润滑油分子科学概述之二性能保持剂

根据润滑油添加剂功能分类，可将添加剂分为流变改进剂、摩擦改善剂和性能保持剂。润滑油组分中具有通过防止润滑系统中的物质降解来实现保持物质（包括润滑剂和机械元件的材料）处于良好状态的添加剂统称为性能保持剂。本文从分子科学的角度论述各种性能保持剂如何在润滑油中发挥油品性能保持的作用，重点介绍抗氧剂、清净剂、分散剂、腐蚀抑制剂、防锈剂、抗泡剂、破乳剂等单剂的典型分子结构及作用机理，有助于从分子科学角度深入理解润滑油的作用机制。

摩擦学的研究对象——摩擦，是一个熵增的过程：这一过程产生热和磨损颗粒，伴随着机械能的损失。同时，摩擦也通常伴随着润滑剂的老化（润滑剂的老化指润滑剂和摩擦材料缓慢失效，导致润滑性能变差）。润滑油添加剂是润滑油的重要组成部分，能缓解润滑剂老化过程，它们的使用对于提升、保持油品性能具有重要意义。

根据功能，可将润滑油添加剂分为流变改进剂、摩擦改善剂和性能保持剂三大类。性能保持剂（Maintainers）是指通过防止润滑系统中的物质降解来保持物质（包括润滑剂和机械元件材料）处于良好状态的一类功能添加剂的统称。“性能保持剂”概念中“性能保持”体现的是对材料（其中既包含润滑剂，也包含机械元件的材料）相应功能的最大限度保持。性能保持剂能够最大限度地维持相应性能的稳定，有助于延长润滑系统的寿命，并且在某些情况下部分有助于提升润滑性能［1］。性能保持剂是添加剂家族中占比非常大的一类添加剂，它们种类多，作用广。性能保持剂可以减轻和缓解任何对润滑性能的负面影响。在大多数情况下，由于设备工作时内部和外部污染物在润滑系统中积聚，润滑剂和机械元件的老化过程被加速了。性能保持剂的作用方式可以是主动地发挥作用，也可以是被动地保持性能稳定。

上一期《润滑油分子科学概述之一——基础油与流变改进剂》一文中，重点从分子科学的角度介绍了润滑油基础油、基础油组分与添加剂组分的作用关系、流变改进剂等内容［2］。本文将继续从化学分子科学的视角，介绍具有保持润滑油性能稳定作用的性能保持剂，以及这类添加剂的组成和作用机制。

性能保持剂

根据添加剂的功能分类，抗氧剂、清净剂、分散剂、腐蚀抑制剂、防锈剂、抗泡剂、破乳剂等均可以称为性能保持剂。

抗氧剂

自发氧化是有机化合物在有氧条件下自发发生的氧化降解，无需任何活化处理，如试剂、催化剂或驱动力。大多数有机材料在老化过程中都会经历自发氧化反应，润滑剂也不例外［3，4］。目前公认的反应机理是自由基连锁反应机制。自由基连锁反应由热或紫外线照射引起的C-H键的断裂解离引发的。如图1所示，在不同摩擦化学条件下，自由基形成机制可分为以下3种：

◇热解离：碳氢键的热解离，产生氢自由基和碳自由基。

◇剪切应力：剪切应力可通过机械力直接分解C-C键，产生2个碳自由基中间体。通常聚合物添加剂通过这种机制分解。

◇活性金属：摩擦材料的磨损暴露了部分活性金属表面，可能会催化C-H键的解离。

在以上3种反应机制中，润滑系统中由剪切和活性金属表面引发的自发氧化反应是独特的。碳自由基可以与氧发生反应，生成过氧自由基，并进一步与另一种碳氢化合物分子发生反应（图2）。该反应可使碳自由基中间体和氧化分子再生。这一再生步骤是自由基链反应机制的特征。从理论上讲，自发氧化反应可以反复进行，直到碳自由基生成，烃类消耗殆尽。值得注意的是，即使是在机器设备停止的时候，自由基中间体可以与氧反应。因此，为了维持润滑剂化学结构和组成的稳定，自由基中间体一旦生成就应该被失活。

自由基清除剂可以使活性中间体失活，从而中断链式反应。屏蔽酚和芳胺型抗氧剂是常见的自由基清除剂，可以与活性中间体反应［5］。虽然有自由基清除剂的作用，但是一小部分的自由基能够与氧发生反应产生过氧化氢。也就是说，自由基清除剂在阻止自发氧化反应中的作用并不总是完美的。有机过氧化物对其他有机分子和金属材料具有很强的氧化性。芳香胺类化合物［6］、烷基硫化物［7］、二烷基二硫代磷酸锌（ZnDDP）［8］常被用于分解过氧自由基或过氧化物。过氧化物分解剂是一种主动抗氧剂，通过与氧发生反应使活性中间体失活。另一方面，自由基清除剂和金属减活剂是主动抗氧剂，在氧化前抑制反应发生。

文章来源：《分子科学学报》 网址: http://www.fzkxxbzz.cn/qikandaodu/2021/0707/1143.html