具有环形支链结构的硅氧烷牵引流体及使用方法
【专利说明】具有环形支链结构的硅氧烷牵引流体及使用方法
[0001] 本公开整体涉及用于在两个机械表面相对于彼此移动时增大这两个表面之间的 界面摩擦的牵引流体。更具体地讲，本公开涉及包含聚硅氧烷基础油的牵引流体，该聚硅氧 烷基础油具有烷基官能团和选自芳基、二芳基、环烷基或二环烷基官能团的至少一种的组 合。本公开还涉及所述聚硅氧烷基础油的用途，以及聚（烷基芳基）硅氧烷基础油作为牵 引流体的用途。
[0002] 本节中的陈述仅提供与本公开有关的背景信息，并且可能并不构成现有技术。
[0003] 牵引传动件诸如无级变速器（CVT)已经发展了几十年，从而在现代应用中产生了 一系列构造。许多工业、汽车和航空航天公司已研宄了其产品线的不同类型的牵引传动件 以提高效率并减少传动部件。已通过在恒定的发动机速度下以最大的功率或效率运行测试 了牵引传动件（诸如CVT)在各种发动机应用中改善车辆性能及延长发动机寿命的潜力。然 而，在汽车应用中安装启用牵引传动件受挥之不去的功能和资金挑战（包括部件重量、耐 久性和成本）的困扰。
[0004] 牵引传动件（诸如环面、锥形或行星式CVT)用于在不使用齿轮的情况下从一个机 件到另一个机件传递扭矩或有效传递力。牵引传动件通常通过点接触或线接触而不是离合 器和制动器特有的较大表面积来转移力。牵引传动件所需的流体不同于更一般的润滑界 面，因为需要这些流体增大传动部件与从动部件之间的界面摩擦同时维持良好的表面保护 和低磨损。牵引传动件的极压和剪切条件可使牵引流体经受可通过引起分子分解而降低其 有效性的剪切应力。
[0005] 弹性流体动力学（EHD)摩擦yEHD(也称为牵引）是牵引流体中的关键性能参数。成 功的牵引流体应当具有比普通润滑剂更高的EHD摩擦，同时在低温下维持足够低的粘度以 允许其在启动期间循环，以及在高温下维持足够高的粘度以支持完全预热时的设计负荷。 额外的要求包括对接触的金属表面的化学惰性、适当的润滑特性和热耗散。
[0006] 已测试了烃基流体（包括脂族烃、环烷烃和环烷基支链烃结构）的牵引性能。还 已评价了各种天然种子油（包括橄榄油、芝麻油、菜籽油和大豆油）的成膜和牵引性能。还 已研宄了若干合成润滑剂（包括硅烃、硅氧烷和全氟化聚烷基醚）以检测其摩擦学性能。
[0007] 硅氧烷基聚合物具有硅-氧主链而不是存在于烃中的碳-碳主链。已表明，硅氧 烷比许多烃聚合物具有更高的氧化稳定性和更低的粘度-温度依赖性。此外，硅氧烷分子 比相应的烃更柔韧，因为它们相对于围绕主链结构的链旋转表现出更低的空间位阻。这种 低空间位阻归因于多种因素，包括更长的Si-o键（0. 164nm，相比之下C-C为0. 153nm)、氧 原子不受侧基的阻碍以及更大的Si-0-Si键角（约143°，相比之下C-C-C为约110° )。 硅氧烷增强的柔韧性允许增加的紧凑性、更低的熔融温度和更低的玻璃化转变温度。
[0008] 称为"分子切断"的永久性粘度破坏当聚合物在摩擦接触中因高剪切应力而机械 分解成更短-更低质量的片段时发生。摩擦接触包括润滑剂与机件中的第一表面的界面、 流体润滑剂膜和润滑剂与机件中的第二表面的界面，以使得剪切应力主要出现在润滑剂膜 内并以较低的程度出现在机件/润滑剂界面处。通常要求工业润滑剂通过严格的剪切测试 诸如剪切稳定性指数（PSSI)以确认其永久性剪切稳定性。已知硅氧烷比竞争性烃更耐永 久性粘度破坏。事实上，聚硅氧烷具有比有机聚合物大数量级的永久性剪切阈值。可能的 是，硅氧烷的氧化稳定性和强Si-0键还可以改善其耐分子分解性。
[0009] 硅氧烷通常衍生于硅与氯甲烷反应产生二甲基二氯硅烷，然后与水混合产生硅 烷醇，再进行聚合。常规硅氧烷聚合物的一个例子是如结构S-I所示的聚二甲基硅氧烷 (PDMS)。PDMS由交替的硅和氧原子的主链与键合到硅原子的甲基基团构成。已知PDMS提 供不良的界面润滑特性。然而，用其他基团诸如苯基基团替换甲基基团，如以结构S-II针 对聚（苯基甲基二甲基）硅氧烷（PPMS)所示，可导致边界摩擦和磨损的减少。聚（苯基甲 基二甲基）硅氧烷（PPMS)用苯基甲基D单元替换一些二甲基D单元（如下文和本文进一 步定义）并通过二甲基二氯硅烷和甲基苯基二氯硅烷的水解然后聚合而制备。这样的替换 还将导致在以足够的量使用时硅氧烷聚合物分子刚性的增加。PPMS表现出增强的耐磨性和 氧化稳定性，但也表现出分子柔韧性的降低。
【发明内容】
[0011] 本公开整体提供牵引流体和所述牵引流体用于在两个机械表面相对于彼此移动 时增大这两个表面之间的界面摩擦的用途。根据本公开的一个方面，该牵引流体包含对应 于以下结构式的聚硅氧烷基础油：
[0013] 其中对R和R'独立地选择，以使得R为具有1-3个碳原子的烷基基团；R'为具有 5-20个碳原子的环烷基或二环烷基基团；m为整数，并且n为整数或0,而5〈 (m+n)〈100且 0. 50〈m/(m+n)〈1.00。或者，R为甲基基团并且R'为环己基或环戊基基团。
[0014] 牵引流体还可以包含作为以下群组中的一者而选择的至少一种功能添加剂：极压 添加剂、抗磨损添加剂、抗氧化剂和腐蚀抑制剂。该牵引流体还可以包含一种或多种具有15 与500之间的聚合度的相容基础油；该相容基础油被选择为具有5与30重量％之间的苯基 甲基D单元含量的聚二甲基硅氧烷或聚（苯基甲基二甲基）硅氧烷（如下文和本文进一步 定义）。
[0015] 根据本公开的另一个方面，提供了一种或多种聚硅氧烷基础油作为能够在两个机 械表面相对于彼此移动时增大这两个表面之间的界面摩擦的低磨损牵引流体的用途。该聚 硅氧烷基础油可对应于作为结构S-III在上文示出并在本文提供的结构式，其中对R和R' 独立地选择，以使得R为具有1-3个碳原子的烷基基团；R'为具有5-20个碳原子的环烷基 或芳基基团；m为整数，并且n为整数或0,而5〈 (m+n)〈100且0. 50〈ni/(m+n)〈1. 00。或者，R 为甲基基团并且R'为芳基或环烷基基团，而7〈(m+n)〈100。或者，R为甲基基团并且R'为 二芳基或二环烷基基团。或者，R为甲基基团并且R'为环己基或环戊基基团。或者，聚硅 氧烷基础油对应于以下结构式：
[0017] 本文所用的牵引流体还可以包含作为以下群组中的一者而选择的至少一种功能 添加剂：极压添加剂、抗磨损添加剂、抗氧化剂和腐蚀抑制剂。该牵引流体还可以包含一种 或多种具有约15与约500之间的聚合度的相容基础油；该相容基础油被选择为具有约5与 30重量％之间的苯基甲基D单元含量的三甲基甲硅烷基封端的聚二甲基硅氧烷或三甲基 甲硅烷基封端的聚（苯基甲基二甲基）硅氧烷。
[0018] 根据本公开的另一个方面，提供了在两个机械表面相对于彼此移动时增大这两个 表面之间的界面摩擦的方法。该方法通常包括以下步骤：提供具有第一表面和第二表面的 机件，以使得第一表面和第二表面代表机件中的接触点；在第一表面与第二表面之间提供 牵引流体；以及允许第一表面滚过或滑过第二表面以使得牵引流体增大第一与第二表面之 间的界面摩擦。
[0019] 用于该方法的牵引流体包含至少一种聚硅氧烷基础油，其对应于上文所示的结构 式或在本文描述为S-111，其中对R和R'独立地选择，以使得R为具有1-3个碳原子的烷 基基团；R1为具有5-20个碳原子的环烷基或芳基基团；m为整数，并且n为整数或0,而 5〈 (m+n)〈100且0. 50〈ni/(m+n)〈1. 00。或者，R为甲基基团并且R'为芳基或环烷基基团，而 7〈(m+n)〈100。或者，R为甲基基团并且R'为二芳基或二环烷基基团。或者，R为甲基基团 并且R'为环己基或环戊基基团。或者，牵引流体还包含如之前所述或在本文进一步定义的 功能添加剂或至少一种相容的基础油。
[0020] 根据本公开的另一个方面，相对于彼此移动的两个机械表面（第一和第二）是牵 引传动件的一部分并且牵引流体是油脂、齿轮油或传动液。或者，这两个表面代表机件中的 弹性流体动力学润滑（EHL)接触点。或者，第一和第二表面为陶瓷或金属表面；或者，它们 均为金属表面。
[0021] 通过本文提供的说明，其他适用领域将变得显而易见。应当理解，说明和具体实例 旨在仅用于示例目的，而非旨在限制本发明的范围。
【附图说明】
[0022] 本文所述附图仅用于示例目的，而非旨在以任何方式限制本发明的范围。
[0023] 图1是用于膜厚和牵引测量的弹性流体动力学（EHD)装备的横截面视图；
[0024] 图2是在各种温度下聚（苯基甲基二甲基）硅氧烷（PPMS-3)基础油所表现出的 弹性流体动力学液体（EHL)膜厚随卷吸速度而绘制的图形表示；
[0025] 图3是在各种温度下聚（环己基甲基二甲基）硅氧烷（PCMS-1)基础油所表现出 的弹性流体动力学液体（EHL)膜厚随卷吸速度而绘制的图形表示；
[0026] 图4是在各种温度下高度支化的聚（环己基甲基二甲基）硅氧烷（PCMS-2)基础 油所表现出的弹性流体动力学液体（EHL)膜厚随卷吸速度而绘制的图形表示；
[0027] 图5是在各种温度下聚（二苯基二甲基）硅氧烷（PDPS-1)基础油所表现出的弹 性流体动力学液体（EHL)膜厚随卷吸速度而绘制的图形表示；
[0028] 图6是在303K的温度下常规油（C-1)和根据本公开而制备的若干牵引流体 (PCMS-l、PPMS-3)所表现出的摩擦系数随膜厚而绘制的图形表示；
[0029] 图7是在303K的温度下常规油（C-1)和根据本公开而