所示是在润滑脂含有不同质量分数添加剂时，钢-铝摩擦副在载荷为 40N，频率 5Hz 下的平均摩擦系数和磨痕宽度。从图 5-1 可以看出，加入三种植物叶表蜡质添加剂后平均摩擦系数和磨痕宽度均有所减小，说明其在钢-铝摩擦副下具有优异的减摩抗磨性能，其中减摩效果顺序为：爬地柏<沙冬青<银杏，抗磨效果顺序为：沙冬青<爬地柏<银杏。但从平均摩擦系数和磨痕宽度数据对比发现，三种植物叶表添加剂的减摩抗磨性优劣并不完全一致，其中银杏叶表蜡质作添加剂无论是减摩性能和抗磨性能都要优于沙冬青和爬地柏叶表蜡质作添加剂，但是沙冬青叶表蜡质作添加剂的减摩性能和爬地柏叶表蜡质作添加剂相差不大，但后者的抗磨性则远远优于前者。结合图中数据，我们可以得出结论，在钢-铝摩擦副下，银杏叶表蜡质作添加剂不论是摩擦系数平均值，还是磨痕宽度，在三种添加剂中都表现突出，是一种优异的植物添加剂。
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结论
本文提取了 6 种植物叶表蜡质，并用 GC-MS 对植物叶表蜡质成分进行了鉴定和分析，确定了其主要成分及含量，将其作为润滑油和润滑脂的添加剂，考察了不同质量分数添加剂在不同载荷、不同摩擦副下的摩擦学性能，通过扫描电子显微镜观察磨痕表面形貌，使用飞行时间二次离子质谱（TOF-SIMS）探究植物叶表蜡质作为添加剂的润滑机理，并通过 ANSYS 软件仿真模拟出了球盘接触的应力情况。主要得到以下结论：
1、通过 GC-MS 分析了 6 种植物叶表蜡质的主要成分，在植物叶表蜡质提取物中发现了大量的脂肪醇及微量脂肪酸和酯等，其中银杏叶表蜡质中醇类有机物的含量约为 51.47%。
2、钢-铝摩擦副下，银杏、爬地柏、圆柏、卫矛冬青叶表蜡质作为润滑油添加剂表现出了优良的减摩抗磨性能，减摩抗磨性能比基础油有极大提高，其中与基础油相比较，0.5%的银杏叶表蜡质试验后平均摩擦系数减小了 48.8%，1.0%的卫矛冬青叶表蜡质试验后磨痕宽度相比于基础油减小了 15.7%；钢-钢摩擦副下，银杏、爬地柏、卫矛冬青叶表蜡质同样具有优异的减摩抗磨性。沙冬青叶表蜡质无论在钢-铝摩擦副还是在钢-钢摩擦副下都表现出优异的减摩性能，但是抗磨性能一般。
3、银杏、沙冬青和爬地柏叶表蜡质作为润滑脂添加剂在钢-铝摩擦副下表现出了优异的减摩抗磨性能。在钢-钢摩擦副下，3 种植物添加剂均表现出优异的减摩性能，但是磨痕宽度相较于基础脂变化不大，表明其抗磨性能一般。无论是钢-铝摩擦副还是钢-钢摩擦副，3 种植物添加剂中银杏叶表蜡质表现出相对优异的性能。
4、对铝块磨痕表面进行 TOF-SIMS 分析，摩擦过程中由于基础油和植物叶表蜡质受热分解，磨损表面附着着大量的阴离子和铝离子，碳数不等的含氧阴离子可以和铝离子发生反应，在滑动面形成一层摩擦化学反应膜，起到提高润滑油摩擦学性能的目的。
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参考文献（略）