润滑油高温摩擦过程的红外光谱在线测试方法与流程

本发明润滑油高温摩擦过程的红外光谱在线测试方法，属于润滑油光谱分析领域。

背景技术：

润滑油高温摩擦工况下的化学结构变化是影响其摩擦学性能的重要原因，高热氧化性能是润滑油发挥高效润滑的重要前提，其中抗氧添加剂在改善润滑油高温热氧化性能方面起着关键作用。在高温摩擦过程中，抗氧剂的消耗及氧化产物的积累对油品润滑性能影响显著，研究润滑油的结构变化及其抗氧剂作用规律可以为润滑油摩擦学性能衰变的机理分析提供指导。红外光谱是表征润滑油分子结构信息的重要手段，广泛应用于润滑油的氧化和失效分析。目前润滑油的红外光谱测试方式主要是在摩擦试验结束后移取油样进行光谱数据采集，无法在测试摩擦学数据的过程中在线采集润滑油结构变化的红外光谱动态数据。为突破润滑油摩擦学性能测试过程中无法在线连续检测润滑油结构变化的瓶颈，研究开发润滑油高温摩擦过程的红外光谱在线测试技术。

技术实现要素：

本发明专利的目的在于通过构建润滑油高温摩擦过程的红外光谱在线测试装置，研究开发一种润滑油高温摩擦过程的红外光谱在线测试方法。

本发明的技术方案：

构建润滑油高温摩擦过程的红外光谱在线测试装置，包括摩擦试验机、红外光谱仪、液体流通池及其倾斜角调节装置、蠕动泵和管路材料。通过液体流通池的透射方式测试润滑油的红外光谱；管路材料采用聚四氟乙烯管和硅胶软管，通过蠕动泵实现润滑油在油盒-液体流通池-油盒中的循环流动；设计液体流通池的倾斜角调节装置，消除红外光谱测试时出现的干涉条纹。

将原液体池改进为液体流通池，利用胶粘剂将两根长度10~12mm的聚四氟乙烯管粘接于液体池不锈钢盖板的上下两个通孔内，高于不锈钢盖板的聚四氟乙烯管长度为6~8mm，用于连接硅胶软管；在润滑油的进口和出口部位采用耐高温的聚四氟乙烯管，蠕动泵安装在液体流通池和油样出口之间，聚四氟乙烯管与硅胶软管的连接方式均为硅胶软管包覆于聚四氟乙烯管外壁。

设计液体流通池的倾斜角调节装置，通过调整上下两个定位螺栓位置来调节液体流通池的倾斜角度，消除红外光谱测试时出现的干涉条纹，从而获得润滑油基团信息较为完整的红外光谱图。

一种润滑油高温摩擦过程的红外光谱在线测试方法，该方法包括以下步骤：(1)试验前充分预热红外光谱仪，试验过程中维持外部环境湿度较为稳定，降低因空气湿度变化产生的毛刺水峰对润滑油谱图的干扰，提高润滑油红外光谱的在线测试精度；(2)调节液体流通池的倾斜角，直至扫描的空气背景光谱中无干涉条纹；(3)移取待测润滑油于摩擦试验机的油盒内；(4)开启蠕动泵，待润滑油流经液体流通池后，采集初始时刻的红外光谱，同时开启摩擦试验机测试润滑油的摩擦系数，此后每隔一段时间采集润滑油的红外光谱数据。

本发明的有益效果在于：

(1)在管路设计方面，较硬的聚四氟乙烯管与不锈钢盖板的粘接强度较高，不易从盖板的通孔中脱离；硅胶软管的柔韧性较好，容易弯曲，有利于液体流通池在红外光谱仪样品仓内的倾斜定位。

(2)试验前充分预热红外光谱仪，试验过程中维持外部环境湿度较为稳定，可以有效降低因空气湿度变化产生的毛刺水峰对润滑油谱图的干扰，从而在红外谱图中能够获得油样微弱的结构变化信息，提高润滑油红外光谱的在线测试精度。

(3)构建了润滑油高温摩擦过程的红外光谱在线测试装置，可以在测试润滑油摩擦系数的同时采集红外光谱数据，实现润滑油高温摩擦过程红外光谱的在线测试。

附图说明

图1为润滑油摩擦过程的红外光谱在线测试装置示意图。

图2为液体流通池垂直状态下采集的红外谱图，其中(a)为空气背景，(b)为pao+1.0wt%t558。

图3为液体流通池倾斜角调节装置的结构图。

图4为液体流通池倾斜状态下采集的红外谱图，其中(a)为空气背景，(b)为pao+1.0wt%t558。

图5为室温无摩擦条件和高温摩擦条件下500sn+1.0wt%t558油样的n-h吸收峰，其中(a)为室温无摩擦条件，(b)为高温摩擦条件。

图6为归一化后500sn+1.0wt%t558油样的n-h峰强。

图7为高温摩擦条件下500sn+1.0wt%t558油样修正的n-h峰强。

图8为高温摩擦条件下500sn+1.0wt%t558的n-h峰强与摩擦时间的关系。

图9为500sn+1.0wt%t558油样的含羰基氧化产物的红外吸收峰。

图10为500sn+1.0wt%t558油样的摩擦系数曲线和温度曲线。

图11为室温无摩擦条件和高温摩擦条件下pao+1.0wt%t558油样的n-h吸收峰，其中(a)为室温无摩擦条件，(b)为高温摩擦条件。

图12为归一化后pao+1.0wt%t558油样的n-h峰强。

图13为高温摩擦条件下pao+1.0wt%t558油样修正的n-h峰强。

图14为高温摩擦条件下pao+1.0wt%t558的n-h峰强与摩擦时间的关系。

图15为pao+1.0wt%t558油样含羰基氧化产物的红外吸收峰。

图16为pao+1.0wt%t558油样的摩擦系数曲线和温度曲线。

具体实施方式

以下将结合附图对本发明润滑油高温摩擦过程的红外光谱在线测试方法的具体实施方式及工作原理进行详细说明。试验设备和材料的选用及试验参数的制定仅用于更清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

润滑油红外光谱在线测试装置的构建：

本发明所用的摩擦试验机为四球摩擦试验机，红外光谱仪型号为nicoletis10，构建的润滑油摩擦过程的红外光谱在线测试装置示意图如图1。

将原液体池改进为液体流通池，液体流通池主要包括底座4-1、氟化钡窗片4-2和4-3、铅垫4-4(厚度0.1mm)、不锈钢盖板4-5以及聚四氟乙烯管2-2和2-3。采用胶粘剂将两根长度10~12mm的聚四氟乙烯管2-2和2-3粘接于液体池不锈钢盖板4-5的上下两个通孔内，高于不锈钢盖板的聚四氟乙烯管分别连接硅胶软管3-1和3-2，两种管材的管径尺寸均为ф2×4mm。在润滑油的进口和出口部位采用耐高温的聚四氟乙烯管2-1和2-4，聚四氟乙烯管与硅胶软管的连接方式(2-1和3-1；2-2和3-1；2-3和3-2；2-4和3-3)均为硅胶软管包覆于聚四氟乙烯管外壁。运用蠕动泵5可以实现润滑油在油盒1-液体流通池-油盒1中的循环流动。

当液体流通池垂直放置于光谱仪样品仓内时，采集的空气背景和pao+1.0wt%t558油样的红外谱图(图2)中出现明显的干涉条纹，严重干扰了润滑油中微量物质的红外吸收。通过增大红外光的入射角可以有效降低谱图干涉条纹的可见度，故设计了液体流通池的倾斜角调节装置7，其结构图如图3所示，通孔7-1和7-2分别用于通过硅胶软管3-1和3-2，螺纹孔7-3和7-4用于连接螺栓8-1和8-2，通孔7-5用于透过红外光。将液体流通池和倾斜角调节装置置于样品仓6内，液体流通池底座4-1底部接触样品仓的凸台6-1，通过调整定位螺栓8-1和8-2来调节液体流通池的倾斜角，当倾斜至合适角度时，可以获得无干涉条纹的红外谱图（图4（a）、图4（b））。

润滑油高温摩擦过程的红外光谱在线测试方法:

试验基础油选用矿物油500sn和聚α烯烃油（pao），抗氧剂选用二壬基二苯胺(t558)。测试油样为含抗氧剂质量分数为1.0%的基础油，即矿物油500sn+1.0wt%t558和聚α烯烃油pao+1.0wt%t558，油样的理化性质如表1所示：

为定量分析油样高温摩擦过程抗氧剂含量的变化，需在室温无摩擦条件下测试循环油样的红外光谱数据，获得油样抗氧基团n-h峰强随时间变化的仪器测试背景，将高温摩擦条件的n-h峰强减去室温无摩擦条件的仪器测试背景，修正抗氧基团n-h峰强的变化，可以更加准确反映油样高温摩擦过程抗氧剂含量的变化。试验的测试步骤为：

(1)室温无摩擦条件下油样的红外光谱在线测试，具体操作方法如下：a)充分预热红外光谱仪，试验过程中维持稳定的外部环境湿度；b)调节液体流通池的倾斜角，直至扫描的空气背景光谱中无干涉条纹；c)移取待测油样于四球摩擦试验机油盒内；d)开启蠕动泵，待润滑油流经液体流通池后，采集初始时刻的红外光谱，不开启摩擦试验机，维持油样处于室温条件；e)在采集油样初始时刻的红外光谱之后，每隔5min采集红外光谱，总采集时间为100min；

(2)高温摩擦条件下油样的红外光谱在线测试，具体操作方法如下：a)充分预热红外光谱仪，试验过程中维持稳定的外部环境湿度；b)采集无干涉条纹的空气背景红外光谱；c)移取待测油样于四球摩擦试验机油盒内；d)开启蠕动泵，待润滑油流经液体流通池后，采集初始时刻的红外光谱，同时开启四球摩擦试验机，摩擦试验参数为：油样从室温以15℃/min升温至200℃后保持恒温，载荷为120n，主轴转速为1r/min，试验钢球材料为ggr15，钢球直径7.9mm，总摩擦时间为90min；e)在采集油样初始时刻的红外光谱之后，每隔5min采集红外光谱，总采集时间为100min；f)光谱数据采集完毕后，测量管路中循环油样的流量，并计算油样从油盒流至液体流通池的滞后时间，通过扣除滞后时间获得油样红外光谱数据对应的摩擦时间。

实施例1：

500sn+1.0wt%t558高温摩擦过程的红外光谱在线测试：

室温无摩擦条件和高温摩擦条件下500sn+1.0wt%t558油样n-h吸收峰如图5所示，归一化后500sn+1.0wt%t558油样n-h峰强随采集时间的变化如图6所示，将高温摩擦条件的n-h峰强减去室温无摩擦条件的仪器测试背景，获得高温摩擦条件下500sn+1.0wt%t558油样修正的n-h峰强随采集时间的变化(图7)。经测量500sn+1.0wt%t558油样的流量为0.9ml/min，计算得到油样的滞后时间为9.8min，扣除滞后时间得到高温摩擦过程中500sn+1.0wt%t558的n-h峰强与摩擦时间的关系(图8)，由朗伯比尔定律可知，在较低的吸光度处，红外吸收峰强与物质的浓度呈现线性关系，因此图8也可以反映500sn+1.0wt%t558油样在高温摩擦过程中抗氧剂的相对含量变化。500sn+1.0wt%t558的含羰基氧化产物的红外吸收峰如图9所示，1748cm^-1处吸收峰归属于羧酸羰基的特征峰，1717cm^-1处吸收峰归属于酮羰基的特征峰，在高温摩擦过程中500sn+1.0wt%t558油样生成了羧酸和酮类氧化产物。

500sn+1.0wt%t558高温摩擦过程的温度和摩擦系数如图10所示，油样的摩擦系数呈现先增大后减小最后保持平稳的变化趋势。由于油温的升高使得500sn+1.0wt%t558粘度急剧下降，润滑油膜变薄，因而摩擦系数增大，最大摩擦系数对应的温度为142℃；随着温度的继续上升，润滑油氧化生成的羧酸和酮极性产物逐渐增多，在摩擦界面形成吸附膜，同时钢球的磨损接触面积增大，二者共同作用使得油样摩擦系数逐渐降低，随后保持平稳。

实施例2：

pao+1.0wt%t558高温摩擦过程的红外光谱在线测试：

室温无摩擦条件和高温摩擦条件下pao+1.0wt%t558油样n-h吸收峰如图11所示，归一化后pao+1.0wt%t558油样n-h峰强随采集时间的变化如图12所示，将高温摩擦条件的n-h峰强减去室温无摩擦条件的仪器测试背景，获得高温摩擦条件下pao+1.0wt%t558油样修正的n-h峰强随采集时间的变化(图13)。经测量pao+1.0wt%t558的流量为2.0ml/min，计算得到油样的滞后时间为4.4min，扣除滞后时间得到pao+1.0wt%t558的n-h峰强与摩擦时间的关系(图14)，由朗伯比尔定律可知，在较低的吸光度处，红外吸收峰强与物质的浓度呈现线性关系，因此图14也可以反映pao+1.0wt%t558在高温摩擦过程中抗氧剂的相对含量变化，通过对比图8可以发现，其抗氧剂消耗速率明显小于500sn+1.0wt%t558。pao+1.0wt%t558的含羰基氧化产物的红外吸收峰如图15所示，与500sn+1.0wt%t558不同，pao+1.0wt%t558油样仅出现了1717cm^-1酮羰基的特征峰，油样在高温摩擦过程主要生成了酮类产物。

pao+1.0wt%t558高温摩擦过程的温度和摩擦系数如图16所示，油样的摩擦系数呈现先增大后减小最后保持平稳的变化趋势，其最大摩擦系数对应的温度为178℃，明显高于500sn+1.0wt%t558油样。与500sn+1.0wt%t558相比，pao+1.0wt%t558在高温摩擦过程中生成的极性产物较少，其摩擦系数开始下降则需要更长的时间，因而油样最大摩擦系数对应的温度要高于500sn+1.0wt%t558。