CN109097155A

CN109097155A - 一种润滑纳米级添加剂的制备方法

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Publication number: CN109097155A
Application number: CN201811066419.1A
Authority: CN
Inventors: 吴文林
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2018-09-13
Filing date: 2018-09-13
Publication date: 2018-12-28

Abstract

本发明公开了一种润滑纳米级添加剂的制备方法，包括以下步骤：采用湿式分散研磨方法将碳晶进行剪切使其形成微米颗粒；在研磨浆料中加入表面改性剂继续研磨使其形成纳米粒子，所述表面改性剂包括至少两个官能团，其中一个官能团用于植入纳米分体表面，所述表面改性剂的相对分子量小于等于720。采用本方案的方法制备的润滑纳米级添加剂，将其加入各种润滑油中，形成稳定的悬浮液，这种润滑油每升中含有数百万个超分散碳晶纳米颗粒，它们在摩擦过程中可以与固体表面相结合，形成光滑的保护层，同时填塞微划痕，从而大幅度降低摩擦和磨损，尤其在重载、低速和高温振动条件下作用更为显著。

Description

一种润滑纳米级添加剂的制备方法

技术领域

本发明产品纳米化制备领域，具体涉及一种润滑纳米级添加剂的制备方法。

背景技术

超碳晶纳米粉作为润滑油添加剂的研究已有十多年的历史，其以适宜的方式分散于各种润滑油中形成一种稳定的悬浮液，每升溶液中含有数百万个超细的金属微粒，它们与固体表面结合形成滚动润滑保护层，同时将微划痕填塞，可大幅度降低磨损和摩擦，尤其在重载、低速和高温情况下作用更加显著。但是，受超碳晶细粉生产技术和成本的限制一直没有成熟的产品面市。

目前市面上已有多家的化学品公司及新成立的纳米级分散液公司，宣称可提供一些标准的纳米级分散液，但因市面上大部分的纳米级分散液根本未被量身打造地改质，所添加的纳米级粉体因未经改质而易再次凝聚，不易被分散开来，导致预期的纳米现象並沒有产生，因此仍无法直接使其被应用到最终纳米级产品之开发与应用。

发明内容

本发明为了解决上述技术问题提供一种润滑纳米级添加剂的制备方法。

本发明通过下述技术方案实现：

一种润滑纳米级添加剂的制备方法，包括以下步骤：

A、采用湿式分散研磨方法将碳晶进行剪切使其形成微米颗粒；

B、在研磨浆料中加入表面改性剂继续研磨使其形成纳米粒子，所述表面改性剂包括至少两个官能团，其中一个官能团用于植入纳米分体表面，所述表面改性剂的相对分子量小于等于720。

在进入界面改性技术之前，將材料分散研磨到微米或次微米級，但很达到纳米的粒径。其主要原因为一旦材料的颗粒大小被机械力分散研磨纳米级后，此时粉体的比表面积急剧增加，凡德瓦尔力效应及布朗运动较为明显，粉体因而容易再度凝聚在一起，所以不管再怎么分散研磨，粒径总是降不下來，一般只能分散研磨到 100 ~ 200 nm 就无法再將粒径往下降，其原因是当粒径小于 300 nm 时，粉体的比表面积急速上升且凡得瓦尔力效应加剧，此时粉体处于非常不稳定并且极容易再团聚。要解决该问题，必须使用化学机械制备的方法:将上述表面改性剂对纳米粉体做表面面改性，以避免纳米粉体再团聚，一直分散研磨到粒径达到要求要求为止。本方案采用上述的较低分子量且相对分子量小于等于C60的相对分子量720的分子量为的官能团作为表面改性剂，采用溶液化学的理论，较小分子量之化学键所形成的官能团，将较容易被植入到纳米粉体的表面上。所选用的表面改性剂同时具有下列两个官能团：一个官能团设计来植入纳米分体表面，目的是使纳米粉体表面形成一个稳定相态，以避免分体的再团聚产生；另一个官能团的设计，需根据日后该纳米粉体的性能需求来定表面添加剂的官能团，以避免不相容的现象发生。因为本表面改性剂制备所采用的湿式分散研磨方法，所以所选用的表面改性剂需能与所使用的溶剂相容，尽管所选用的表面改性剂的分子量很小。但仍可在纳米粒子表面产生 2-5nm厚度之薄膜，足夠产生一个立体保护层并支撑纳米粒子的稳定性。本方案采用湿式分散研磨方法，因为是湿式，所以浆料温度的变化较不易因研磨而急速上升，也因此可以选用较小磨球，如 0.05 -0.1 mm 磨球为研磨介质，再搭配研磨机的高搅拌速度譬如約 10~16m/s，以缩短分散研磨及反应所需的时间。采用本方案的方法制备的润滑纳米级添加剂，将其加入各种润滑油中，形成稳定的悬浮液，这种润滑油每升中含有数百万个超分散碳晶纳米颗粒，它们在摩擦过程中可以与固体表面相结合，形成光滑的保护层，同时填塞微划痕，从而大幅度降低摩擦和磨损，尤其在重载、低速和高温振动条件下作用更为显著。

作为优选，还包括对纳米粒子的干燥过程，所述干燥过程包括以下步骤：

对研磨后的浆料进行沉淀；

将沉淀物中的水分在减压下以共沸物形式脱除的方法，用正丁醇与湿凝胶的混合物在小于 95 ℃下共沸的条件下把水分除去。干燥的过程实质是一个传质与传热使水分及小分子物质挥发的过程，纳米材料干燥的速率、温度、设备等对纳米材料粒径及分散有很大关系。本方案采用共沸蒸馏的方法，纳米粒子表面的 - O H 被 - OC₄ H₉基团取代，颗粒的表面能大大降低，从而防止了团聚。

作为优选，步骤B利用均质分散机进行研磨，该均质分散机的剪切速率为180.00rpm至220.00 rpm，转子的速度为60m/s至66m/s。分散分层是分散相在外力即重力或离心力作用下，在连续相中上浮或下沉的结果。在忽略布朗运动效应的静态条件下，可用Stokes定律来描述，即分散相球形颗粒由于重力的沉降速度v由下式确定：

；

式中：ρs -ρ为分散相与连续相的密度差，g为重力加速度，d为分散相颗粒直径，μ为连续相的粘度。如果分散相颗粒的密度比连续相密度大，颗粒下沉，速度v为正值，反之，颗粒上浮，速度为负值。沉降速度大，浆料就容易分层。如果要保持体系稳定，就必须降低沉降速度，对于特定的浆料可以通过减小分散相固体颗粒直径 d。因为只有当粒径减至连续相液体分子大小时，颗粒才能稳定、均匀地分散在液体中不发生分离。通过以上的分析我们可以看出，要提高悬浮液的稳定性，分散相颗粒的粒径应尽量细小。但应该指出，根据前人所做的大量研究发现，随着颗粒粒度的减小，虽然颗粒由重力引起的分离作用变为次要的因素，但是由于颗粒之间的间距减小，颗粒之间的结合力譬如范德华力起到了重要决定性作用。另外，当颗粒直径小于某一细小尺寸时，此时，颗粒的布朗运动效应就不能忽略了，所以由于细小颗粒的布朗运动，而使得颗粒之间产生激烈地碰撞。若不加稳定剂，这些情况都会导致颗粒团聚，对体系的稳定是不利的。所以浆料的分散中，颗粒粒径并非越细越好，要视浆料的特性而定。分散就是要根据物料的特性与特点，减小分散相颗粒的粒度，使其分布于一个较窄的尺寸范围，并达到吸力与斥力的相互平衡，从而保证浆料体系的稳定。均质分散机的高的转速和剪切速率对于获得超细微悬浮液是最重要的。将均质分散机的转速和剪切速率控制在上述范围内，由剪切力所造成的湍流结合电机转速可以使粒径范围小到纳米级。

进一步的，所述均质分散机的剪切速率为200.00 rpm，转子的速度可以达到66m/s。

本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

1、采用本方案的方法制备的润滑纳米级添加剂，将其加入各种润滑油中，形成稳定的悬浮液，这种润滑油每升中含有数百万个超分散碳晶纳米颗粒，它们在摩擦过程中可以与固体表面相结合，形成光滑的保护层，同时填塞微划痕，从而大幅度降低摩擦和磨损，尤其在重载、低速和高温振动条件下作用更为显著。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

实施例1

一种润滑纳米级添加剂的制备方法，包括以下步骤：

B、在研磨浆料中加入表面改性剂继续研磨使其形成纳米粒子，所述表面改性剂包括至少两个官能团，所述表面改性剂的相对分子量小于等于720，其中一个官能团用于植入纳米分体表面，另一个官能团需根据以后该纳米粉体的功能需求被添加之界面而定，以避免不相容之現象发生。譬如：当纳米粉体的功能需求为防腐涂料时，选用ZrO₂ 植入C60，混入的防腐涂料原浆料表现出极好的相溶性，且不会产生团聚现象。

实施例2

基于实施例的原理，本实施例例举一详细试试方式对其进行说明。

A、采用湿式分散研磨方法将碳晶进行剪切使其形成微米颗粒，该步骤可采用高剪切分散机、三滾筒分散机、珠磨机等对超碳晶进行剪切。

B、在研磨浆料中加入表面改性剂继续研磨使其形成纳米粒子，所述表面改性剂包括至少两个官能团，其中一个官能团用于植入纳米分体表面，另一个官能团需根据以后该纳米粉体的功能需求被添加之界面而定，以避免不相容之現象发生。该步骤可采用依肯公司在ERS2000系列的基础上开发出ERX2000超高速剪切分散机机实现，控制该均质分散机的剪切速率在180.00 rpm至220.00 rpm，转子的速度在60m/s至66m/s。在该速度范围内，由剪切力所造成的湍流结合专门研制的电机可以使粒径范围小到纳米级。剪切力更强，乳液的粒经分布更窄。由于能量密度极高,无需其他辅助分散设备,可以达到普通的高压均质机的400BAR压力下的颗粒大小。

在使用化学机械制备时，搅拌球磨机在纳米粉体的分散研磨及表面改性的过程中，体现出了很多的优点，并扮演着重要的角色。本系統採用湿式分散研磨方法，因为是湿式，所以浆料温度的变化较不易因研磨而急速上升，也因此可以选用较小磨球，如 0.05 -0.1 mm 磨球为研磨介质，再搭配研磨机的高搅拌速度，约 10 ~ 16 m/s ，以缩短分散研磨及反应所需的时间。

表面改性的现有方法有很多，譬如调节PH值、具高分子量的高分子或单体来当分散剂以让立体排斥作用力來形成固体与固体、固体与液体的稳定状态。但是，上述方法不适于所要分散或研磨的浆料的粒径要求小于100 nm的情况使用，此时，若采用具高分子量的高分子或单体来当分散剂会存在以下问题：当分体被纳米化时，浆料内的大部分体积已被高分子量的高分子或单体所形成的障碍物所占据，此时浆料容易遇到下列的问题: 1、固成分大幅降低，一般為为35 %以下；2、漿料的粘滯性因而提高,不利研磨机內小磨球的运动，导致最后的粒径无法降下來；3、粉体容易产生再团聚的现象，导致纳米颗粒无法产生。本方案采用低分子量的有机酸的官能团作为表面改性剂，该表面改性剂同时具有下列两个官能团：一个官能团设计来植入纳米分体表面，目的是使纳米粉体表面形成一个稳定相态，以避免分体的再团聚产生；另一个官能团的设计，需根据日后该纳米粉体的性能需求来定表面添加剂的官能团。以避免不相容的现象发生。加入该表面改性剂后:1、固成分可以大大提高到 35 - 45 % 以上；2、粒径可以降到粉体一次需求粒径的大小；3、浆料的粘滞性不再受粒子粒径下降的影响而急剧上升；4、粉体将不易产生再团聚现象，即使添加到后端制备料时粒子仍为纳米粒子。

C、对纳米粒子进行干燥，包括以下步骤：

对研磨后的浆料进行沉淀；

将沉淀物中的水分在减压下以共沸物形式脱除的方法 ,用正丁醇与湿凝胶的混合物在小于 95 ℃下共沸的条件下把水分除去。

碳晶粉体平均粒径为50nm的碳纳米粒子加入到普通机油中进行抗磨减摩中，结果发现：碳晶纳米粒子表现出良好的抗磨性能，可以明显降低摩擦副的磨损量；同时添加碳晶纳米粒子和分散剂，可以进一步改善油品的抗磨性能；对于摩擦系数，在只添加碳晶纳米粒子时摩擦系数与基础油相比略有增加。分析其原因可能是由于碳晶纳米粒子在基础油中分散不均匀，使油品在摩擦副表面的吸附性变差，即油性变差。在同时添加碳晶纳米粒子和分散剂后，摩擦系数与基础油相比有较大幅度的减小，这是由于分散剂能使碳晶纳米粒子均匀分散在基础油中，使其在摩擦过程中不易团聚，从而表现出良好的摩擦学性能。

项目	基础油	基础油+0.5%铜纳米粒子	基础油+0.5%铜纳米粒子+分散剂
				磨痕宽度/mm	2.90	0.91	0.73
最小摩擦系数	0.091	0.093	0.079
				最大摩擦系数	0.100	0.105	0.084

碳晶纳米微粒进行表面修饰，解决了碳晶纳米微粒在润滑油中的分散问题，采用上述方法合成的碳晶纳米微粒粒径约30nm，具有更优越的抗磨和抗极压性能。在较低负荷下，由于摩擦表面上沉积的碳晶纳米微粒附着在润滑油表面膜上，在高负荷下，大量的碳晶纳米微粒在摩擦表面沉积，并在接触区的高温高压下融熔铺展形成低剪切强度的表面膜，这时直接支撑载荷隔离基体接触的是碳晶纳米微粒，由于碳具有较低的剪切强度，因此在高负荷下呈现良好的减摩抗磨性。在中等负荷下碳晶纳米微粒紧密吸附摩擦表面，由于碳晶近似球形，粒度控制在10~50nm之间。硬颗粒碳晶粉的加入，起一种类似“球轴承”的作用，使摩擦系数和磨损量处于较低值；随载荷增加或速度提高，碳晶滚珠效应极大的抑制了摩擦系数的上升，极大的降低了金属表面的磨损。

采用本方案制备的润滑纳米级添加剂，实现超碳晶纳米粒子在油基里对抗磨、减摩和极压性能添加剂优异的量子尺寸效应和表面效应，超碳晶添加剂能够表现出特殊的高承载能力性能，具有传统固体润滑剂所无法比拟的优越性。在润滑油中加入纳米级超碳晶添加剂可显著提高其润滑性能和承载能力，特别适用于苛刻条件下的润滑场合。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种润滑纳米级添加剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种润滑纳米级添加剂的制备方法，其特征在于，还包括对纳米粒子的干燥过程，所述干燥过程包括以下步骤：

对研磨后的浆料进行沉淀；

将沉淀物中的水分在减压下以共沸物形式脱除的方法，用正丁醇与湿凝胶的混合物在小于 95 ℃下共沸的条件下把水分除去。

3.根据权利要求1所述的一种润滑纳米级添加剂的制备方法，其特征在于，步骤B利用均质分散机进行研磨，该均质分散机的剪切速率为180.00 rpm至220.00 rpm，转子的速度为60m/s至66m/s。

4.根据权利要求3所述的一种润滑纳米级添加剂的制备方法，其特征在于，所述均质分散机的剪切速率为200.00 rpm，转子的速度可以达到66m/s。