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        油溶性硼酸鑭納米微粒的制備及其在不同基礎(chǔ)油中的摩擦學(xué)性能研究*

        2019-04-22 03:03:40
        潤滑與密封 2019年4期
        關(guān)鍵詞:磨斑摩擦學(xué)基礎(chǔ)油

        (河南大學(xué)納米材料工程研究中心 河南開封 475004)

        隨著工業(yè)的發(fā)展,傳統(tǒng)的礦物基潤滑油及其添加劑的大量使用,對自然環(huán)境和人類健康造成了嚴重的危害[1]。當前,人們環(huán)保意識的增強以及環(huán)保法律的越來越嚴格,環(huán)境友好型潤滑油受到人們的高度重視[1-2]。這促使研究者開始研制污染小、毒性低、可生物降解的環(huán)境友好型潤滑油及其添加劑。

        硼酸鹽添加劑是典型的非活性潤滑油添加劑,它不僅具有優(yōu)異的摩擦學(xué)性能、優(yōu)良的熱氧化安定性,而且無毒無味,具有一定的生物降解性等優(yōu)點,近年來成為綠色潤滑油添加劑的研究熱點之一[3-6]。紀獻兵等[7]用水熱法制備了片狀結(jié)構(gòu)的硼酸鈣潤滑油添加劑,研究表明,該納米微??纱蟠蠼档鸵后w石蠟潤滑下的摩擦因數(shù)和磨斑直徑,這是因為疏松片層結(jié)構(gòu)的硼酸鈣在摩擦過程中發(fā)生剝離,填充于磨損表面,起到較好的減摩抗磨作用。李鵬等人[8]用沉淀法合成了納米硼酸鋅添加劑,發(fā)現(xiàn)其在低載荷下,減摩效果更加顯著。郝利峰等[9]制備了三乙醇胺單油酸酯修飾的納米硼酸鎂,發(fā)現(xiàn)其在礦物油中表現(xiàn)出優(yōu)異的減摩和抗磨性能,這歸因于其在摩擦表面形成了B2O3、BN、FeB和Fe2O3等組成的具有優(yōu)異抗磨減摩功能的復(fù)合邊界潤滑膜。

        稀土元素的化學(xué)活性強,原子半徑大,電負性低,摩擦表面的固熔點低,并且對B、C、N等元素具有一定的催滲作用[10-11]。賈正鋒等[6]評價了硼酸鑭在聚α-烯烴(PAO)中的摩擦學(xué)性能,發(fā)現(xiàn)含有硼酸鑭的PAO比純PAO具有更好的摩擦學(xué)性能。李芬芳等[12]合成了十二烷氧基硼酸鑭,發(fā)現(xiàn)其可明顯改善HVI500基礎(chǔ)油的抗磨性能。朱馳等人[13]采用化學(xué)沉淀法合成了硅烷偶聯(lián)劑KH550修飾的硼酸鑭納米微粒,發(fā)現(xiàn)其在150N基礎(chǔ)油中可使磨損率下降83%,該添加劑在摩擦過程中形成一層自修復(fù)膜,有效地提高了潤滑油的摩擦學(xué)性能。CHEN等[14]用水熱法制備了硬脂酸修飾的單分散硼酸鈰納米球,發(fā)現(xiàn)其在菜籽油中具有優(yōu)異的分散穩(wěn)定性,并可顯著地提高菜籽油的減摩和抗磨能力,這歸因于其在摩擦表面形成了一層含B2O3、CeO2和Fe2O3等物質(zhì)的復(fù)合邊界潤滑膜。

        目前,廣泛使用的潤滑油基礎(chǔ)油主要有礦物基礎(chǔ)油和合成基礎(chǔ)油兩大類。礦物基礎(chǔ)油生物可降解性能差、生態(tài)毒性高,對環(huán)境的污染嚴重[1]。合成基礎(chǔ)油因具有熱穩(wěn)定性高、黏溫性能好、飽和蒸氣壓低等優(yōu)點[15],目前得到了蓬勃發(fā)展。在以前的研究中,本文作者所在的課題組發(fā)現(xiàn),有機硼酸酯在礦物油中具有優(yōu)異的摩擦學(xué)性能,但在酯類油中減摩抗磨性能較差[16]。本文作者采用沉淀法制備了油溶性硼酸鑭納米微粒,比較其在礦物油液體石蠟(LP)和合成酯類油癸二酸二異辛酯(DIOS)兩種不同類型基礎(chǔ)油中的摩擦學(xué)性能。

        1 試驗部分

        1.1 主要試劑

        主要試劑有:硼砂、硝酸鑭、液體石蠟(LP),均為分析純,天津市科密歐化學(xué)試劑有限公司生產(chǎn);油胺(OAm),分析純,上海阿拉丁生化科技股份有限公司生產(chǎn);癸二酸二異辛酯(DIOS),國藥集團化學(xué)試劑有限公司生產(chǎn)。

        1.2 納米硼酸鑭的制備及表征

        分別稱取一定量硼砂、氯化鑭置于燒杯中,加入醇水混合溶液(乙醇和水質(zhì)量比1∶1),攪拌溶解,分別配制成30 mmol/L的溶液;在70 ℃、磁力攪拌下,向100 mL硼砂溶液中滴加20 mL氯化鑭溶液,然后加入適量的油胺,繼續(xù)反應(yīng)3 h;離心、洗滌、干燥,得到油胺修飾的硼酸鑭(OAm-LaBO3)納米微粒。

        采用JEM-2010透射電子顯微鏡(TEM)觀察樣品形貌;采用D8-Advance X射線粉末衍射儀(XRD)分析粉體的晶型;用VERTEX 70傅立葉變換紅外光譜儀(FT-IR)表征材料的結(jié)構(gòu)。

        1.3 摩擦學(xué)性能測試

        將OAm-LaBO3納米微粒按不同質(zhì)量分數(shù)分散到礦物油LP和合成酯類油DIOS中,用MRS-1J四球長時抗磨試驗機評定樣品的減摩、抗磨性能。試驗采用直徑12.7 mm的GCr15鋼球,硬度HRC59~61。試驗條件:轉(zhuǎn)速1 450 r/min,長磨時間30 min,載荷392 N,室溫(約25 ℃)。

        試驗前后均將油盒和鋼球在石油醚中超聲清洗。用Nova NanoSEM 450場發(fā)射掃描電子顯微鏡(SEM)觀察磨斑形貌。用AXIS ULTRA型X射線光電子能譜儀(XPS)分析磨斑表面的化學(xué)組成和價態(tài)。

        2 結(jié)果與討論

        2.1 硼酸鑭納米微粒的結(jié)構(gòu)表征

        圖1所示是硼酸鑭納米微粒修飾前后的TEM照片??梢姡c未修飾的硼酸鑭納米微粒(如圖1(a)所示)相比,經(jīng)過油胺修飾的硼酸鑭納米微粒(如圖1(b)所示)分散性明顯提高,沒有明顯的團聚現(xiàn)象,粒徑分布較均勻,平均粒徑約10 nm。這是因為,在制備過程中油胺表面修飾劑有效地阻止了硼酸鑭納米微粒的生長,使微粒分布均勻;另外,表面修飾劑的另一端是長鏈烷基,有極好的親油性;此外,表面修飾劑可以降低納米微粒的表面能,抑制納米顆粒之間的團聚,從而使合成的OAm-LaBO3納米微粒在LP及DIOS中都具有良好的分散穩(wěn)定性。

        圖2所示是硼酸鑭納米微粒的XRD圖??芍鹚猁}納米微粒在所測范圍內(nèi)出現(xiàn)了明顯的衍射峰寬化,呈凸起帶狀,說明樣品粒徑較小且呈無定型結(jié)構(gòu)。

        圖3所示為修飾劑油胺以及油胺表面修飾的OAm-LaBO3和未修飾的nano-LaBO3納米微粒的紅外光譜圖??梢钥闯觯篛Am-LaBO3和nano-LaBO3在3 423和3 430 cm-1處均有吸收峰,這由O-H 的伸縮振動引起的;在1 632和1 634 cm-1處的吸收峰歸屬于H-O-H 的彎曲振動,表明修飾和未修飾的納米硼酸鑭都含有少量結(jié)晶水[5,7,17];OAm-LaBO3和nano-LaBO3在1 385和1 384 cm-1處的峰為B-O的不對稱伸縮振動峰[17]。另外,與nano-LaBO3和油胺的紅外光譜相比,OAm-LaBO3在2 925和2 855 cm-1處的吸收峰歸屬于-CH2的不對稱和對稱伸縮振動峰,表明油胺成功地修飾在硼酸鑭納米微粒表面。

        圖1 硼酸鑭納米微粒TEM圖

        圖2 修飾和未修飾硼酸鑭納米微粒XRD圖

        圖3 油胺、修飾和未修飾硼酸鑭納米微粒紅外光圖譜

        2.2 硼酸鑭納米微粒的摩擦學(xué)性能

        圖4所示是油胺修飾硼酸鑭納米微粒在2種基礎(chǔ)油中摩擦因數(shù)和磨斑直徑,隨硼酸鑭納米微粒質(zhì)量分數(shù)變化的關(guān)系曲線。從圖4(a)可以看出:當OAm-LaBO3納米微粒添加到LP中,隨著納米微粒質(zhì)量分數(shù)的增加,摩擦因數(shù)和磨斑直徑先增加后降低,最后又逐漸升高;在質(zhì)量分數(shù)為0.6%時,摩擦因數(shù)和磨斑直徑達到最低值,分別為0.076和0.55 mm。與純LP潤滑下的摩擦因數(shù)(0.094)和磨斑直徑(0.62 mm)相比,分別降低了19.15%和11.29%。因此,OAm-LaBO3納米微粒在LP中的最佳添加量為0.6%(質(zhì)量分數(shù))。從圖4(b)可以看出:當OAm-LaBO3納米微粒添加到DIOS中,隨著納米微粒質(zhì)量分數(shù)的增加,摩擦因數(shù)和磨斑直徑逐漸降低,并在質(zhì)量分數(shù)為0.6%時達到最低值,分別為0.109和0.49 mm,與純DIOS潤滑下的摩擦因數(shù)0.115和磨斑直徑0.65 mm相比,分別降低了5.22%和24.62%;然后隨著納米微粒質(zhì)量分數(shù)的繼續(xù)升高,摩擦因數(shù)和磨斑直徑稍微增大。可以看出,OAm-LaBO3在LP和DIOS中均具有減摩和抗磨性能,并且在LP中減摩性能顯著,而在DIOS中抗磨性能優(yōu)異。

        OAm-LaBO3在LP中質(zhì)量分數(shù)較低時,添加劑在摩擦接觸區(qū)還不能形成完整的潤滑膜,而且LP的極性小,故OAm-LaBO3納米微粒易吸附在摩擦表面。另外,在摩擦表面上少量的OAm-LaBO3納米微粒,阻礙了基礎(chǔ)油LP在摩擦表面形成油膜的致密性和完整性,因此OAm-LaBO3在較低質(zhì)量分數(shù)下,導(dǎo)致了LP摩擦因數(shù)和磨斑直徑升高的現(xiàn)象。隨著OAm-LaBO3納米微粒質(zhì)量分數(shù)進一步增加,納米微粒在摩擦表面的吸附起主導(dǎo)作用,摩擦因數(shù)和磨斑直徑開始降低。相比LP,DIOS極性較高,OAm-LaBO3引入到DIOS中,在一定添加量范圍內(nèi),二者的協(xié)同效應(yīng)使摩擦因數(shù)和磨斑直徑都降低。當OAm-LaBO3質(zhì)量分數(shù)超過一定值(0.6%)后,導(dǎo)致LP和DIOS的摩擦因數(shù)和磨斑直徑都增加,這是因為OAm-LaBO3納米微粒與基礎(chǔ)油通過競爭吸附在摩擦表面,過量的納米微粒形成了磨粒磨損,造成摩擦學(xué)性能下降[18]。

        圖4 油胺修飾硼酸鑭在LP和DIOS中的摩擦因數(shù)和磨斑直徑隨質(zhì)量分數(shù)變化的關(guān)系曲線

        圖5所示為基礎(chǔ)油LP和DIOS以及它們分別含0.6% OAm-LaBO3納米微粒潤滑下鋼球磨斑表面的SEM圖。比較發(fā)現(xiàn),在2種基礎(chǔ)油中加入OAm-LaBO3納米微粒后,磨斑直徑都有一定程度的減少,尤其是在DIOS中,磨斑直徑明顯降低,這與圖4中的結(jié)果相一致,進一步說明了OAm-LaBO3在DIOS中的抗磨性較好。

        圖5 幾種潤滑劑潤滑下鋼球磨損表面SEM圖

        圖6所示是基礎(chǔ)油LP含0.6% OAm-LaBO3納米微粒潤滑下鋼球磨損表面典型元素的XPS譜圖??梢园l(fā)現(xiàn):在磨損表面上La、N、Fe等元素的峰信號較強,而B元素的峰信號不明顯。這說明在摩擦熱的作用下,修飾的硼酸鑭納米微粒在摩擦過程中發(fā)生了分解反應(yīng),分解的小分子吸附在摩擦表面,尤其是分解的修飾劑油胺比烷烴類礦物油LP的極性高,通過競爭吸附作用,有機小分子容易吸附在摩擦表面形成低剪切強度的潤滑膜,明顯地降低了摩擦因數(shù)。DIOS含0.6% OAm-LaBO3納米微粒潤滑下的磨斑元素分析結(jié)果如圖7所示。與圖6相比,圖7中的N1s峰信號較弱,是由于酯類合成油DIOS酸值比LP高,并且酯基極性比烷烴高,故硼酸鑭納米微粒分解的有機小分子不易吸附在摩擦表面。由于摩擦熱的作用,在摩擦表面形成了Fe2O3、La2O3等摩擦化學(xué)反應(yīng)膜,從而起到良好的抗磨作用。

        圖6 LP含0.6% OAm-LaBO3納米微粒潤滑下磨損表面典型元素的XPS譜圖

        圖7 DIOS含0.6% OAm-LaBO3納米微粒潤滑下磨損表面典型元素的XPS光譜圖

        3 結(jié)論

        (1)采用沉淀法制備了油胺修飾的硼酸鑭納米微粒,平均粒徑約10 nm,且粒徑分布均勻。

        (2)油胺修飾的硼酸鑭納米微粒在烷烴類基礎(chǔ)油LP中減摩性能突出,在酯類基礎(chǔ)油DIOS中抗磨性能占優(yōu)勢。

        (3)油胺修飾的硼酸鑭納米微粒作為潤滑油添加劑,在不同的基礎(chǔ)油中,由于基礎(chǔ)油的極性和競爭吸附作用,添加劑分子吸附到摩擦表面難易程度不同,在摩擦表面形成了不同成分的潤滑膜,造成減摩、抗磨效果顯著不同。

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