减小高负荷条件下表面之间的摩擦和磨损的方法
【专利说明】减小高负荷条件下表面之间的摩擦和磨损的方法
[0001] 本公开整体涉及润滑剂组合物减小置于高负荷条件下的两个表面之间的摩擦和 磨损的用途。更具体地讲，本公开涉及包含具有烷基芳基或烷基和芳基官能团的组合的聚 硅氧烷基础油的润滑剂组合物的用途。
[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] 目前可以得到范围从天然和石油衍生的烃(矿物油）到合成的烃基和有机硅基聚 合物的多种润滑剂组合物。近几十年来对合成润滑剂的开发是对用于各种不同应用的润滑 剂的流变性和摩擦学特性进行优化的共同努力的结果。已开发了许多称为硅烷(_Si_)、硅 亚烷基化物( _Si-C-)、娃氣烧(_Si-N-)和硅氧烷(_Si-〇-)的娃基聚合物以用于弹性体、涂 料、表面改性剂、光致抗蚀剂分离膜和软性接触镜片。通常衍生于二氧化硅(例如，硅砂）的 硅氧烷因其商业意义而已进行了最广泛的评估。
[0004] 硅氧烷是具有硅-氧主链而不是通常存在于烃中的碳-碳主链的聚合物结构。Si-0 键的强度(约460kJ/mol)超过C-C键的强度(约348kJ/mol)。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-Ο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可 实现增加的紧凑性、更低的熔融温度和更低的玻璃化转变温度。一般来讲，已知硅氧烷具有 非凡的氧化稳定性、低本体粘度(和温度-粘度系数）、拒水性、生物惰性以及允许它们比常 规烃更均匀地在表面上散开的相对低的表面张力。
[0005] 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聚二甲基硅氧烷(PDMShPDMS由交替的硅 和氧原子的主链构成，其中甲基基团键合到硅原子。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来替换甲基基团可导致边界摩擦和磨损的减小。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。例如，苯基基团替换了大量 甲基基团的聚苯基甲基硅氧烷(PPMS)表现出增加的耐水性和氧化稳定性，但分子柔韧性降 低。
【发明内容】
[0006] 本公开一般提供润滑剂组合物减小置于导致超过lGPa赫兹压力的负荷条件下的 两个表面之间的磨损的用途，或者这两个表面为金属表面。该润滑剂组合物包含对应于以 下结构式的聚硅氧烷基础油：
[0007]
[0008] 其中对R、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'为包含 具有3-12个碳原子的烷基官能团和具有6至12个碳原子的芳基官能团的烷基芳基基团；R" 为具有1-3个碳原子的烷基基团或包含具有3-12个碳原子的烷基官能团和具有6至12个碳 原子的芳基官能团的烷基芳基基团；并且m和η为整数，以使得8〈(111+11)〈500。或者，对聚硅氧 烷基础油的结构中的整数m和η进行选择以使得(m+n)之和大于8且小于250。或者，聚硅氧烷 基础油中整数m与整数(m+n)之和的比率在0.1与1.00之间。
[0009] 根据本公开的一个方面，聚硅氧烷基础油中的R为甲基基团，R'为具有含5-8个碳 原子的烷基官能团的烷基苯基基团；并且R"为甲基基团或具有含2-5个碳原子的烷基官能 团的烷基苯基基团。或者，聚硅氧烷中的R为甲基基团，R'为己基苯基基团，并且R"为甲基基 团或丙基苯基基团。
[0010] 根据本公开的另一个方面，聚硅氧烷基础油对应于以下结构式：
[0011]
[0012] 聚硅氧烷基础油具有l，500g/mol与35,000g/mol之间的分子质量并表现出50与5， OOOmPa · s(厘泊)之间的零剪切和303K下的粘度。当需要时，润滑剂组合物还可以包含作为 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、 消泡剂和腐蚀抑制剂。
[0013] 根据本公开的另一个方面，在其间设置润滑剂组合物的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，机件可以是滚动元件轴承、滑动轴承、齿轮、凸轮及 凸轮从动件或牵引传动件。
[0014] 该润滑剂组合物在303K的温度和约0.05与5. OOm/s之间的卷吸速度下提供在表面 上10与2，000nm之间的EHL膜厚和小于约0.07的摩擦系数。或者，该润滑剂组合物在398K的 温度和约0.05与5. OOm/s之间的卷吸速度下提供在表面上10与1，000nm之间的EHL膜厚和小 于约0.05的摩擦系数。
[0015] 还提供了减小机件中的滚动或滑动表面之间的磨损的方法，其中该方法包括以下 步骤:提供具有第一表面和第二表面的机件，在第一表面与第二表面之间提供润滑剂组合 物，以及允许第一表面在超过lGPa的负荷条件下滚过或滑过第二表面。在该方法中，第一和 第二表面代表机件中的弹性流体动力学润滑(EHL)接触点。机件和润滑剂组合物包含如上 文所述并在下文进一步描述的表面和置于其间的聚硅氧烷基础油。
[0016] 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】
[0017] 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。
[0018] 图1是润滑剂组合物的剪切致稀行为的图示；
[0019] 图2是剪切致稀对成膜和摩擦系数的作用的图示；
[0020] 图3是用于膜厚和摩擦测量的弹性流体动力学(EHD)装备的横截面视图；
[0021] 图4是根据本公开的教导而制备的聚硅氧烷基础油所表现出的粘度随温度而绘制 的图形表示；
[0022]图5是聚硅氧烷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；
[0023]图6是另一种聚硅氧烷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；
[0024] 图7是聚硅氧烷基础油所表现出的摩擦系数随卷吸速度而绘制的图形表示；
[0025] 图8是在另一温度下聚硅氧烷基础油所表现出的摩擦系数随卷吸速度而绘制的图 形表示；
[0026] 图9是对于使用根据本公开教导而制备的不同聚硅氧烷基础油所观察到的摩擦和 总磨损的比较；以及
[0027] 图10是使用包含聚硅氧烷基础油的润滑剂组合物减小置于高负荷条件下的表面 之间的磨损的方法的图形表示。
【具体实施方式】
[0028] 以下说明实质上仅为示例性的，并且决不旨在限制本发明或其应用或用途。应当 理解，在整个说明中，相应的参考编号指示相同或相应的部件或特征。
[0029] 本公开整体涉及既表现出耐磨性也表现出氧化稳定性同时维持分子柔韧性的润 滑剂组合物。在本公开全文中结合适于测量磨损特性的各种测试配置描述了根据本文所含 的教导而制备和使用的润滑剂组合物，诸如四球磨损测试(美国标准测试方法D-5183,宾夕 法尼亚州西康舍霍肯市ASTM国际标准组织（ASTM International，West Conshohocken， PA))、SRV磨损测试(美国标准测试方法D 5706-05,宾夕法尼亚州西康舍霍肯市ASTM国际标 准组织)和本文所定义的薄膜球-盘(ball on disk)磨损测试，以便更完全地理解概念。设 想了这些润滑剂组合物与其他类型的滑动或滚动接触(诸如存在于各种机件中的那些接 触，这些机件包括但不限于滚动元件轴承、齿轮、凸轮及凸轮从动件或牵引传动件）的结合 及使用在本公开的范围内。
[0030] 可将烷基基团诸如己基、辛基和十二烷基基团接枝到聚硅氧烷的主链或链结构上 以改善其润滑特性。聚烷基甲基硅氧烷(PAMS)具有附接到聚合物主链的硅原子上的不同长 度的烷基基团。使用这样的烷基基团在以高百分比掺入时可改善硅氧烷聚合物的边界摩 擦、流体动力学摩擦和耐磨性。掺入芳基基团观察到了类似的效应。然而，对于高度支化的 PPMS，观察到了弹性流体动力学(EHD)摩擦发生增加，而剪切致稀行为可在具有高分子质量 的高度支化的PAMS中发生。在合成化合物支链构型(诸如以下结构S (I)和S (II)中所示的那 些)时对这些不同的趋势加以组合，虽然这两种趋势凭其自身能力即为有益的。化合物支链 构型可如结构S(I)中所示包含附接到聚硅氧烷主链中的不同硅原子的芳基官能团和烷基 链官能团，或如结构S(II)中所示使用通过烷基链(例如，己基基团等)附接到硅氧烷主链的 芳基基团（例如，苯基基