纳米润滑添加剂表面修饰方法综述_王应军

合成润滑材料年卷第期

一纳米润滑添加剂表面修饰方法综述

王应军,谢凤,刘广龙,郝敬团徐州空军学院,徐州

摘要表面修饰过的纳米润滑添加剂可以改善在润滑油中的分散稳定性,提高润滑油的摩擦学性能。综述了纳米润滑添加剂表面修饰的方法。

关键词纳米润滑添加剂表面修饰分散稳定性摩擦学性能中图分类号文献标识码文章编号一一一

润滑油中的纳米润滑添加剂可以优化摩擦副材料表面,通过形成吸附沉积膜和化学反应膜来优化润滑油的抗磨减摩性能,以减少摩擦因数和磨损也可以通过机械物理抛光作用、纳米粒子的填平作用来优化摩擦副表面的几何平整度,从而减少摩擦因数和磨损川。为了改善纳米润滑添加剂在润滑油中的分散性和分散稳定性,提高润滑油的摩擦学性能,一些研究者选择了对纳米颗粒表面进行修饰的方法。纳米颗粒表面修饰又称为纳米颗粒表面改性,是纳米技术领域十分重要的研究内容。由于纳米颗粒具有较大的比表面积和较高的表面能,在润滑油中的极易发生颗粒团聚,使得粒径变大,从而影响润滑效果。目前对纳米润滑添加剂颗粒表面修饰的方法按其修饰原理可分为表面物理修饰和表面化学修饰两大类,包括表面包覆修饰利用表面活性剂使高分子化合物、无机物、有机物等新物质覆盖于颗粒表面,以达到表面改性的目的局部化学修饰利用化学反应赋予粒子表面新的官能团,使其产生新的功能机械化学修饰通过粉碎、研磨、摩擦等方法改变粒子的表面活性微胶囊修饰在粒子表面包上一层其他物质的膜,使粒子表面特性发生改变,与表面包覆修饰不同的是,包上的这层膜是均匀的沉淀反应表面修饰。纳米润滑添加剂的表面包覆修饰表面包覆修饰是通过表面添加剂与微粒发生化学反应或表面吸附改变微粒的表面状态,特别是对改善纳米微粒的分散性有很好的功效。如果将原始微粒看作“核”,表面包覆层看作“壳”,则微粒经包覆以后具有“核壳”结构,呈现出某些新的特性和功能。根据包覆物的种类不同可分为有机高

分子包覆、无机物包覆以及生物大分子包覆等。周晓龙等在制备含氟稀土纳米润滑油添加剂的过程中采用含氮有机物表面包覆氟化稀土纳米粒子。该方法在合成粒子的同时,将修饰剂作为反应体系的一部分,粒子形成时,粒子表面与修饰剂通过界面吸附,形成鳌合物,使修饰剂均匀紧密地包覆在粒子表面。其中含氮有机物包覆剂是碳数为一的烷基胺或二烷基二硫代磷酸含氮有机盐中的一种或几种。该纳米添加剂在基础油中能均匀稳定分散,同润滑油其它添加剂的复配协同效应良好。陈传盛等采用硫酸和硝酸混合酸对催化裂解法制备的多壁碳纳米管进行纯化,然后运用硬脂酸对碳纳米管进行表面修饰,并研究了硬脂酸修饰后的碳纳米管的表面状况以及作为润滑油添加剂的摩擦学行为川。实验结果表明,在硫酸的催化作用下,通过醋化反应,碳纳米管能够被硬脂酸包覆,并且硬脂酸修饰的纳米碳管作为润滑油添加剂能够显著提高基础油的抗磨减摩性能。当添加质量分数为巧左右时,润滑油的抗磨减摩性能最佳,与基础油相比可以使摩擦因数下降左右,磨损量下降一。纳米润滑添加剂的表面局部化学修饰利用化学反应赋予纳米粒子表面新的官能团,从而产生新的功能。表面局部化学修饰又称表面接枝改性方法,它可以充分发挥无机纳米微粒与高分子各自的优点,实现优化设计,制备出具有新功能的纳米微粒。其次纳米微粒经表面接枝后,提高

收稿日期一一著者简介王应军一,男,硕士研究生,主要从事航空润滑剂方面的研究工作。2011年卷第期王应军,等纳米润滑添加剂表面修饰方法综述了它们在有机溶剂和高分子材料中的分散性,这就使得人们有可能根据需要制备纳米微粒含量高、分布均匀的高分子复合材料。朱红等利用原位合成法在室温下直接在基础油中成功制备了油酸修饰的纳米颗粒,将其长时间静置,不会发生纳米颗粒的团聚'〕。研究表明,该方法制备的纳米颗粒粒径大约为。红外光谱结果表明,由于油酸的梭基与无机纳米颗粒表面发生了化学吸附,使无机纳米颗粒的表面有一层有机修饰层,从而增强了其油溶性。摩擦磨损试验结果表明,该添加剂在基础油中能起到抗磨减摩的效果。随着添加剂质量分数的增大,摩擦因数和磨斑直径都呈现下降趋势,当添加剂质量分数时,摩擦因数和磨斑直径都达到最小值,但是进一步增加添加剂质量分数,摩擦因数和磨斑直径又都开始增大。研究结果表明,油酸修饰的纳米颗粒能起到抗磨减摩作用的原因是因为其有利于在摩擦副表面形成牢固的润滑膜。刘仁德以微乳化化学还原法制备并表面修饰了纳米铜粒子,它们在基础油中显示出良好的油溶性,在苯、甲苯等有机溶剂中有良好的分散性和稳定性冈。用四球摩擦磨损试验机考察了其在基础油中的摩擦学性能,并对其摩擦化学作用机制进行了研究。结果表明,表面修饰纳米铜添加剂具有良好的抗磨和承载能力。磨斑的表面分析表明,纳米铜添加剂在边界润滑下形成了一层厚度约为含单质铜的沉积膜,这是其具有良好摩擦学性能的主要原因。纳米润滑添加剂的表面机械化学修饰机械化学法纳米微粒表面修饰是指通过压缩、剪切、摩擦、延伸、弯曲、冲击等手段,对固体、液体、气体物质施加机械能,使纳米微粒表面活化能提高,从而使纳米微粒表面产生活化点,诱发这些物质的物理化学性质变化,使固体与周围环境中的固体、液体、气体发生化学变化。苏小莉等采用机械化学表面修饰法,以硬脂酸为修饰剂,在气流粉碎机中对纳米氧化锌进行解团聚和表面修饰,并借助现代分析技术对修饰前后的氧化锌粉体进行结构表征〔'〕。结果表明,硬脂酸分子在氧化锌表面,修饰前后氧化锌的晶体结构相同,其颗粒的团聚性降低,二次粒径明显减小。在实验中分别用氧化锌质量分数的,,,,巧,和的硬脂酸对纳米氧化锌进行表面修饰,得到修饰剂用量与修饰粉体活化指数和亲油度的关系。结果表明,随着修饰剂用量增大,修饰效果明显增强,当修饰剂用量为时,活化指数接近,亲油度也达到最大值,继续增大修饰剂用量,活化指数趋于稳定,亲油度下降。可能是由于修饰剂用量为时,硬脂酸在氧化锌颗粒表面形成完全单分子层包覆,颗粒表面被非极性碳链完全覆盖,修饰效果最佳。而后继续增大修饰剂用量时,硬脂酸非极性端的碳链与颗粒表面的碳链互相吸附,而其极性端的梭基被排斥在外,颗粒表面又有极性层存在,导致亲油性下降。可见,最佳的修饰剂用量为时,氧化锌表面亲油疏水,在有机溶剂中有较好的分散性。日本奈良机械制作所开发的系统,将纳米微粒与修饰剂加入有序混合机中,充分混合均匀后,经定量计量系统将纳米微粒与修饰剂加人系统进行改性处理。改性完成后,纳米微粒送人成品收集装置收集。主机由高速旋转的转子、定子和循环路组成,被处理的纳米微粒在这些部件的作用下被迅速分散,在短时间内即能完成改性处理仁」。纳米润滑添加剂的表面微胶囊修饰微胶囊修饰是采用特定的方法和特定的设备,使高分子材料包裹层包裹住纳米微粒,反应试剂等,制成微胶囊,然后将所制备的固态或液态的微胶囊与高分子材料或其他材料混合,施于被应用的基材上,用加热、加压或辐射的手段使微胶囊破裂,释放所包裹的物质,产生所需的应用性能或不破坏包囊膜,使所包裹的物质通过包囊膜扩散向外释放,产生可控制的性能或直接作为一个微小单元用于高分子材料。董凌等用化学方法制备了纳米微胶囊铜润滑添加剂,用四球机考察了其在矿物油中的摩擦学性能'〕。结果表明,纳米微胶囊铜润滑添加剂具有优良的减摩、抗磨和极压性能。其润滑作用机理是纳米粒子在摩擦表面沉积,并在高温高压下形成低剪切强度的表面膜,减少摩擦磨损,表现出良好的极压和抗磨减摩性能。杨晶等制备出油酸修饰的层状硅酸钙材料,用四球机和面摩擦试验机考察改性层状硅酸钙材料作为润滑添加剂在液体石蜡中的抗磨减摩作用,并通过扫描电子显微镜观察分析磨损表面形貌〔。结果表明,所制备的改性层状硅酸钙材料在基础油中有较好的分散稳定性,在适宜添加量范围内和一定的载荷下可以明显增强液体石蜡的减摩抗磨性合成润滑材料年卷第期

能。层状硅酸钙层间易滑动,作为润滑添加剂可使摩擦因数降低,晶体结构发生挤压变形,以片状形式脱落,并在摩擦表面形成含有和的润滑膜,起到良好的抗磨作用。层状硅酸钙特殊的层状结构是其具有优良减摩抗磨性能的原因。纳米润滑添加剂的沉淀反应表面修饰利用化学沉淀反应将生成物沉积在纳米微粒的表面,形成一层或多层修饰层的方法,可改善纳米微粒某些性质。沉淀反应修饰是无机纳米微粒表面修饰最常用的方法之一。高利华等采用共沉淀表面修饰法在醇水体系中制备了双十八烷氧基二硫代磷酸毗陡盐

一表面修饰的。纳米微粒叫。并利用红外光谱,透射电镜等手段表征其结构,通过四球磨损

试验测试了其润滑性能。结果表明,表面修饰稀土氟化物纳米微粒在有机溶剂中具有良好的分散性,以其作为添加剂调制出的润滑油具有较好的减摩抗磨性能。乌学东等用沉淀法合成了二烷基二硫代磷酸修饰的二硫化钥纳米粒子,并作为油品添加剂。通过表面修饰的方法不但解决了油溶性问题,而且由于修饰层控制了粒子的长大和团聚。在四球机上研究其摩擦学性质,实验结果表明,有机基团修饰的纳米粒子具有优良的抗磨减摩性能「'。〕。结束语研究纳米润滑添加剂不仅要研究修饰工艺和修饰剂,而且要研究被修饰纳米材料的结构,特性,

摩擦学性能与润滑机理,两者结合起来才能保证纳米润滑添加剂在润滑油中有较好的分散性和稳定性,才能制备出实用的润滑油添加剂。

参考文献〔〕徐滨士纳米表面工程〕北京化学工业出版社,

〕陈传盛,陈小华,刘天贵,等碳纳米管的化学修饰以及作为润滑油添加剂的摩擦学性能研究「〕化学学报,,一朱红,王滨,申靓梅,等油酸修饰纳米颗粒的原位合成及其摩擦学性能物理化学学报,,一刘仁德,梁敬辉,陶德华表面修饰纳米铜粒子的制备及其摩擦学性能润滑与密封皿刃,卜〕苏小莉,曹智,李庆华纳米氧化锌的机械力化学表面改性〔化学研究,,一「乔玉林纳米微粒的润滑和自修复技术北京国防工业出版社,一「」董凌,陈国需,方建华,等纳米微胶囊铜的摩擦学性能研究合成润滑材料,,一杨晶,李华峰,陈国需,等层状硅酸钙作为润滑添加剂的减摩抗磨性能研究【润滑与密封,,一「」高利华,李聚源,付丽芳,等稀土氟化物纳米润滑油添加剂的合成及应用「〕西安石油大学学报自然科学版,,一「」乌学东,王大璞,张信刚,等表面修饰纳米粒子的摩擦学性能上海交通大学学报,,一

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委内瑞拉成世界上最大的石油储备国委内瑞拉石油部长拉米雷斯在年年初的一次新闻发布会上称,委内瑞拉已探明的石油储量已达到亿桶,超越沙特阿拉伯亿捅储量成为世界上最大的石油储备国。但大多数油田地形复杂,开采成本昂贵。