纳米粒子添加剂在润滑剂中的应用与开发

科技进展

纳米粒子添加剂在润滑剂中的

应用与开发

王　九1,陈波水1,黄维九2

(11后勤工程学院军事油料应用工程系,重庆400016;21重庆工学院机械工程系,重庆400050)

摘要:具有特殊的物理、化学性质的纳米粒子在摩擦学领域引起人们极大的兴趣。研究表明,纳米粒子添加剂具有优良的抗磨减摩性能。但目前含纳米粒子润滑剂的商业产品寥寥无几,这主要是由于纳米粒子在润滑剂中的分散性和稳定性问题还没得到很好解决。本文详细综述了纳米粒子在润滑油中的分散性及稳定性的研究现状,纳米粒子作为油品添加剂的应用与开发等问题。

关键词:纳米粒子;分散性;稳定性;润滑添加剂;抗磨减摩性能

中图分类号:T B383 文献标识码:A 文章编号:1002-1116(2001)02-0013-05

纳米粒子是指由极细晶粒组成,特征维度尺寸在纳米量级(1～100nm)的固态颗粒。随着粉末尺寸的逐渐细化,粉末的结构和性质都要发生变化。第一是体积效应,细化到一定程度,由多晶体变为单晶体;第二是表面效应,随着粒子的细化,比表面积增加,处于表面的原子百分数增加;第三是性质上的变化,随着尺寸的细化,粉末的熔点降低,烧结温度下降,表面活性增大,能量由连续的能带变为不连续的能级。由于纳米粒子属于微观粒子和宏观物体的过渡区域,具有一系列新异的物理、化学性能。它在磁学、光学和电学等许多方面具有不同寻常的性能,使其在催化、磁性材料、传感器、工程应用、生物学和医学诸多领域都得到广泛应用。如几个月前,密歇根大学生物纳米技术中心的一群科学家到犹他州的美国陆军大格维试验场去了一趟,他们其行的目的,是展示“纳米炸弹”的威力。事实上,这种炸弹不会“轰”的一声爆炸,它们是一些分子大的小液滴,其大小只有针尖的1Π5000,作用是炸毁危害人类的各种微小“敌人”,其中包括含有致命生化武器炭疽的孢子[1]。

与以上各应用领域相比,纳米粒子作为润滑油品添加剂的研究还处于起步阶段。目前关于纳米粒子作为润滑添加剂使用的效果、作用机理方面的报道很少,并且还存在相互矛盾甚至相反的结论。对于已提出的有关润滑机理还需加以实验验证。至于真正意义上含有纳米粒子添加剂的商业润滑剂则寥寥无几。这主要是由于纳米粒子在润滑剂中的分散性及稳定性问题还没很好地解决。纳米粒子的极细晶粒导致颗粒具有巨大的表面能,加之颗粒间存在的吸引力,颗粒间自动聚集的倾向很大,经一定时间后可形成较大的块状聚集体[2],纳米粒子因团聚而在润滑油中沉淀下来,最终使用时失去超细颗粒所具有的功能。国外许多公司在解决稳定性方面做了许多研究工作,也发表了不少专利,但在使用过程中悬浮在润滑油中的纳米粒子仍有沉淀现象产生[3]。

1　纳米粒子在润滑油中的分散性

润滑油属于非水分散体系。非水分散体系在工业上有广泛的应用,如油漆、油墨、化妆品、油基钻井液等[4]。非水分散体系比水基分散体系复杂得多,虽然进行了大量研究,但还没形成公认的理论。

分散体系的分散状态及分散稳定性是由颗粒、

第29卷第3期2001年6月

江苏化工

Jiangsu Chem ical Industry

V ol.29N o.3

　Jun.2001

收稿日期:2000-12-27

作者简介:王九(1971年-),男,四川渠县人,在读博士研究生。1995年7月毕业于西南师范大学化学系(本科),1998年7月毕业于沈阳化工学院精细化工系(硕士研究生),1998年9月至今就读于后勤工程学院军事油料应用工程系(博士研究生)。研究方向:润滑添加剂。

分散剂、分散介质等组分间的相互作用共同决定的[5]。两颗粒间的相互作用包括范德华引力能、电斥能、熵斥能。而在非水分散体系中,虽然胶粒表面也带有电荷,这些电荷可能是由吸附加入的表面活性剂或因水的存在通过吸附H+或OH-而引起的,这些带电胶粒周围会形成双电层,进而形成ξ电势能。理论和实践均证明,在稀的非水分散体系中,ξ电势能决定了体系的稳定性。ξ电势越高,体系越稳定。而在润滑油这样浓的非水分散体系中,双电层的稳定作用减弱,有的研究结果表明ξ电势与稳定性无关[6]。因此,在此种情况下,主要考虑空间位阻(熵排斥)的稳定作用。

据计算粒径小于10μm的颗粒间的范德华引力比其重力大十几倍以上[7],因此凝聚的颗粒是不会因重力而分离的。纳米粒子由于粒度极小,在润滑油中一些分散剂能使其得到较好分散。如丁二酰亚胺通过电荷斥力胶溶0～50nm大小的粒子使之分散于油中。而聚合型分散剂的烷基相对分子质量非常大,它能多点在离子间形成较厚的屏障膜,胶溶高达100nm的粒子,因此分散剂能有效地把0～100 nm的粒子分散于油中[8]。

传统的分散剂(一般为表面活性剂)虽然在水性介质中有着很好的分散效果,但对固体颗粒在润滑油中的分散却不佳。为此,国外从70年代开始研究开发了一系列非水体系用聚合型分散剂———超分散剂。超分散剂相对分子质量一般在1000～10000之间,其分子结构一般含有性能不同的两个部分,其中一部分为锚固基团,可通过离子对、氢键、范德华力等作用以单点或多点的形式紧密结合在颗粒表面上,另一部分为具有一定长度的聚合物链,与分散介质有着良好的相溶性,称之为溶剂化链。当吸附有超分散剂的颗粒相互靠近时,由于溶剂化链的空间障碍而使颗粒相互弹开,从而实现颗粒在介质中的稳定分散。

此外,偶联剂也是一种很好的分散剂。它一般为两性结构物质,分子中一部分基团可与粉体表面的各种官能团反应,形成强有力的化学键合,另一部分可与有机高聚物发生某些化学反应或物理缠绕,使无机填料和有机高聚物分子之间产生具有特殊功能的“分子桥”,这样纳米粒子得以很好分散。

纳米粒子在润滑油中的分散程度与纳米粒子的种类、粒度等因素有很大关系。研究表明[9]:极性液体对极性固体具有较大的润湿热,非极性液体对极性固体的润湿热较小,而非极性固体与极性水的润湿热远小于与有机液体的润湿热。我们知道,润湿热描述了液体对固体的润湿程度,如果润湿热越大,说明固体在液体中的润湿程度越好,固体在液体中的分散性也越好;反之,则差。

因此,研究纳米粒子在润滑油中的分散性时,必须选择合适的纳米粒子及合适的分散剂,才能保证纳米粒子在润滑油中有较好的分散性。

2　纳米粒子在润滑油中的稳定性

纳米粒子在润滑油中的分散性及稳定性是两个密切相关的因素。分散性好,稳定性不一定好。因为润滑油一般处于高温、高压及高负荷的工作环境,润滑油中处于悬浮状态的胶体纳米粒子在这样的工作环境下其稳定状态极易遭到破坏而发生聚沉,最终失去纳米粒子在摩擦中具有的功能。所以无机纳米粒子虽然具有许多独特功能,但因其固有的非油溶性一般用作润滑脂添加剂。目前关于纳米材料在润滑油中稳定性的研究不多,商业化的产品更是廖廖无几。拿聚四氟乙烯(PTFE)来说,这种物质作为减摩剂在国内外已不不是什么新鲜事,它具有无污染、无臭、色浅、成本较低、效果较好等特点,被证明是有效的减摩剂之一。国内在70年代就将PTFE粉磨细加到油中作抗磨减摩试验,但往往由于超微粉技术不过关,PTFE粉沉淀而使试验失败,故目前一直没有市售PTFE减摩剂出售。实际上,只要解决PTFE粉超微细化(<5μm)问题,将其悬浮于油中,配之以抗氧剂、油性剂即可得市售产品。目前,我国杭州辐射微波研究所已可解决PTFE微细化问题,为该类型问题的解决提供了基础[10]。

润滑油中纳米材料的稳定性问题不能简单地通过加表面活性剂或其它分散剂等方法得到解决。从目前的研究来看,提高纳米材料在润滑油中稳定性的方法主要有以下几种:

2.1　物质与纳米粒子表面基团发生化学反应或化学吸附

一些固体物质如石英在水和空气的作用下,表面可产生Si—OH、Si—O—Si、Si—OH…H等几种基团,钛白粉(T iO

2

)表面有—OH、T i—O—T i基团,表面还吸附有水及其它阴离子甚至过氧化物或光催化作用所产生的活性氧等[11]。作者在研究纳米粒子CuS的过程中,发现CuS表面存在—OH、—SH等基团。通过选择合适的物质使其与这些基团发生化学

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