润滑油中的纳米材料

文章编号:1002-3119(2002)03-0019-03

润滑油中的纳米材料

王月霞,苗望春

(河南洛阳石油化工工程公司炼制所,河南洛阳471003)

摘要:介绍纳米材料的制备、微观结构和特性,叙述纳米材料作为新型润滑油添加剂的可能性,探讨纳米材料产生

润滑的机理,认为纳米材料的润滑作用主要是在摩擦表面起 滚珠轴承 、 薄膜润滑 和 第三体 的作用。

关键词:纳米材料;润滑油;应用

中图分类号:T E624.82 文献标识码:A

1 前言

润滑油的润滑性和抗磨性是润滑油质量的重要标志,润滑油的润滑过程是一个复杂的过程。润滑油作用是防止接触件在相互运动时发生表面粗糙微突体的接触,它吸附在运动体表面形成一层液膜,阻隔摩擦表面粗糙微突体的接触。由于摩擦面运动时或环境因素变化(温度、压力等)对液体的物理性质影响较大,难以在摩擦表面长久维持液膜的承载压力,从而使粗糙表面微突体接触,摩擦面的摩擦系数增加,使金属表面产生磨损。为了弥补液体润滑油的缺欠,通常采用添加润滑剂的方法提高润滑油的润滑性能和抗磨性能。如添加多种有机或者无机混合物、液态或者固态的添加剂,添加剂通过物理或化学吸附或者化学反应形成一层液膜,提高液膜的承载能力,降低摩擦面的摩擦系数。润滑油添加剂虽能改善摩擦,但也产生一些副作用,如由于化合物性能不稳定,在使用过程中遇水生成酸,腐蚀摩擦表面;环境和条件超出化合物的允许范围,化合物可能产生化学变化形成对润滑不利的物质,破坏润滑。纳米物质由于量子尺寸效应和表面效应,在摩擦表面以纳米颗粒或者纳米膜的形式存在具有良好的润滑性能和减磨性能,在润滑油中添加纳米材料制成的润滑剂可显著提高其润滑性能和承载能力,减少添加剂的用量,提高产品的质量,特别适用于苛刻条件下的润滑场合。

2 纳米材料

2.1 制备方法

(1)物理法:是将较粗的物质利用低温、超声波、水锤、高能球、冲击波粉碎法进行破碎,或者采用沉积法及晶化法等方法,制成纳米颗粒,近几年开发的新物理方法,如利用光刻或者激光刻方法制成纳米元件等。

(2)化学法:化学法是通过适当的化学反应,从分子、原子出发制备纳米材料的方法。分为气、液、固相反应法。

气相反应法:是一种常用的方法,利用两种或者多种气体或蒸汽相互反应,控制浓度、温度和混合速度,可制得固体颗粒的纳米物质。气相沉积法可将纳米物质制成纳米晶粒和薄膜。通过改变沉积速度控制纳米物质状态(颗粒或者薄膜)。

液相反应法:常见的是在溶液中不同的分子或者离子进行反应,产生固体颗粒。控制反应物浓度、反应温度和搅拌速度,可得到不同尺寸的纳米级固体产物。液相反应法有水解反应、水热反应和还原反应,根据不同的需要采用相应的制备方法制备纳米物质。

固相反应法:固相反应方法应用的比较少,但近年来倍受重视,利用金属盐的热分解制备纳米颗粒和利用金属有机化合物的热分解制备纳米金属颗粒,近几年又发现,金属有机化合物在超声波的作用下,可分解出纳米金属颗粒。

2.2 纳米材料的结构和特性

纳米材料与宏观三维常规材料相比,是一维材料,在三个方向上的尺寸为1~100nm。由于纳米

收稿日期:2002-03-01。

作者简介:王月霞(1960-),女,高级工程师,1983年毕业于抚顺石油学院,从事加氢工艺研究和技术工作,已公开发表论文多篇。

2002年6月Jun.2002 润 滑 油

L ubricating Oil

第17卷第3期

Vol.17,N o.3

材料的表面原子数与总原子数之比是随尺寸变小而增大的,表面原子晶场环境与结合能和内部原子不同,表面原子周围缺少电子,因此具有很多空键,使其具有不饱和性,产生 表面效应 ;当材料的尺寸与电子传导的波长接近或更小时,周期性的边界条件被破坏,材料的磁性、光吸附性、热阻等性质发生巨大变化,即产生所谓的 体积效应 ;材料的尺寸小到一定值时,会产生 量子尺寸效应 。纳米材料具有上述独特的结构特点,使其产生了高扩散性、熔点低、硬度高、易烧结、催化反应活性高等特性而得到广泛应用,而将以上纳米材料应用于制备润滑材料时,不仅可以在摩擦表面形成降低摩擦系数的薄膜,而且可以修复破损的摩擦表面。

3 在润滑油添加剂方面的应用

3.1 利用纳米材料改进摩擦性能

润滑油添加剂能赋予或者提高基础油的使用性能,性能良好的添加剂是高档润滑油不可缺少的一部分。纳米材料由于粒晶极细,处于晶界和晶粒内缺陷中心的原子及其本身具有的量子尺寸效应、小尺寸效应、表面效应及宏观量子隧道效应等,使纳米材料在润滑与摩擦学方面具有特殊的降摩减磨和高负荷能力。王立光等[1]研究了纳米氢氧化镍对油品抗摩性、最大无卡咬负荷及摩擦系数的影响,结果表明:在500SN的基础油中加入一定量的30~80 nm的氢氧化镍和分散剂,可有效提高油的抗磨和极压承载能力,显著降低摩擦系数。表1为添加添加剂前后油品磨斑直径比较。相同条件下加入纳米添加剂的润滑油磨斑直径明显小于基础油。研究认为吸附有分散剂的纳米氢氧化镍沉积在摩擦表面,在摩擦剪切力的作用下形成具有抗磨减摩性能的膜,从而提高抗磨性。胡泽善[2]研究了SnO的抗磨减摩性能,与王立光等的观点一致,表2是SnO纳米对磨斑直径的影响。叶毅等[3]利用CO2超临界干燥法制备10~70nm的硼酸镧粒子,添加到润滑油中可显著提高其抗磨性,原因是硼酸镧粒子在摩擦表面形成物理沉积膜和化学反应膜。纳米级的金属粉(如锡、铜、银等)添加到润滑油中可提高其极压性能。纳米材料作为润滑油的添加剂也存在一些不利因素,如由于纳米材料极细的晶粒导致颗粒具有巨大的表面能、颗粒间的吸引力、颗粒间自动集聚力,使颗粒形成块状体,在润滑油中沉淀下来,失去添加剂的功能。王九等[4]研究了纳米材料在润滑油中的分散性和稳定性,认为选择适宜的分散剂和稳定剂与纳米添加剂进行匹配,或者研制新的分散剂和稳定剂,解决润滑油中纳米材料在苛刻工况下的稳定性。

表1 磨斑直径比较

润滑油负载/N摩擦时间/m i n磨斑直径/mm 基础油245100.44

29430*0.69

基础油添加分散剂245100.43

29530*0.71

基础油加入纳米添加剂245100.34

29530*0.60

注:*在245N摩擦10min后,在294N摩擦30min,表2同。

表2 纳米SnO对磨斑直径的影响

润滑油负载/N摩擦时间/m i n磨斑直径/mm 基础油245100.44

29430*0.69

基础油加入纳米SnO245100.40

29530*0.57

张治军[5]等针对纳米金属氢氧化物或者金属氧化物在有机介质中分散性差,易于团聚的问题,利用C2~C20脂肪酸对其进行修饰,使纳米颗粒表面形成稳定的化学修饰层,这种修饰作用可控制纳米颗粒的团聚,是使其均匀的分散在润滑油中。

张泽抚[6]利用含氮有机物修饰纳米氟化稀土,克服了由于稀土氟化物在润滑油中分散性差,在适用中受到限制的缺陷,提高了润滑油的极压性和抗磨性。纳米氟化镧与抗磨剂在液体石蜡中的抗磨性对比结果见表3。

表3 纳米氟化镧的抗磨性

添加剂浓度/%P B值/N磨斑直径/mm 液体石蜡1003720.72

0.56860.44

氟化镧 1.07350.42

2.07640.44

37640.62 ZDDP17840.50

薛群基[7]等利用含硫有机化合物修饰硫金属化合物和二硫金属化合物,制成纳米微粉,该物质在有机溶剂和润滑油中具有良好的分散性,解决了纳米颗粒在润滑油中聚结、分散性差的问题,使润滑油具有良好的抗磨性及承载能力。

纳米材料在润滑油中减摩抗磨机理是边界润滑

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润 滑 油 2002年第17卷