酰胺型润滑剂极性片段在铁表面的吸附作用

针对深井、超深井、大位移井和水平井等复杂境况带来的高温、高摩阻环境，利用DFT模拟了油酸酰胺亲水链段中伯胺基、仲胺基、酰胺基和羟基等极性片段在铁（001）表面的吸附作用力，进一步探究油酸酰胺类润滑剂在铁表面的吸附润滑机理。结果表明，酰胺基、伯胺基、羟基在Fe(001)面上的桥位产生稳定吸附，仲胺基在Fe(001)面上顶位产生最稳定吸附，吸附能从大到小依次为伯胺基、仲胺基、羟基、酰胺基。布居数分析结果表明，4种极性基团在吸附过程中轨道布居数均发生变化，从Fe(001)面得到电子，其中仲胺基得到0.16e电子，伯胺基和酰胺基得到0.09e电子，羟基得到电子数最少，为0.08e。态密度分析结果表明，仲胺基和伯胺基中N原子的2p轨道与铁原子的3p、4s轨道间有态密度重叠，存在化学成键作用。在极压润滑测试和四球摩擦实验中，油酸二乙烯三胺的润滑系数降低率为83.6%，高于油酸二乙醇酰胺的78.2%；摩斑半径为287.184μm，小于油酸二乙醇酰胺的摩斑半径，表明含有胺基与酰胺基的润滑材料润滑性能优于含有羟基的表面活性剂。     

润滑剂基础油在钻具表面吸附模拟

采用分子模拟方法考察了3种润滑剂基础油在铁钻具表面的吸附行为。蒙特卡洛模拟结果表明:甘油三C18脂肪酸酯具有空间变形能力,在铁表面吸附能为-48.7352 kJ·mol-1,吸附能为正构C18和C18脂肪酸甲酯两倍左右。动力学模拟结果表明:正构C18和C18脂肪酸甲酯在铁表面形成单分子层结构,油膜厚度约为0.35 nm;甘油三C18脂肪酸酯在铁表面吸附油膜厚度为1.5 nm左右。甘油三C18脂肪酸酯在铁钻具表面吸附能强,形成油膜厚,润滑能力优于正构C18和C18脂肪酸甲酯。      

环氧油酸甲酯润滑添加剂的摩擦学性能研究

对油酸甲酯进行化学改性,研制了一种新型环境友好润滑添加剂-环氧油酸甲酯(EOME),用红外光谱对其主要官能团进行了鉴定。分别通过四球和SRV摩擦磨损试验机考察了以菜籽油为基础油,以EOME为添加剂时对钢-钢摩擦副和钢-铝摩擦副抗磨减摩性能的影响,用扫描电子显微镜观察分析铝合金磨斑表面的形貌,同时通过对铝合金磨痕进行X射线光电子能谱和扫描电子探针分析,探讨了环氧油酸甲酯润滑添加剂的抗磨减摩机理。结果表明:环氧油酸甲酯润滑添加剂在菜籽油中具有优良的极压抗磨和减摩性能;其润滑作用机理是由于长链脂肪酸酯极性分子在摩擦表面吸附或发生摩擦化学反应形成了摩擦聚酯膜、氧化物膜或金属皂共同组成的起抗磨作用的润滑膜。     

摩擦改进剂减摩作用的分子模拟研究

采用分子动力学（MD）和基于密度泛函理论（DFT）的量子化学方法,以油酸、油酸酰胺和二十四烷基环己烷为模型化合物,研究了3种分子与Fe〖DK〗(110)表面的物理/化学吸附作用和分子内聚能,分析了温度对吸附膜稳定性的影响。结果表明,油酸和油酸酰胺与Fe〖DK〗(110)表面通过范德华作用发生物理吸附,分子内通过范德华作用、静电作用和氢键作用结合,物理吸附能远大于分子内聚能,使它们能形成稳定的吸附膜。油酸和油酸酰胺的吸附能和内聚能均比环烷烃分子的高,因此在不同温度下能够形成更稳定的吸附膜。同时,酸和酰胺分子中的OC=O通过向Fe〖DK〗(110)表面提供电子发生化学吸附作用,而烃分子不会发生化学吸附,使油酸和油酸酰胺形成的吸附膜更加稳定。温度升高,分子的动能增加,不利于吸附过程的发生,会使吸附膜的稳定性下降,减摩作用减弱;同一温度下,环烷烃的动能比油酸和油酸酰胺的大,这也是油酸和油酸酰胺形成的吸附膜更加稳定的一个原因。     

铝合金切削液的研制

以铝合金6306和铝合金LY12CZ作为研究对象,以硼酸酯为润滑剂,以咪唑啉酰胺、油酸三乙醇胺和CHB为防锈剂与表面活性剂复配进行正交实验,制成了一种无毒、无污染、防锈润滑效果优良的新型环保型水基金属切削液,其中含硼酸酯0.45%、油酸三乙醇胺0.1%、咪唑啉酰胺0.7%、CHB 0.1%、平平加0.7%、硼砂适量、苯甲酸钠适量,其中油酸三乙醇胺具有润滑、防锈和表面活性剂等多种作用。该金属切削液按照GB 6144-2010进行性能检测,各项指标合格,具有良好的应用前景。     

甲基二乙醇胺脂肪酸酯提高矿物基础油的生物降解性和摩擦学性能

制备了甲基二乙醇胺正辛酸酯和甲基二乙醇胺油酸酯，采用润滑剂生物降解快速测定仪和四球试验机分别研究了这两种甲基二乙醇胺脂肪酸酯对400SN矿物基础油生物降性和摩擦学性能的影响，试验结果表明甲基二乙醇胺正辛酸酯和甲基二乙醇胺油酸酯明显促进了基础油的生物降解，提高了基础油的摩擦学性能。利用扫描电子显微镜（SEM）、能谱仪（EDS）和X射线光电子能谱（XPS）分析了磨斑的表面形貌及元素的化学状态，试验结果表明这两种甲基二乙醇胺脂肪酸酯在磨斑表面形成了由吸附膜和摩擦化学反应产生的Fe2O3 ，Fe3O4及含氮化合物的化学反应膜组成的复杂的边界润滑膜，从而提高了基础油的抗磨减摩性能。     

低硫柴油润滑性的分子动力学模拟

针对低硫柴油存在的润滑性问题,采用分子动力学(MD)模拟方法研究了低硫柴油(以正十六烷为模拟组分)在Fe (001)表面间的吸附润滑机理。结果表明,剪切速率低于20 m/s时,正十六烷润滑膜处于稳定工作状态,润滑膜的剪切应力以及润滑膜在铁表面间的吸附能和膜的内聚能都不受剪切速率的影响,整个润滑膜的温度也可维持在相对较低的水平。在剪切速率高于20 m/s时,随着剪切速率的增加,润滑膜的剪切应力线性增加,吸附能和内聚能都降低,同时润滑膜内部的温度急剧上升,开始出现温度失稳现象。由于吸附作用,正十六烷润滑膜在铁表面间呈对称波动分布的层状结构;按质量分数分布可分为类固态区和液态区,对应的速率分布则为扰动区和静流区。当剪切速率达到100 m/s时,正十六烷润滑膜发生了非常强烈的层间滑移,此时润滑膜处于润滑失效的状态。这些结论有助于从微观上理解低硫柴油的润滑性问题。     

界面修饰提高富有机质页岩裂缝摩擦系数机理

裂缝摩擦系数降低是导致页岩井壁失稳的重要因素，而表面润湿性对材料的摩擦行为有着显著的影响。为此，采用界面修饰手段来改变岩石润湿性，利用自制的COF-1型摩擦系数测试仪，开展了润湿接触角、摩擦系数的测试及微观扫描。实验结果表明：①阳离子氟表面活性剂（FW-134）修饰后的页岩的疏水、疏油性都增强，且疏油性更加显著，水相接触角平均增大56%，油相接触角平均增大559%；②界面修饰后富有机质页岩裂缝摩擦系数呈现增大的趋势，3%KCl盐水润湿下的裂缝摩擦系数增大5%，而白油润湿下裂缝摩擦系数增幅为25%。结论认为，阳离子氟表面活性剂在页岩表面吸附后，摩擦面间润滑膜变薄，页岩表面的粗糙度增大，页岩裂缝面可保持较大的摩擦系数，更利于井壁稳定；界面修饰后岩样的疏水、疏油性增强，接触界面间不能形成均匀的润滑膜，岩石润滑方式由混合润滑向边界润滑转变，会产生高的干摩擦状态。其研究结果对优化富有机质页岩气井防塌钻井液体系具有重要意义。     

硫-磷系极压抗磨剂与酯类油性剂的反应活性计算与摩擦学性能研究

依据密度泛函理论，对硫磷系极压抗磨剂（简称极压剂）与酯类油性剂进行几何结构优化，计算其结构的全局、局部反应活性位点和量子化学参数等；并将这两类添加剂加入到乳化液中，采用四球试验考察其摩擦学性能，利用扫描电子显微镜（SEM）和能量色散光谱（EDS）仪表征四球试验钢球表面的磨斑形态和元素分布。结果表明：极压剂分子的反应活性位点主要分布在S、Zn等极性原子上；添加极压剂二烷基二硫代磷酸锌（ZDDP）、油性剂油酸乙酯（EO）和防锈剂苯并三氮唑（BTA）的乳化液具有优异的极压抗磨性能，其最大无卡咬负荷达到1403N，摩擦因数为0.029，钢球磨斑直径仅为0.69mm，极压抗磨润滑系数为11.16。     

油基泡沫钻井流体稳定机理研究

采用表面张力、黏度、界面膜流变性能、分子模拟等方法研究了不同类型表面活性剂在空气/白油表面的吸附行为和界面层的性质,通过对泡沫表观性能、液膜流变性质、微观分子模拟等研究结果的关联分析,讨论了油基泡沫的稳定机理。研究结果表明,椰油二乙醇酰胺、司盘80、长链烷基苯磺酸(C20-24)以反胶束的形式吸附在界面下层,很难有效降低表面张力,只能在外力的作用下形成瞬态泡沫;氟表面活性剂和自制的SH-OF-1在泡沫形成时可以吸附到表面定向排列,降低表面张力,形成相对稳定的泡沫;氟表面活性剂泡沫液膜呈现出较高的弹性性质,表面黏性不够,使得其抗扰动能力稍差,而SH-OF-1由于同时具有黏弹性能,因而表现出更好的泡沫稳定性。     

含氮、氧改性菜籽油润滑添加剂对钢-钢摩擦副和钢-铝摩擦副摩擦学性能的影响

对菜籽油进行化学改性制备了一类氮氧型改性菜籽油添加剂（NOR），并利用红外光谱对其主要官能团进行鉴定。分别通过四球和SRV摩擦磨损试验机考察了以菜籽油为基础油，以NOR为添加剂时对钢-钢摩擦副和钢-铝摩擦副抗磨减摩性能的影响，用扫描电子显微镜观察分析钢球磨斑表面的形貌，同时通过对铝合金磨痕进行X射线光电子能谱分析，探讨了氮氧型改性菜籽油润滑添加剂的抗磨减摩机理。结果表明：以氮氧型改性菜籽油为添加剂，以菜籽油为基础油时，钢-钢摩擦副和钢-铝摩擦副均表现出良好的抗磨减摩作用，其润滑作用机理是由于长链菜籽油分子的载体作用、氮的高反应活性以及二者的协同作用在金属摩擦表面形成了含氮、氧及碳等元素的表面保护膜。     

柴油抗磨剂分子的极性基团对其抗磨性能的影响

多种脂肪酸及其酯类衍生物抗磨性能的评价数据显示影响其抗磨性能的关键因素是抗磨剂分子极性基团的结构;采用分子模拟方法,揭示了摩擦过程中抗磨剂分子极性基团结构对其物理吸附能、化学吸附能、分子间的相互作用能及其抗磨性能的影响,结果表明同时增强抗磨剂分子在摩擦表面的吸附能力以及抗磨剂分子间结合能力,有利于增强润滑膜的吸附稳定性以及结构稳定性,进而有利于提升抗磨剂的抗磨性能;在抗磨剂分子极性基团附近引入-OH等体积较小的极性基团,可起到增强抗磨剂分子吸附能力以及分子间结合能力的作用;相关抗磨性能评价数据表明引入-OH使抗磨剂的抗磨性能显著提升,与理论研究结果一致。     

脂肪酸甲酯型含氮硼酸酯的合成及摩擦学性能研究

以脂肪酸甲酯为原料合成了一种新型含氮硼酸酯添加剂。通过红外对所合成添加剂进行了表征,采用四球摩擦试验仪考察了其在不同基础油中的摩擦学性能,同时考察了摩擦时间、载荷对菜籽油磨斑直径(WSD)的影响,并用扫描电子显微镜(SEM)和能谱仪(EDS)分析了含氮硼酸酯添加剂对钢球摩擦表面膜的组成和化学状态的影响。结果表明：含氮硼酸酯添加剂具有良好的极压抗磨效果。在钢球磨损表面发现含有硼元素,表明在摩擦过程中,通过物理吸附和化学反应在摩擦表面生成了含硼的润滑膜,起到了极压抗磨的作用。     

白云母和高岭土作聚四氟乙烯润滑脂添加剂的摩擦学性能

制备了油酸改性的白云母和高岭土，并将其用作聚四氟乙烯润滑脂添加剂；利用红外光谱（IR）表征改性前后白云母和高岭土；用体积电阻率测定仪、扫描电子显微镜（SEM）、载流往复式摩擦磨损试验机测试了添加白云母或高岭土的聚四氟乙烯润滑脂的体积电阻率、摩擦表面形貌、摩擦磨损性能。结果表明：油酸改性白云母的减摩性能最优，而油酸改性高岭土的抗磨性能最佳；载流条件下，油酸改性高岭土添加剂的润滑和绝缘综合性能最优，同时具有最大的接触电阻。     

单环咪唑啉结构对缓蚀性能的影响

 以有机酸或脂肪酸甲酯和二乙烯三胺或三乙烯四胺、四乙烯五胺为原料、甲苯为携水剂,制备了一系列单环咪唑啉类缓蚀剂;采用静态失重法考察了单环咪唑啉分子中的亲水基团结构、疏水基团结构对单环咪唑啉类缓蚀剂缓蚀性能的影响。结果表明,咪唑啉分子中亲水基团碳链变长、氮原子个数增加,缓蚀剂对A3碳钢的缓蚀率增加;分子中疏水基团碳链变短时, 对A3碳钢的缓蚀率降低, 当碳原子个数少于12时,缓蚀率明显降低;疏水基团为体积较大的脂环基团时或混合的脂肪酸基团,该缓蚀剂都有很强的缓蚀作用,且能有效抑制氢鼓泡。油酸与四乙烯五胺合成的油酸基单环咪唑啉用量为6mg/L时, 对A3碳钢的缓蚀率可达99%,环烷酸与四乙烯五胺合成的环烷基单环咪唑啉用量为4 mg/L时, 对A3碳钢的缓蚀率可达98%;混合脂肪酸甲酯与四乙烯五胺合成的脂肪酸基单环咪唑啉用量为6 mg/L时,对A3碳钢的缓蚀率可达97%以上,且都具有很好的抑制氢鼓泡性能。     

硼化蓖麻油润滑添加剂对钢-钢和钢-镁摩擦副摩擦学性能的影响

在蓖麻油(CO)分子中引入硼,制备了一种新型环境友好润滑添加剂(BCO),并利用红外光谱对其主要官能团进行表征。通过四球和SRV摩擦磨损试验机考察了以菜籽油为基础油、以BCO为添加剂时对钢-钢摩擦副和钢-镁摩擦副抗磨减摩性能的影响;用扫描电子显微镜观察分析钢球磨斑表面的形貌,同时通过对镁合金磨痕进行X射线光电子能谱分析,探讨了BCO添加剂的抗磨减摩机理。结果表明,BCO添加剂在菜籽油中具有优良的极压抗磨和减摩性能;其润滑作用机理是由于长链蓖麻油分子的载体作用、硼的缺电子性以及二者的协同作用与摩擦金属表面形成了一层高强度的吸附膜和/或摩擦化学反应膜。     

硼氮型改性蓖麻油润滑添加剂的摩擦学性能

在蓖麻油中引入硼、氮、合成了新型润滑油添加剂－－硼氮型改性蓖麻油润滑添加剂，并利用红外光谱对其主要官能进行了鉴定。通过四球试验机考察了它在菜籽油和水中的抗磨性能与极压性能，结果表明：硼氮型改性蓖麻油添加剂具有明显的减摩、抗磨和极压性能。其润滑作用机理是由于长链蓖麻油分子的载体作用、硼的缺电子、氮的反应活性以及三者的协同作用与摩擦金属表面形成了一层高强度的吸附膜和／或摩擦化学反应膜。     

聚苯胺锂基润滑脂载流润滑下的摩擦学性能

制备了导电聚苯胺锂基润滑脂（简称PANI脂）和铜基银镀层材料（简称银层材料）。采用摩擦磨损试验机考察在无载流、载流及边界润滑条件下，铜基体材料（简称铜基材料）和银层材料的摩擦磨损性能。采用X射线衍射（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）和电子能谱（EDS）对银层材料晶相及其表面磨斑形貌进行表征。结果表明，载流条件下，PANI脂润滑试验时的银层材料不仅具有良好的减摩抗磨性能，而且导电能力更强，其优异的减摩和抗磨性能归功于摩擦表面的保护膜和电流热效应引起的表面软化双重作用。