油性劑（或摩擦改進(jìn)劑）是指在邊界潤(rùn)滑條件下能增強(qiáng)潤(rùn)滑油的潤(rùn)滑性、降低摩擦系數(shù)和防止磨損的化學(xué)品。

在邊界潤(rùn)滑條件下，摩擦副間不存在流動(dòng)的油膜層，其摩擦系數(shù)的大小與潤(rùn)滑油的黏度無(wú)關(guān)，主要取決于加入的添加劑。人們把能夠減小摩擦副間摩擦和磨損、防止摩擦面燒結(jié)的各種添加劑統(tǒng)稱為載荷添加劑（load-carrying additive）。載荷添加劑按其作用性質(zhì)可分為油性劑（摩擦改進(jìn)劑）、抗磨劑和極壓劑三類。

在低負(fù)荷下能通過吸附在金屬表面形成吸附膜來(lái)減少摩擦和磨損的添加稱稱為油性劑（oilness agents），有時(shí)也稱為減摩劑（friction reducer）。在中等負(fù)荷及速度條件下，摩擦面溫度會(huì)升達(dá)150℃，油性劑會(huì)喪失吸附能力，發(fā)生脫附。這時(shí)需使用在高溫下能與金屬表面作用生成保護(hù)膜的添加劑，這樣的添加劑稱為抗磨劑（antiwear agents），也稱中等極壓劑。在低速高負(fù)荷或高速?zèng)_擊摩擦條件下，即所謂極壓條件下，摩擦面容易發(fā)生燒結(jié)，抗磨添加劑也無(wú)能為力。為防止燒結(jié)而使用的添加劑稱為極壓劑（extreme pressure agents 或簡(jiǎn)稱“EP”劑）。極壓劑在摩擦面上能與金屬反應(yīng)生成剪應(yīng)力和熔點(diǎn)都比原金屬低的化合物，構(gòu)成極壓固體潤(rùn)滑膜，可防止摩擦面燒結(jié)。

通?？鼓┖蜆O壓劑往往都具有一定的減摩作用，抗磨劑也在一定程度具有抗極壓的作用。因此，油性劑、抗磨劑和極壓劑三者之間的區(qū)別并不是很明顯，尤其抗磨劑和極壓劑之間，有時(shí)很難區(qū)分，在某些應(yīng)用中被歸類為抗磨劑，而在另一些應(yīng)用中則被歸類為極壓劑，有些添加劑兼具有極壓和抗磨兩種性質(zhì)，因此按國(guó)內(nèi)石油添加劑的分類，把載荷添加劑分成油性劑和極壓抗磨劑兩類。

油性劑通常是動(dòng)植物油脂或在烴鏈末端有極性基團(tuán)的化合物，這些化合物對(duì)金屬有很強(qiáng)的親和力，可通過極性基團(tuán)吸附在摩擦面上形成分子定向吸附膜，阻止金屬互相間的接觸，從而減少摩擦和磨損。早期用來(lái)改善油品潤(rùn)滑性的多為動(dòng)植物油脂，故稱油性劑；后來(lái)發(fā)現(xiàn)不僅動(dòng)植物油脂有這種性質(zhì)，其他某些化合物也有同樣性質(zhì)，如有機(jī)硫化物、有機(jī)硼化物、有機(jī)鉬化物、含硫磷化合物等。目前把能降低摩擦面間摩擦系數(shù)的物質(zhì)統(tǒng)稱為摩擦改進(jìn)劑（Friction Modifier，簡(jiǎn)稱FM），因此摩擦改進(jìn)劑的范圍比油性劑更為廣泛。油性劑的吸附膜多數(shù)為物理吸附膜（部分為化學(xué)吸附膜），物理吸附是可逆的，溫度升高后會(huì)脫附，因此油性劑只有在溫度較低、負(fù)荷較小的情況下較為有效。

目前在國(guó)內(nèi)外摩擦改進(jìn)劑得到越來(lái)越多的重視，特別是為了節(jié)省能源，推出了燃料經(jīng)濟(jì)型發(fā)動(dòng)機(jī)油，擴(kuò)大了摩擦改進(jìn)劑的應(yīng)用。所謂燃料經(jīng)濟(jì)型發(fā)動(dòng)機(jī)油是指黏度低而其他性能，如潤(rùn)滑、黏溫、抗磨等性能都能滿足發(fā)動(dòng)機(jī)要求的潤(rùn)滑油，可采用在黏度低黏溫性能好的基礎(chǔ)油中加入摩擦改進(jìn)劑來(lái)實(shí)現(xiàn)。這種低黏度潤(rùn)滑油有利于降低“液體摩擦”，而加入的摩擦改進(jìn)劑有利于降低“固體摩擦”，從而達(dá)到節(jié)能的目的。這是因?yàn)椴煌哪Σ撩嬷g的摩擦系數(shù)是不同的，無(wú)潤(rùn)滑表面的摩擦系數(shù)約為0.5，甚至高達(dá)7；抗磨／極壓膜的摩擦系數(shù)約為0.1～0.2；摩擦改進(jìn)劑形成的膜的摩擦系數(shù)約為0.01～0.02；流體潤(rùn)滑的摩擦系數(shù)約為0.001～0.006。也有人根據(jù)在摩擦面形成膜的摩擦系數(shù)來(lái)區(qū)別摩擦改進(jìn)劑和極壓／抗磨劑的差別，把膜的摩擦系數(shù)約為0.01的添加劑稱摩擦改進(jìn)劑，摩擦系數(shù)約為0.1的定義為極壓抗磨劑。

4.6.1 組成結(jié)構(gòu)

油性劑大多是一些極性有機(jī)化合物，分子由極性基團(tuán)與烴基組成。用作油性劑（除擦改進(jìn)劑）的主要是動(dòng)植物油脂、脂肪酸、酯、胺、高級(jí)醇、硫化油脂（酯）等。除此之外一些含硫磷的化合物、有機(jī)金屬化合物、固體潤(rùn)滑劑（如石墨、二硫化鉬、聚四氟乙烯等）也具有減摩的作用，這些化合物在邊界潤(rùn)滑條件下可作為摩擦改進(jìn)劑使用，在極壓條件下也可作為極壓抗磨劑使用。

在油性劑的結(jié)構(gòu)中，極性基團(tuán)或烴基類型不同，其減摩性能也不同。極性基團(tuán)在金屬表面的吸附力越強(qiáng)，形成的吸附膜越牢固，其減摩效果越好，適用的溫度范圍越寬。烴基結(jié)構(gòu)中，長(zhǎng)鏈烷基的減摩效果比其他結(jié)構(gòu)的烴基要好，極性基在長(zhǎng)鏈末端時(shí)的減摩效果比在長(zhǎng)鏈，其他位置時(shí)的減摩效果好。對(duì)于含硫磷及有機(jī)金屬類的摩擦改進(jìn)劑，其在低溫時(shí)與金屬表面間的吸附力較弱，通常只有在溫度較高時(shí)才能與金屬通過化學(xué)作用在金屬表面形成具有減摩作用的吸附膜。固體潤(rùn)滑劑的減摩效果一般不受溫度的影響，在低溫和較高溫度下都具有較好的減摩作用。圖4.23為幾種不同類型摩擦改進(jìn)劑減摩效果與溫度的關(guān)系。

可看出，加入GMO（單油酸甘油酯）的潤(rùn)滑油，在溫度較低時(shí)具有良好的減摩效果，隨溫度的升高，減摩效果逐漸變差。加入兩種二硫代氨基甲酸鉬Mo（A）和Mo（B）的潤(rùn)滑油，在溫度較低時(shí)減摩效果很差，但當(dāng)溫度升高到一定程度（120℃）后，其減摩效果隨溫度升高而迅速提高。這也說明，摩擦改進(jìn)劑的類型不同，其在摩擦副表面形成吸附膜的方式不同，吸附膜適用的溫度范圍也不同。單油酸甘油酯為物理吸附，因此，溫度較高時(shí)會(huì)發(fā)生脫附現(xiàn)象，減摩效果就會(huì)變差。而二硫代氨基甲酸鉬在溫度較高時(shí)才會(huì)與摩擦副表面反應(yīng)形成化學(xué)吸附膜，因此在溫度較高時(shí)二硫代氨基甲酸鉬才具有良好的減摩作用。

4.6.2 作用機(jī)理

在邊界潤(rùn)滑條件下，摩擦副之間的潤(rùn)滑是通過摩擦改進(jìn)劑吸附在摩擦副表面形成的吸附膜來(lái)實(shí)現(xiàn)的。摩擦改進(jìn)劑在摩擦副表面的吸附形式有物理吸附和化學(xué)吸附兩種。

物理吸附指金屬表面與摩擦改進(jìn)劑之間靠分子間作用力形成的吸附，這種吸附是可逆的，當(dāng)溫度升高到一定程度時(shí)吸附膜會(huì)脫附。摩擦改進(jìn)劑的結(jié)構(gòu)不同，其脫附溫度不同，如ROH的脫附溫度在40～100℃之間，RCOOH在70～100℃之間，RNH2在100～150℃之間，RCONH2在140～170℃之間。因脂肪胺和脂肪酰胺脫附溫度較高，所以常常用作車輛齒輪油的摩擦改進(jìn)劑。

化學(xué)吸附指金屬表面原子與摩擦改進(jìn)劑分子之間發(fā)生表面化學(xué)反應(yīng)（電子的轉(zhuǎn)移、交換或共有）形成吸附化學(xué)鍵的吸附?；瘜W(xué)吸附的吸附能不僅僅是分子間的力，還有化學(xué)結(jié)合能，比物理吸附能大得多。由于化學(xué)吸附是表面化學(xué)反應(yīng)的結(jié)果，因此需要一定的活化能，即當(dāng)溫度升高到某一溫度（即活化溫度）后才能進(jìn)行化學(xué)吸附。與物理吸附相比，化學(xué)吸附往往是不可逆的、吸附速率大多較慢，吸附平衡需要較長(zhǎng)的時(shí)間，升高溫度可以大大地增加吸附速率。

對(duì)于一些摩擦改進(jìn)劑，其在金屬表面既能發(fā)生物理吸附也能發(fā)生化學(xué)吸附，只是形成的物理吸附膜和化學(xué)吸附膜的強(qiáng)度因摩擦改進(jìn)劑的組成結(jié)構(gòu)不同而各不相同。通常其在低溫時(shí)發(fā)生的是物理吸附，隨著溫度升高到一定程度，開始發(fā)生化學(xué)變化轉(zhuǎn)為化學(xué)吸附，有時(shí)兩種吸附會(huì)同時(shí)發(fā)生。

摩擦改進(jìn)劑在摩擦副表面的吸附形式不同，形成的吸附膜的厚度和性能不同。通常物理吸附膜多為多分子層吸附膜，膜較厚，化學(xué)吸附膜為單分子層吸附膜，膜較薄。摩擦改進(jìn)劑在形成吸附膜時(shí)，其分子的極性基吸附在金屬表面，烴基溶于油中，并在金屬表面定向排列，此時(shí)分子的極性基通過氫鍵力或偶極矩定向力相互吸附（可提高分子在金屬表面的附著力），而烴基間通過范德華力相互吸附，從而使所有分子平行排列并垂直吸附于金屬表面，形成單分子吸附層。隨后，其他摩擦改進(jìn)劑的分子在單分子層的定向場(chǎng)作用下，其碳鏈尾端的甲基疊到單分子層尾端的甲基上，形成第二層分子吸附層，之后其他游離分子與第二層分子間可通過極性基的吸引再形成第三層分子吸附層，如此反復(fù)進(jìn)行，最后可形成多分子層吸附膜。通常摩擦改進(jìn)劑形成的吸附膜難以壓縮，但烴尾界面容易剪切，因此具有良好的減摩作用。

摩擦改進(jìn)劑的減摩效果與極性基在金屬表面的吸附能力、烴基的結(jié)構(gòu)有關(guān)。表4.10為幾種不同類型摩擦改進(jìn)劑在金屬表面的吸附熱與磨損性能的關(guān)系。

從數(shù)據(jù)可看出，吸附熱高的，磨損量少。吸附熱反映的是摩擦改進(jìn)劑在金屬表面的吸附能力，吸附熱越大吸附力越大。由此可看出，具有-COOH、-NH2等吸附力大且具有氫鍵結(jié)合能力的極性基的摩擦改進(jìn)劑，吸附熱大，形成的吸附膜強(qiáng)度高，減摩效果

好，因此金屬表面磨損量小。

摩擦改進(jìn)劑烴基結(jié)構(gòu)中，碳鏈越長(zhǎng)，形成的吸附膜越厚，烴基間的作用也越強(qiáng)；烴基為

直鏈時(shí)，形成的吸附膜緊密，強(qiáng)度高，減摩效果好。此外，摩擦改進(jìn)劑的減摩效果與極性基

在烷基上的位置有關(guān)。極性基最適合的位置是在長(zhǎng)鏈的最末端，這種結(jié)構(gòu)的分子容易垂直地

吸附在摩擦副表面，在表面上所占居的面積小，可形成較緊密的吸附層。如果極性基向內(nèi)側(cè)移動(dòng)，分子就不能垂直地吸附在摩擦副表面，最極端的情況是分子平行吸附于表面，所占面

移動(dòng)，分子就不能垂的密集吸附，減摩效果很差。表4.11為十八烷醇異構(gòu)體對(duì)摩擦系數(shù)

影響。

為了提高潤(rùn)滑油在不同溫度條件下的潤(rùn)滑及抗磨損效果，通常會(huì)將摩擦改進(jìn)劑與極壓抗用復(fù)配的方式使用。在使用過程中，摩擦改進(jìn)劑和極壓抗磨劑都是通過在摩擦副接觸表面上吸附形成防護(hù)膜起作用的，由于摩擦改進(jìn)劑的極性通常比極壓抗磨劑強(qiáng)，在低溫時(shí)摩擦改進(jìn)劑的分子會(huì)優(yōu)先吸附形成吸附膜，當(dāng)溫度升高到極壓抗磨劑的活化溫度時(shí)，摩擦改進(jìn)劑吸附膜脫附，極壓抗磨劑就會(huì)在摩擦副表面形成化學(xué)吸附膜，從而使?jié)櫥驮诓煌臏囟认露季哂辛己玫臏p摩和抗磨損作用?；A(chǔ)油及基礎(chǔ)油中加入油溶劑、極壓抗磨劑后摩擦系數(shù)隨溫度變化趨勢(shì)，從中可看出，采用純基礎(chǔ)油時(shí)，摩擦系數(shù)最大，且隨溫度的升高而逐步增大；基礎(chǔ)油中加人油性劑后，在溫度較低時(shí)摩擦系數(shù)很低，而當(dāng)溫度升高到一定程度后，摩擦系數(shù)也隨溫度的升高快速增大；這是因?yàn)橛腿軇┰诘蜏叵戮湍芸焖傩纬晌锢砦侥?，從而達(dá)到減摩目的；當(dāng)溫度升高到一定程度后，油性劑開始脫附，隨溫度的升高脫附加劇，直至完全脫附，其減摩效果也會(huì)快速降低，直至完全失去減摩作用。基礎(chǔ)油中加入極壓抗磨劑后，當(dāng)溫度低于極壓抗磨劑的活化溫度時(shí)，其減摩效果很差，摩擦系數(shù)與使用純基礎(chǔ)油時(shí)接近；當(dāng)溫度高于活化溫度后，摩擦系數(shù)隨溫度升高快速減小，減小到一定值后不在隨溫度的升高而變化；這是因?yàn)闃O壓抗磨劑在摩擦表面上的吸附力很小，在低溫時(shí)難以形成物理吸附膜，減摩效果很差；當(dāng)溫度高于其活化溫度后，極壓抗磨劑開始在摩擦副表面以化學(xué)鍵的式吸附，溫度升高可大大加快吸附速度，使吸附以較快的速度達(dá)到平衡，形成穩(wěn)定的化學(xué)吸附膜，此時(shí)其減摩效果最好，再升高溫度對(duì)其減摩效果影響不大?；A(chǔ)油中同時(shí)加人極壓抗磨劑和油性劑后，摩擦系數(shù)很小，且基本不隨溫度的變化而改變；這是因?yàn)樵诘蜏叵?，油溶劑可提供良好減摩作用，在高于極壓抗磨劑的活化溫度后，極壓抗磨劑可提供良好抗磨作用，從而使?jié)櫥驮诤軐挼臏囟确秶鷥?nèi)具有良好的潤(rùn)滑性。