CN100334187C

CN100334187C - 一种含亲油性金属硫化物纳米润滑液的制备方法

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Publication number: CN100334187C
Application number: CNB2005101302584A
Authority: CN
Inventors: 朱红; 王滨; 郭洪范
Original assignee: Beijing Jiaotong University
Current assignee: Beijing Jiaotong University
Priority date: 2005-12-15
Filing date: 2005-12-15
Publication date: 2007-08-29
Anticipated expiration: 2025-12-15
Also published as: CN1775933A

Abstract

本发明涉及一种含亲油性金属硫化物纳米润滑液的制备方法。本发明以有机金属盐前驱体、硫化氢气体为反应物，使用原位合成法直接在润滑油合成出含亲油性金属硫化物纳米颗粒的母液，将母液直接与润滑油进行调和搅拌即得到含亲油性金属硫化物纳米润滑液。本发明合成的纳米润滑液具有很好的分散稳定性。合成过程中纳米颗粒的生成与表面修饰同步完成，并且反应只生成纳米颗粒和表面修饰剂，无多余副产物生成。本发明不但很好解决了纳米材料在润滑油中分散稳定性差的问题，而且操作简单，无需特殊工艺设备，容易实现工业化。本发明制备的纳米润滑液，不仅降低摩擦系数，而且减小磨斑直径，能起到抗磨减摩的效果。

Description

一种含亲油性金属硫化物纳米润滑液的制备方法

技术领域

本发明涉及一种含纳米材料的润滑液的制备方法。

背景技术

润滑油添加剂的发展水平是衡量一个国家润滑油质量的重要标志。近年来，由于无机纳米材料具有特殊的物理化学性能，将纳米材料应用于润滑油添加剂的研究受到了越来越多的重视。但是由于大多数无机纳米材料的表面具有疏水性，将其分散在润滑介质中经过长期静置会有沉淀现象发生，这大大限制了无机纳米材料在润滑油添加剂领域中的应用。而纳米材料的添加是以在润滑介质中具有良好分散性和长效稳定为前提的，否则不但难以发挥其优异的摩擦学性能，而且在使用过程中因团聚而堵塞油路和滤清器。因此，解决好纳米材料在润滑油介质中的分散稳定性问题是将纳米材料应用于润滑油添加剂领域的关键技术之一。

目前无机纳米材料作为润滑油添加剂的研究还处于起步阶段，许多基础性研究工作还需要大力开展，尤其是解决无机纳米材料在润滑油等有机介质中的分散稳定性问题。为了改善其在润滑油中的分散稳定性，需要对无机纳米材料进行表面改性，从而可以将其作为润滑油添加剂使用。目前制备作为润滑油添加剂的纳米材料的方法主要有两种：第一种方法是先制备出纳米材料，再用分散剂将纳米材料悬浮在润滑介质中作为润滑油添加剂进行应用，如中国专利CN 1175621A，CN 1536058A。这种方法的不足是纳米材料的表面修饰不够完全，而且将纳米材料分散到润滑油介质中往往需要通过超声、剧烈机械搅拌等工艺，对于设备的要求较高和制作工艺复杂等缺点；第二种方法是在水相或醇水混合相等极性反应体系中加入化学表面修饰剂，通过化学反应合成出具有亲油性的纳米材料，再将其通过一定分散方法将纳米材料分散于润滑油等介质中，如中国专利CN 1183461A，CN 1221748A，CN 1354056A。这种方法的不足是由于是在极性溶剂中制备出的纳米材料，纳米材料的表面亲水性会有所增强，亲油性不是很好，而且在纳米材料制备的后期处理工作如过滤、干燥等过程中，容易发生纳米材料的结块。由此可以看出，虽然这两种方法在一定程度上解决了无机纳米材料与润滑油等非极性介质之间的兼容性问题，但是只能获得短期的分散稳定，经过长时间的静置还是会出现无机纳米材料粒径变大，发生团聚等现象，从而严重影响了润滑油的质量，而且将纳米材料分散在润滑油等润滑介质中有制作工艺复杂、设备要求较高等缺点。

发明内容

本发明的目的是针对纳米材料在润滑油等非极性介质中分散稳定性差，纳米材料在润滑油等介质中分散工艺复杂等问题，提供了一种直接在润滑油等非极性介质中原位合成纳米材料的方法，然后直接将所合成出来的含较高浓度纳米颗粒的母液与润滑油进行调和搅拌，即得到含有纳米颗粒的润滑液。

本发明的技术方案：

A)有机金属盐前驱体的制备

步骤1，将正己烷与无水乙醇的混合溶剂加入到反应容器中，然后再加入反应原料1浓度范围为0.5～2mol/L的氯化铜水溶液，其中三者的体积比为7∶4∶3；

步骤2，将反应原料2油酸钠加入到上述的反应容器中，其中氯化铜与油酸钠的摩尔比为1∶2，在65～85℃的加热条件下反应2～5h；

步骤3，反应结束后，从反应液中分离出无机相和有机相，并用去离子水对有机相洗涤三次以上；

步骤4，对有机相在3～20KPa，50～60℃条件下进行减压蒸馏，除去有机溶剂得到有机金属盐前驱体；

B)亲油性金属硫化物的原位合成

步骤1，将上述的有机金属盐前驱体和表面修饰剂油酸加入到另一个反应容器中，两者的摩尔比为1∶2～2∶1；

步骤2，再往反应容器中加入润滑油作为反应介质，其中有机金属盐前驱体在润滑油中的含量为0.1～1mol/Kg；

步骤3，加热反应容器中的物质并保持25～35℃，搅拌至有机金属盐前驱体完全溶解于润滑油中；

步骤4，向反应容器中缓慢通入干燥的硫化氢气体，在反应温度25～45℃下，继续搅拌反应2～4h，即得到浓度为w₁的含亲油性金属硫化物纳米颗粒的母液，w₁的范围为1.00～10.0％；

浓度

w_{1} = \frac{M \times n}{W} \times 100 %

其中M为金属硫化物的式量；n为金属硫化物的物质的量，单位：mol；W为润滑油的质量，单位：g；

C)纳米润滑液的制备

将质量为m₁的上述母液与质量为m₂的润滑油进行调和搅拌，即得到浓度为w₂的纳米润滑液，w₂的范围为0.05～3.00％，根据以下公式来确定润滑油的加入量m₂；

m_{2} = \frac{(w_{1} - w_{2}) \times m_{1}}{w_{2}}

在有机金属盐前驱体的制备中步骤1所述的混合溶剂还能使用正庚烷与无水乙醇的混合溶剂，其体积比为7∶4。

在有机金属盐前驱体的制备中步骤1所述的反应原料1还能使用硫酸铜、硝酸铜、醋酸铜、氯化镍、硫酸镍、氯化锌、硫酸锌、硝酸锌、醋酸锌、氯化铅、硝酸铅或醋酸铅的水溶液，其浓度范围为0.5～2mol/L。

在有机金属盐前驱体的制备中步骤2所述的反应原料2还能使用油酸钾。

在亲油性金属硫化物的原位合成中步骤2所述的润滑油是指馏分润滑油、烃类润滑油、聚醚类润滑油或硅油类润滑油。

在有机金属盐前驱体的制备中，步骤1所述的混合溶剂选用正己烷和无水乙醇为最佳，步骤1所述的反应原料1选用氯化铜、氯化镍为最佳，步骤2所述的反应原料2选用油酸钠为最佳，步骤2中所述的加热的最佳温度是70℃。在亲油性金属硫化物的原位合成过程中，步骤1所述的有机金属盐前驱体与表面修饰剂油酸的最佳摩尔比为1∶1。步骤3所述的反应温度，从节省能源的角度出发，可以考虑直接在室温下进行亲油性金属硫化物的原位合成。

本发明具有的有益效果：

1.本发明制备的亲油性的金属硫化物纳米颗粒，由于表面改性是直接在润滑油介质中进行的，因此纳米颗粒不仅具有良好的亲油性，而且在润滑油中具有更好的分散稳定性。

2.本发明提出的这种直接在润滑油介质中原位合成润滑油添加剂的方法，合成过程中只有纳米颗粒和表面修饰剂的生成，没有多余的副产物生成，具有操作过程简单的优点。

3.本发明提出的这种直接在润滑油介质中原位合成润滑油添加剂的方法无需经过传统的步骤如干燥、过滤、洗涤等，也无需将纳米颗粒通过超声、剧烈搅拌等手段将其加入到润滑油等介质中。只需将母液与润滑油调和搅拌即可得到纳米润滑液。因此该发明具有对设备要求不高的特点。

附图说明

图1原位合成的油酸修饰硫化铜纳米颗粒透射形貌图。

图2原位合成的油酸修饰硫化镍纳米颗粒透射形貌图。

图3硫化铜纳米润滑油添加剂在不同添加浓度下摩擦系数随添加浓度的变化曲线图。

图4硫化镍纳米润滑油添加剂在不同添加浓度下摩擦系数随添加浓度的变化曲线图。

图5硫化铜纳米润滑油添加剂在不同添加浓度下磨斑直径随添加浓度的变化曲线图。

图6硫化镍纳米润滑油添加剂在不同添加浓度下磨斑直径随添加浓度的变化曲线图。

图7纯润滑油润滑条件下的磨斑直径扫描电镜图(放大倍数×100，×1000)。

图8含0.1％亲油性硫化铜纳米颗粒条件下磨斑直径扫描电镜图(放大倍数×100，×1000)。

图9含0.3％亲油性硫化镍纳米颗粒条件下磨斑直径扫描电镜图(放大倍数×100，×1000)。

具体实施方式

通过实例对本发明的具体实施方式进行说明。

实例1

A)有机金属铜盐前驱体的制备

步骤1，将70mL正己烷与40mL无水乙醇的混合溶剂加入到反应容器中，然后再加入反应原料浓度为0.667mol/L氯化铜水溶液30mL；

步骤2，将0.04mol反应原料油酸钠加入到上述的反应容器中，在70℃的加热条件下反应3h；

步骤4，对有机相在3～20KPa，60℃条件下进行减压蒸馏，除去有机溶剂得到有机金属铜盐前驱体；

B)亲油性金属硫化铜的原位合成

步骤1，将0.02mol有机金属铜盐前驱体和0.02mol油酸加入到另一个反应容器中；

步骤2，再往反应容器中加入100g烃类润滑油作为反应介质，其中有机金属铜盐前驱体在润滑油中的含量为0.2mol/Kg；

步骤3，加热反应容器中的物质并保持30℃，搅拌至有机金属铜盐前驱体完全溶解于润滑油中；

步骤4，向反应容器中缓慢通入干燥的硫化氢气体，在25℃下搅拌反应4h，即得到浓度为1.92％的含亲油性硫化铜纳米颗粒的母液；

浓度的计算公式为：

w_{1} = \frac{M \times n}{W} \times 100 %,

C)纳米润滑液的制备

依次取2.0g、4.0g、8.0g、10.0g、20.0g的上述母液分别与74.8g、72.8g、43.2g、28.4g、18.4g烃类润滑油进行调和搅拌，即得到浓度为0.05％，0.1％，0.3％，0.5％，1.0％含亲油性硫化铜纳米润滑液。

根据以下公式来确定润滑油的加入量m₂；

m_{2} = \frac{(w_{1} - w_{2}) \times m_{1}}{w_{2}}

其中m₁为母液的质量，w₁为母液的浓度，m₂为润滑油的加入量，w₂为纳米润滑液的浓度。

本实例方案为最佳实施方案。

实例2

A)有机金属铜盐前驱体的制备

步骤1，将7L正庚烷与4L无水乙醇的混合溶剂加入到反应容器中，然后再加入反应原料浓度为2mol/L硫酸铜水溶液3L；

步骤2，将12mol反应原料油酸钠加入到上述的反应容器中，在85℃的加热条件下反应5h；

步骤4，对有机相在3～20KPa，55℃条件下进行减压蒸馏，除去有机溶剂得到有机金属铜盐前驱体；

B)亲油性金属硫化铜的原位合成

步骤1，将2mol有机金属铜盐前驱体和3mol油酸加入到另一个反应容器中；

步骤2，再往反应容器中加入2Kg聚醚类润滑油作为反应介质，其中有机金属铜盐前驱体在润滑油中的含量为1mol/Kg；

步骤3，加热反应容器中的物质并保持32℃，搅拌至有机金属铜盐前驱体完全溶解于润滑油中；

步骤4，向反应容器中缓慢通入干燥的硫化氢气体，在40℃下搅拌反应2.5h，即得到浓度为9.6％的含亲油性硫化铜纳米颗粒的母液；

C)纳米润滑液的制备

依次取20.0g、50.0g、80.0g、100.0g、120.0g的上述母液分别与364.0g、430.0g、432.0g、380.0g、264.0g聚醚类润滑油进行调和搅拌，即得到浓度为0.5％，1.0％，1.5％，2.0％，3.0％含亲油性硫化铜纳米润滑液。

实例3

A)有机金属镍盐前驱体的制备

步骤1，将140mL正己烷与80mL无水乙醇的混合溶剂加入到反应容器中，然后再加入反应原料浓度为0.667mol/L氯化镍水溶液60mL；

步骤2，将0.08mol反应原料油酸钠加入到上述的反应容器中，在68℃的加热条件下反应2.5h；

步骤4，对有机相在3～20KPa，62℃条件下进行减压蒸馏，除去有机溶剂得到有机金属镍盐前驱体；

B)亲油性金属硫化镍的原位合成

步骤1，将0.04mol有机金属镍盐前驱体和0.04mol油酸加入到另一个反应容器中；

步骤2，再往反应容器中加入200g烃类润滑油作为反应介质，其中有机金属镍盐前驱体在润滑油中的含量为0.2mol/Kg；

步骤3，加热反应容器中的物质并保持32℃，搅拌至有机金属镍盐前驱体完全溶解于润滑油中；

步骤4，向反应容器中缓慢通入干燥的硫化氢气体，在28℃下搅拌反应3h，即得到浓度为1.81％的含亲油性硫化镍纳米颗粒的母液；

C)纳米润滑液的制备

依次取2.0g、4.0g、8.0g、10.0g、20.0g的上述母液分别与70.4g、68.4g、40.3g、26.2g、16.2g烃类润滑油进行调和搅拌，即得到浓度为0.05％，0.1％，0.3％，0.5％，1.0％含亲油性硫化镍纳米润滑液。

实例4

A)有机金属镍盐前驱体的制备

步骤1，将3.5L正庚烷与2L无水乙醇的混合溶剂加入到反应容器中，然后再加入反应原料浓度为0.8mol/L硫酸镍水溶液1.5L；

步骤2，将2.4mol反应原料油酸钾加入到上述的反应容器中，在84℃的加热条件下反应3.5h；

步骤4，对有机相在3～20KPa，50℃条件下进行减压蒸馏，除去有机溶剂得到有机金属镍盐前驱体；

B)亲油性金属硫化铜的原位合成

步骤1，将1mol有机金属镍盐前驱体和2mol油酸加入到另一个反应容器中；

步骤2，再往反应容器中加入2Kg硅油类润滑油作为反应介质，其中有机金属镍盐前驱体在润滑油中的含量为0.5mol/Kg；

步骤3，加热反应容器中的物质并保持35℃，搅拌至有机金属镍盐前驱体完全溶解于润滑油中；

步骤4，向反应容器中缓慢通入干燥的硫化氢气体，在38℃下搅拌反应3h，即得到浓度为4.53％的含亲油性硫化镍纳米颗粒的母液；

C)纳米润滑液的制备

依次取25.0g、50.0g、80.0g、100.0g、150.0g的上述母液分别与201.5g、252.0g、282.4g、202.0g、189.8g硅油类润滑油进行调和搅拌，即得到浓度为0.5％，0.75％，1.0％，1.5％，2.0％含亲油性硫化镍纳米润滑液。

实例5

A)有机金属锌盐前驱体的制备

步骤1，将700mL正己烷与400mL无水乙醇的混合溶剂加入到反应容器中，然后再加入反应原料浓度为0.75mol/L氯化锌水溶液300mL；

步骤2，将0.45mol反应原料油酸钾加入到上述的反应容器中，在75℃的加热条件下反应4.5h；

步骤4，对有机相在3～20KPa，58℃条件下进行减压蒸馏，除去有机溶剂得到有机金属镍盐前驱体；

B)亲油性金属硫化锌的原位合成

步骤1，将0.2mol有机金属锌盐前驱体和0.1mol油酸加入到另一个反应容器中；

步骤2，再往反应容器中加入0.5Kg硅油类润滑油作为反应介质，其中有机金属锌盐前驱体在润滑油中的含量为0.4mol/Kg；

步骤3，加热反应容器中的物质并保持34℃，搅拌至有机金属锌盐前驱体完全溶解于润滑油中；

步骤4，向反应容器中缓慢通入干燥的硫化氢气体，在42℃下搅拌反应2h，即得到浓度为3.88％的含亲油性硫化锌纳米颗粒的母液；

C)纳米润滑液的制备

依次取20.0g、50.0g、80.0g、100.0g、120.0g的上述母液分别与135.2g、208.7g、230.4g、158.7g、112.8g馏分润滑油进行调和搅拌，即得到浓度为0.5％，0.75％，1.0％，1.5％，2.0％含亲油性硫化锌纳米润滑液。

实例6

A)有机金属铅盐前驱体的制备

步骤1，将1.4L正己烷与0.8L无水乙醇的混合溶剂加入到反应容器中，然后再加入反应原料浓度为0.05mol/L醋酸铅水溶液0.6L；

步骤2，将0.06mol反应原料油酸钾加入到上述的反应容器中，在82℃的加热条件下反应5h；

步骤4，对有机相在3～20KPa，57℃条件下进行减压蒸馏，除去有机溶剂得到有机金属镍盐前驱体；

B)亲油性金属硫化锌的原位合成

步骤1，将0.03mol有机金属铅盐前驱体和0.05mol油酸加入到另一个反应容器中；

步骤2，再往反应容器中加入0.3Kg硅油类润滑油作为反应介质，其中有机金属锌盐前驱体在润滑油中的含量为0.1mol/Kg；

步骤3，加热反应容器中的物质并保持35℃，搅拌至有机金属锌盐前驱体完全溶解于润滑油中；

步骤4，向反应容器中缓慢通入干燥的硫化氢气体，在30℃下搅拌反应4.5h，即得到浓度为2.39％的含亲油性硫化锌纳米颗粒的母液；

C)纳米润滑液的制备

依次取10.0g、15.0g、20.0g、25.0g、30.0g的上述母液分别与18.9g、56.7g、43.7g、34.8g、5.9g烃类润滑油进行调和搅拌，即得到浓度为0.25％，0.5％，0.75％，1.0％，2.0％含亲油性硫化铅纳米润滑液。

纳米润滑液的性能评价：

图1为实例1原位合成的油酸修饰硫化铜纳米颗粒透射形貌图。图2为实例3原位合成的油酸修饰硫化镍纳米颗粒透射形貌图。从图中可以看出，纳米颗粒间无明显的团聚现象。这是因为无机纳米颗粒的表面包覆有一层有机修饰层，降低了纳米颗粒的表面能，减小了纳米颗粒间的相互作用力，阻止了其团聚。将纳米润滑液长期放置都不会发生纳米颗粒的团聚，这主要是因为纳米颗粒是直接在非极性的润滑油中合成，同时纳米颗粒的表面修饰也是在润滑油中进行的。正是由于表面修饰剂与纳米颗粒间发生了化学吸附，使得纳米颗粒具有了较好的亲油性，从而增强了纳米颗粒在润滑油中的分散稳定性。

将实例1和实例3得到的含亲油性金属硫化物纳米润滑液在美国产的FALEX-6型四球试验机上考察其抗磨减摩性能。试验条件为主轴转速为1450r/min，载荷为300N，试验时间为30min，试验温度为室温条件。所用钢球为上海轴承厂生产的四球机专用GCr15(AISI 52100)十级标准钢球，直径12.7mm，硬度62～64HRC。试验所用的纳米润滑液的浓度为0.05％，0.1％，0.3％，0.5％，1.0％。试验结束后，用精度为0.01mm的直读式显微镜在磨痕的水平方向和垂直方向上测量3个下试球的磨痕直径，求其平均值作为测试结果，3次平行试验结果与平均值的差值不大于5％；摩擦磨损试验结束后将钢球用石油醚超声清洗3次共10min，自然干燥，采用JEOL JSM35型扫描电子显微镜(SEM)对磨斑表面进行了观察分析。

从图3和图5中可以看出亲油性金属硫化铜纳米颗粒可以显著降低润滑油的摩擦系数和降低磨损程度，并且摩擦系数和磨斑直径随添加浓度都是呈先小后大的趋势，在添加浓度为0.1％时，摩擦系数和磨斑直径达到最小值。

从图4和图6中可以看出亲油性金属硫化镍纳米颗粒也可以显著降低润滑油的摩擦系数和降低磨损程度，并且摩擦系数和磨斑直径随添加浓度都是呈先小后大的趋势，在添加浓度为0.3％时，摩擦系数和磨斑直径达到最小值。

从图7可以看出，在纯润滑油润滑的条件下，磨斑直径比较大，磨斑表面比较粗糙，犁沟较深，擦伤程度较严重，此时磨损程度较为严重。

从图8和图9中明显看出在有亲油性金属硫化物润滑的条件下钢球的磨斑直径明显要比纯润滑油润滑条件下小许多，并且摩擦副表面平整，犁沟较浅，擦伤程度较轻。这主要与润滑油中含有大量的亲油性的金属硫化物纳米颗粒有关，在摩擦过程中，纳米颗粒与摩擦表面发生摩擦化学反应，可以在摩擦副之间形成牢固的润滑膜，对摩擦表面进行修复使其变得比较平整，从而起到抗磨的作用。

因此，本发明所合成的亲油性的纳米金属硫化物可有效提高润滑油的抗磨减摩能力。

Claims

1.一种含亲油性金属硫化物纳米润滑液的制备方法，其特征在于：

A)有机金属盐前驱体的制备

B)亲油性金属硫化物的原位合成

w_{1} = \frac{M \times n}{W} \times 100 %

C)纳米润滑液的制备

m_{2} = \frac{(w_{1} - w_{2}) \times m_{1}}{w_{2}} .

2.根据权利要求1所述的一种含亲油性金属硫化物纳米润滑液的制备方法，其特征在于有机金属盐前驱体的制备中步骤1所述的混合溶剂使用正庚烷与无水乙醇的混合溶剂，其体积比为7∶4。

3.根据权利要求1所述的一种含亲油性金属硫化物纳米润滑液的制备方法，其特征在于有机金属盐前驱体的制备中步骤1所述的反应原料1使用硫酸铜、硝酸铜、醋酸铜、氯化镍、硫酸镍、氯化锌、硫酸锌、硝酸锌、醋酸锌、氯化铅、硝酸铅或醋酸铅的水溶液，其浓度范围为0.5～2mol/L。

4.根据权利要求1所述的一种含亲油性金属硫化物纳米润滑液的制备方法，其特征在于有机金属盐前驱体的制备中步骤2所述的反应原料2使用油酸钾。

5.根据权利要求1所述的一种含亲油性金属硫化物纳米润滑液的制备方法，其特征在于亲油性金属硫化物的原位合成中步骤2所述的润滑油是指馏分润滑油、烃类润滑油、聚醚类润滑油或硅油类润滑油。