減小高負荷條件下表面之間的摩擦和磨損的方法
【專利說明】減小高負荷條件下表面之間的摩擦和磨損的方法
[0001] 本公開整體涉及潤滑劑組合物減小置于高負荷條件下的兩個表面之間的摩擦和 磨損的用途。更具體地講，本公開涉及包含具有烷基芳基或烷基和芳基官能團的組合的聚 硅氧烷基礎油的潤滑劑組合物的用途。
[0002] 本節中的陳述僅提供與本公開有關的背景信息，并且可能并不構成現有技術。
[0003] 目前可以得到范圍從天然和石油衍生的烴(礦物油）到合成的烴基和有機硅基聚 合物的多種潤滑劑組合物。近幾十年來對合成潤滑劑的開發是對用于各種不同應用的潤滑 劑的流變性和摩擦學特性進行優化的共同努力的結果。已開發了許多稱為硅烷(_Si_)、硅 亞烷基化物( _Si-C-)、娃氣燒(_Si-N-)和硅氧烷(_Si-〇-)的娃基聚合物以用于彈性體、涂 料、表面改性劑、光致抗蝕劑分離膜和軟性接觸鏡片。通常衍生于二氧化硅(例如，硅砂）的 硅氧烷因其商業意義而已進行了最廣泛的評估。
[0004] 硅氧烷是具有硅-氧主鏈而不是通常存在于烴中的碳-碳主鏈的聚合物結構。Si-0 鍵的強度(約460kJ/mol)超過C-C鍵的強度(約348kJ/mol)。此外，硅氧烷分子比相應的烴更 柔韌，因為它們相對于圍繞主鏈結構的鏈旋轉表現出更低的空間位阻。這種低空間位阻歸 因于多種因素，包括更長的Si-Ο鍵(0.164nm，相比之下C-C為0.153nm)、氧原子不受側基的 阻礙以及更大的Si-0-Si鍵角（約143°，相比之下C-C-C為約110°)。硅氧烷增強的柔韌性可 實現增加的緊湊性、更低的熔融溫度和更低的玻璃化轉變溫度。一般來講，已知硅氧烷具有 非凡的氧化穩定性、低本體粘度(和溫度-粘度系數）、拒水性、生物惰性以及允許它們比常 規烴更均勻地在表面上散開的相對低的表面張力。
[0005] 硅氧烷通常衍生于硅與氯甲烷反應產生二甲基二氯硅烷，然后與水混合產生硅烷 醇，再進行聚合。常規硅氧烷聚合物的一個例子是聚二甲基硅氧烷(PDMShPDMS由交替的硅 和氧原子的主鏈構成，其中甲基基團鍵合到硅原子。已知PDMS提供不良的界面潤滑特性。然 而，用其他基團諸如苯基基團來替換甲基基團可導致邊界摩擦和磨損的減小。這樣的替換 還將導致在以足夠的量使用時硅氧烷聚合物分子剛性的增加。例如，苯基基團替換了大量 甲基基團的聚苯基甲基硅氧烷(PPMS)表現出增加的耐水性和氧化穩定性，但分子柔韌性降 低。

【發明內容】

[0006] 本公開一般提供潤滑劑組合物減小置于導致超過lGPa赫茲壓力的負荷條件下的 兩個表面之間的磨損的用途，或者這兩個表面為金屬表面。該潤滑劑組合物包含對應于以 下結構式的聚硅氧烷基礎油：
[0007]
[0008] 其中對R、R'和R"獨立地選擇，以使得R為具有1-3個碳原子的烷基基團；R'為包含 具有3-12個碳原子的烷基官能團和具有6至12個碳原子的芳基官能團的烷基芳基基團；R" 為具有1-3個碳原子的烷基基團或包含具有3-12個碳原子的烷基官能團和具有6至12個碳 原子的芳基官能團的烷基芳基基團；并且m和η為整數，以使得8〈(111+11)〈500。或者，對聚硅氧 烷基礎油的結構中的整數m和η進行選擇以使得(m+n)之和大于8且小于250。或者，聚硅氧烷 基礎油中整數m與整數(m+n)之和的比率在0.1與1.00之間。
[0009] 根據本公開的一個方面，聚硅氧烷基礎油中的R為甲基基團，R'為具有含5-8個碳 原子的烷基官能團的烷基苯基基團；并且R"為甲基基團或具有含2-5個碳原子的烷基官能 團的烷基苯基基團。或者，聚硅氧烷中的R為甲基基團，R'為己基苯基基團，并且R"為甲基基 團或丙基苯基基團。
[0010] 根據本公開的另一個方面，聚硅氧烷基礎油對應于以下結構式：
[0011]
[0012] 聚硅氧烷基礎油具有l，500g/mol與35,000g/mol之間的分子質量并表現出50與5， OOOmPa · s(厘泊)之間的零剪切和303K下的粘度。當需要時，潤滑劑組合物還可以包含作為 以下群組中的一者而選擇的至少一種功能添加劑:極壓添加劑、抗磨損添加劑、抗氧化劑、 消泡劑和腐蝕抑制劑。
[0013] 根據本公開的另一個方面，在其間設置潤滑劑組合物的兩個表面代表機件中的彈 性流體動力學潤滑(EHL)接觸點。或者，機件可以是滾動元件軸承、滑動軸承、齒輪、凸輪及 凸輪從動件或牽引傳動件。
[0014] 該潤滑劑組合物在303K的溫度和約0.05與5. OOm/s之間的卷吸速度下提供在表面 上10與2，000nm之間的EHL膜厚和小于約0.07的摩擦系數。或者，該潤滑劑組合物在398K的 溫度和約0.05與5. OOm/s之間的卷吸速度下提供在表面上10與1，000nm之間的EHL膜厚和小 于約0.05的摩擦系數。
[0015] 還提供了減小機件中的滾動或滑動表面之間的磨損的方法，其中該方法包括以下 步驟:提供具有第一表面和第二表面的機件，在第一表面與第二表面之間提供潤滑劑組合 物，以及允許第一表面在超過lGPa的負荷條件下滾過或滑過第二表面。在該方法中，第一和 第二表面代表機件中的彈性流體動力學潤滑(EHL)接觸點。機件和潤滑劑組合物包含如上 文所述并在下文進一步描述的表面和置于其間的聚硅氧烷基礎油。
[0016] 通過本文提供的說明，其他適用領域將變得顯而易見。應當理解，說明和具體實例 旨在僅用于示例目的，而非旨在限制本發明的范圍。
【附圖說明】
[0017] 本文所述附圖僅用于示例目的，而非旨在以任何方式限制本發明的范圍。
[0018] 圖1是潤滑劑組合物的剪切致稀行為的圖示；
[0019] 圖2是剪切致稀對成膜和摩擦系數的作用的圖示；
[0020] 圖3是用于膜厚和摩擦測量的彈性流體動力學(EHD)裝備的橫截面視圖；
[0021] 圖4是根據本公開的教導而制備的聚硅氧烷基礎油所表現出的粘度隨溫度而繪制 的圖形表示；
[0022]圖5是聚硅氧烷基礎油所表現出的彈性流體動力學液體(EHL)膜厚隨卷吸速度而 繪制的圖形表示；
[0023]圖6是另一種聚硅氧烷基礎油所表現出的彈性流體動力學液體(EHL)膜厚隨卷吸 速度而繪制的圖形表示；
[0024] 圖7是聚硅氧烷基礎油所表現出的摩擦系數隨卷吸速度而繪制的圖形表示；
[0025] 圖8是在另一溫度下聚硅氧烷基礎油所表現出的摩擦系數隨卷吸速度而繪制的圖 形表示；
[0026] 圖9是對于使用根據本公開教導而制備的不同聚硅氧烷基礎油所觀察到的摩擦和 總磨損的比較；以及
[0027] 圖10是使用包含聚硅氧烷基礎油的潤滑劑組合物減小置于高負荷條件下的表面 之間的磨損的方法的圖形表示。
【具體實施方式】
[0028] 以下說明實質上僅為示例性的，并且決不旨在限制本發明或其應用或用途。應當 理解，在整個說明中，相應的參考編號指示相同或相應的部件或特征。
[0029] 本公開整體涉及既表現出耐磨性也表現出氧化穩定性同時維持分子柔韌性的潤 滑劑組合物。在本公開全文中結合適于測量磨損特性的各種測試配置描述了根據本文所含 的教導而制備和使用的潤滑劑組合物，諸如四球磨損測試(美國標準測試方法D-5183,賓夕 法尼亞州西康舍霍肯市ASTM國際標準組織（ASTM International，West Conshohocken， PA))、SRV磨損測試(美國標準測試方法D 5706-05,賓夕法尼亞州西康舍霍肯市ASTM國際標 準組織)和本文所定義的薄膜球-盤(ball on disk)磨損測試，以便更完全地理解概念。設 想了這些潤滑劑組合物與其他類型的滑動或滾動接觸(諸如存在于各種機件中的那些接 觸，這些機件包括但不限于滾動元件軸承、齒輪、凸輪及凸輪從動件或牽引傳動件）的結合 及使用在本公開的范圍內。
[0030] 可將烷基基團諸如己基、辛基和十二烷基基團接枝到聚硅氧烷的主鏈或鏈結構上 以改善其潤滑特性。聚烷基甲基硅氧烷(PAMS)具有附接到聚合物主鏈的硅原子上的不同長 度的烷基基團。使用這樣的烷基基團在以高百分比摻入時可改善硅氧烷聚合物的邊界摩 擦、流體動力學摩擦和耐磨性。摻入芳基基團觀察到了類似的效應。然而，對于高度支化的 PPMS，觀察到了彈性流體動力學(EHD)摩擦發生增加，而剪切致稀行為可在具有高分子質量 的高度支化的PAMS中發生。在合成化合物支鏈構型(諸如以下結構S (I)和S (II)中所示的那 些)時對這些不同的趨勢加以組合，雖然這兩種趨勢憑其自身能力即為有益的。化合物支鏈 構型可如結構S(I)中所示包含附接到聚硅氧烷主鏈中的不同硅原子的芳基官能團和烷基 鏈官能團，或如結構S(II)中所示使用通過烷基鏈(例如，己基基團等)附接到硅氧烷主鏈的 芳基基團（例如，苯基基