（材料加工工程专业论文）al2o3zno复合纳米粉体作为润滑油添加剂的性能研究.pdf

r e s e a r c ho np e r f o r m a n c eo fa 1 2 0 a z n oc o m p o s i t e n a n o p o w d e r a sl u b r i c a n ta d d i t i v e b y d i n g h a i y a n g u n d e rt h es u p e r v i s i o no f p r o f z h e n gs h a o h u a at h e s i ss u b m i t t e dt ot h eu n i v e r s i t yo fj i n a n i np a r t i a lf u l f i l l m e n to ft h er e q u i r e m e n t s f o rt h ed e g r e eo fm a s t e ro fe n g i n e e r i n g u n i v e r s i t yo f j i n a n j i n a n ，s h a n d o n g ，p r c h i n a m a y ，2 0 1 1 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研 究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完 全意识到本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：e l 期：2 州! 羔! 讴 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解济南大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论 文被查阅和借鉴；本人授权济南大学可以将学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保 存论文和汇编本学位论文。 口公开口保密(年，解密后应遵守此规定) 论文作者签名：了刍立晕导师签名： 济南大学硕士学何论文 曼曼i i i i i 皇曼曼笪曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼皇曼曼曼曼苎曼曼量皇曼曼曼曼皇皇曼曼曼曼皇曼曼鼍曼鼍曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼皇 目录 摘要一v a b s t r a c t 一v i i 第一章绪言l 1 1 研究背景1 1 1 1 纳米材料概述1 1 1 2 纳米粉体的研究现状1 1 1 3 润滑添加剂概述。6 1 1 4 纳米润滑添加剂的研究现状7 1 2 研究目的和意义8 1 2 1 研究目的8 1 2 2 研究意义9 1 3 研究思路和内容9 1 3 1 研究思路9 1 3 2 主要内容。9 第二章a 1 2 0 3 z n o 复合纳米粉体的制备一1 2 2 1 制备方法1 2 2 2 制备工艺流程1 2 2 3 试验试剂及试验仪器l3 2 3 1 试验试剂1 3 2 3 2 试验仪器1 4 2 4 正交试验l 1 4 2 4 1 因素水平的选取一1 4 2 4 2 试验步骤l5 2 5 正交试验2 16 2 5 1 因素水平的选取1 6 2 5 2 试验步骤一16 第三章a 1 2 0 3 z n o 复合纳米粉体的表征与分析18 3 1 表征方法与设备1 8 3 2 粒度分析l8 i a 1 2 0 3 z n o 复合纳米粉体作为润滑油添加剂的件能研究 3 2 1 试样的制备与测试1 8 3 2 2 测试结果与分析1 8 3 3x r d 分析2 l 3 3 1 试样的制备与测试2 1 3 3 2 测试结果与分析2 2 3 4 红外分析2 4 3 5s e m 分析2 5 3 5 1 试样的制备与测试。2 5 3 5 2 测试结果与分析2 5 3 6t e m 分析2 6 3 6 1 试样的制备与测试2 7 3 6 2 测试结果与分析2 7 3 7z e t a 电位分析2 8 3 7 1 试样的制各与测试2 9 3 7 2 测试结果与分析2 9 3 8 吸光度分析3 0 3 8 1 试样的制备与测试3 0 3 8 2 测试结果与分析31 3 9 本章小结3 2 第四章摩擦试验研究3 4 4 1 摩擦试验3 4 4 1 1 止推圈试验3 4 4 1 2 四球试验3 6 4 2 止推圈摩擦试验结果与分析3 8 4 2 1 摩擦系数结果与分析3 8 4 2 2 止推圈表面形貌及元素分析4 5 4 3 四球试验结果与分析4 8 4 3 1 摩擦系数结果与分析4 8 4 3 2 四球磨斑直径分析5 2 4 4 减摩抗磨机理分析5 4 n 济南大学硕十学位论文 i 4 5 本章小结5 6 第五章结论与展望5 8 5 1 结论5 8 5 2 展望5 9 参考文献6 0 致谢6 5 i 咐蜀之6 6 a 1 2 0 3 z n o 复介纳米粉体作为润滑油添加剂的件能研究 i v 济南大学硕上学位论文 摘要 以无水a 1 c 1 3 和无水z n c h 为原料采用非水溶胶凝胶法制备a 1 2 0 3 z n o 复合 纳米粉体。为比较复合纳米粉体和单一纳米粉体的性能设计四因素三水平的正交 试验1 ：锌铝摩尔比( 1 ：o 、0 ：1 、1 ：2 ) ，反应温度( 1 1 5 、1 2 5 、1 3 5 ) ，氧供 体( 甘油、p e g 4 0 0 、油酸) ，恒温时间( 1 5 h 、2 h 、2 5 h ) 。为制备出平均粒径较 小的复合纳米粉体设计四因素三水平的正交试验2 ：锌铝摩尔比( 1 ：2 、1 1 、2 ：1 ) ， 溶剂( 无水乙醇、丙酮、正丙醇) ，氧供体( 甘油、月桂醇、油酸) ，恒温时间( 1 5 h 、 2 h 、2 5 h ) 。 通过激光粒度测试、x r a y 衍射( x r d ) n 试、红外光谱( i r ) 测试、扫描电子显 微镜( s e m ) 测试、透射电子显微镜( t e m ) 测试、z e t a 电位测试、吸光度测试等测 试方法对制备的粉体进行表征。通过四球摩擦试验和止推圈摩擦试验对制备的 a 1 2 0 3 z n o 复合纳米粉体作为润滑油添加剂的摩擦学性能进行研究。 对正交试验进行分析得出影响a 1 2 0 3 z n o 复合纳米粉体平均粒径大小的因 素( 由大到小) 依次为：氧供体一溶剂一锌铝摩尔比一恒温时间；并得出制备 a 1 2 0 3 z n o 复合纳米粉体的最优方案为：锌铝摩尔比为1 ：1 ，溶剂为无水乙醇， 氧供体为甘油，恒温时间2 h ，在此试验条件下，制得平均粒径为6 1 n m 的复合纳 米粉体，粉体粒径分布集中，在4 0 n m 到1 0 0 n m 之间。通过x r d 分析、s e m 分 析、t e m 分析和i r 分析知，制备的a 1 2 0 3 z n o 复合纳米粉体为无定形结构，粒 径大小比较一致，形貌近似球形，粉体颗粒之间界限明显，呈单分散状态，无团 聚现象。经z e t a 电位分析和吸光度分析知，以油酸为氧供体制备的粉体在2 0 # 机械油中具有良好的油溶性和分散稳定性。油酸在制备过程中不仅作为氧供体存 在，其特殊的有机长链还具有改性效果，对不断生成的纳米粉体进行有机修饰， 使制备和改性过程一步完成。 对油酸为氧供体制备的纳米粉体作为2 0 # 机械油添加剂进行摩擦试验研究可 知，在添加浓度为0 1 w t 时，摩擦系数和四球平均磨斑直径最小，表现出最好 的减摩抗磨效果，不同纳米粉体的减摩和抗磨效果不同。其中，止推圈摩擦系数 降幅：a 1 2 0 3 纳米粉体为2 5 3 ，z n o 纳米粉体为4 1 7 ，a 1 2 0 3 z n o 复合纳米粉 体为3 7 5 ；四球平均磨斑直径降幅：a 1 2 0 3 纳米粉体为7 2 ，z n o 纳米粉体为 v a 1 2 0 3 z n o 复合纳米粉体作为润滑油添加剂的 ， 能研究 3 2 ，a 1 2 0 3 z n o 复合纳米粉体为6 o 。a 1 2 0 3 z n o 复合纳米粉体既具有良好的 减摩效果，又具有良好的抗磨效果，实现了z n o 纳米粉体和a 1 2 0 3 纳米粉体的 复合效应，具有优于原单一纳米粉体的减摩和抗磨的综合性能。综合止推圈表面 形貌和元素分析及四球磨斑形貌分析可知，a 1 2 0 3 z n o 复合纳米粉体作为润滑油 添加剂的减摩和抗磨机理主要包括微轴承作用、表面修复作用和表面强化作用。 关键词：a 1 2 0 3 z n o ；非水溶胶凝胶法；复合纳米粉体；摩擦学性能 济南大学硕一l 学位论文 a bs t r a c t i nt h i sp a p e ra 1 2 0 3 z n oc o m p o s i t en a n o p o w d e rw e r ep r e p a r e da n dm o d i f i e db y an o n h y d r o l y t i cs o l g e lr o u t ew i t l la n h y d r o u sa 1 c 1 3a n da n h y d r o u sz n c l 2a sr a w m a t e r i a l s i n o r d e rt oc o m p a r et h ep e r f o r m a n c e so fc o m p o s i t en a n o p o w d e ra n ds i n g l e n a n o p o w d e r , o r t h o g o n a l t e s t1w i t l lf o u rf a c t o r sa n dt h r e el e v e l sw a sd e s i g n e d ：z n a i ( 1 ：o ，0 ：1 ，1 ：2 ) ；t e m p e r a t u r e ( 1 1 5 ( 2 ，1 2 5 c ，1 3 5 ) ；o x y g e nd o n o r ( g l y c e r i n ，p e g 4 0 0 ， o l e i ca c i d ) ；c o n s t a n tt e m p e r a t u r et i m e ( 1 5 h ，2 h ，2 5 h ) i n o r d e rt op r e p a r er e l a t i v e l y s m a l ln a n o p o w d e ro r t h o g o n a lt e s t2 、析t l lf o u rf a c t o r sa n dt h r e el e v e l sw a sd e s i g n e d ： z n a i ( 1 ：2 ，1 ：1 ，2 ：1 ) ；s o l v e n t ( a b s o l u t ee t h y la l c o h o l ，a c e t o n e ，n o r m a lp r o p y la l c o h 0 1 ) ； o x y g e nd o n o r ( g l y c e r i n ，l a u r i n o l ，o l e i ca c i d ) ；c o n s t a n tt e m p e r a t u r et i m e ( 1 5 h ，2 h ， 2 5 h ) n a n o p o w d e rw e r ec h a r a c t e r i z e dt h r o u g hl a s e rp a r t i c l e s i z ea n a l y s i s ，x r a y d i f f r a c t i o n a n a l y s i s ( x r d ) ，i n f r a r e ds p e c t r u ma n a l y s i s ( i r ) ，s c a n n i n g e l e c t r o n m i c r o s c o p e ( s e m ) a n a l y s i s ，t r a n s m i s s i o ne l e c t r o nm i c r o s c o p y ( t e m ) a n a l y s i s ，z e t a p o t e n t i a la n a l y s i sa n du v - v i ss p e c t r o p h o t o m e t e ra n a l y s i s t r i b o l o g i c a lp r o p e r t i e so f a 1 2 0 3 z n oc o m p o s i t en a n o p o w d e ru s i n g a sl u b r i c a n ta d d i t i v ew e r er e s e a r c h e d t h r o u g ht h ef o u r - b a l lf r i c t i o nt e s ta n dt h r u s tr i n gf r i c t i o nt e s t f a c t o r sa f f e c t i n gt h ea v e r a g ep a r t i c l es i z eo fa 1 2 0 3 z n oc o m p o s i t en a n o p o w d e r w e r eo b t a i n e dt h r o u g ha n a l y z i n gt h eo r t h o g o n a lt e s t ，t l l e yw e r eo x y g e nd o n o r , s o l v e n t ， z n a 1a n dc o n s t a n tt e m p e r a t u r et i m ei nd e s c e n d i n go r d e r ；a n dt h eo p t i m u mp r o j e c t p r e p a r i n ga 1 2 0 3 z n oc o m p o s i t en a n o p o w d e rw a so b t a i n e d ，i tw a s - z n a 1 ( 1 ：1 ) ， s o l v e n t ( a b s o l u t ee t h y la l c o h 0 1 ) ，o x y g e nd o n o r ( g l y c e r i n ，l a u r i n 0 1 ) ，c o n s t a n t t e m p e r a t u r e ( 2 h ) i nt h i sc o n d i t i o n ，a 1 2 0 3 z n oc o m p o s i t en a n o p o w d e rw e r eo b t a i n e d w i t ht h ea v e r a g ep a r t i c l es i z eo f61n m ，t h ed i s t r i b u t i o no fp a r t i c l es i z ef r o m4 0 n mt o 10 0 n mw a sc o m p a r a t i v e l yc e n t r a l i z e d t h ea 1 2 0 3 z n oc o m p o s i t en a n o p o w d e rw e r e a m o r p h o u st h r o u g hx r d ，s e m ，t e ma n di ra n a l y s i s ，w i t ht h ep a r t i c l es i z ew a s u n i f o r m ，t h em o r p h o l o g yw a sr e g u l a r , t h eb o u n d sw a sc l e a ra n dm o n o d i s p e r s e ，n o r e u n i o np h e n o m e n o n t h ea 1 2 0 3 z n oc o m p o s i t en a n o p o w d e rp r e p a r e du s i n go l e i c v l l a 1 2 0 3 z n o 复合纳米粉体作为润滑油添加剂的性能研究 a c i da so x y g e nd o n o rp e r f o r m e dg o o do i l s o l u b i l i t ya n dd i s p e r s e ds t a b i l i t yi nn o 2 0 m e c h a n i c a lo i lt h r o u g hz e t ap o t e n t i a la n du l t r a v i o l e ta b s o r h a n c ea n a l y s i s o l e i ca c i d n o to n l yw a su s e da so x y g e nd o n o r , i t sp e c u l i a rl o n go r g a n i cc h a i nw a ss h o w e dw e l l m o d i f i c a t i o ne f f e c t ，m o d i f i e dt h ea 1 2 0 3 z n oc o m p o s i t en a n o p o w d e ra n dm a d et h e p r e p a r a t i o na n dm o d i f i c a t i o np r o c e s s e ss y n c h r o n o u s f r o mt h ef r i c t i o nt e s t s 、析t l lt h en a n o p o w d e rp r e p a r e db yo l e i ca c i da sn o 2 0 m e c h a n i c a lo i la d d i t i v e ，w ef o u n dt h a tt h ef i r c t i o nc o e f f i c i e n t sa n dt h ew o r ns c a r s w e r es m a l l e s ta n dt h ea n t i w e a ra n da n t i f r i c t i o np e r f o r m a n c e sw e r eb e s tw h e nt h e c o n c e n t r a t i o nw a s0 1w t ，a n dd i f f e r e n tn a n o p o w d e rs h o w e dd i f f e r e n ta n t i w e a ra n d a n t i f r i c t i o np e r f o r m a n c e s t h ef i r c t i o nc o e f f i c i e n t sf a l lo ft h r u s tr i n g ：a 1 2 0 3 ( 2 5 3 ) ， z n o ( 41 7 ) ，a 1 2 0 a z n o ( 3 7 5 ) ；t h ea v e r a g ed i a m e t e rf a l lo ff o u r - b a l lw o r ns c a r s a 1 2 0 3 ( 7 2 ) ，z n o ( 3 2 ) ，a 1 2 0 3 z n o ( 6 o ) t h ea 1 2 0 3 z n oc o m p o s i t en a n o p o w d e r w e r en o t o n l y s h o w e dn i c ea n t i f r i c t i o np e r f o r m a n c e ，b u ta l s on i c ea n t i w e a r p e r f o r m a n c e ，c a u s i n gt h ec o m p o s i t ee f f e c to fa 1 2 0 3a n dz n on a n o p o w d e r , 、) l ，i t l lt h e a n t i w e a ra n da n t i f r i c t i o ns y n t h e t i c a lp e r f o r m a n c e sb e t t e rt h a ns i n g l ea 1 2 0 3a n dz n o n a n o p o w d e r f r o mt h es u r f a c em o r p h o l o g ya n de l e m e n ta n a l y s i so ft h r u s tr i n gf r i c t i o n t e s ta n dt h ef o u r - b a l lw o r ns c a r sa n a l y s i s ，w ef o u n dt h a tt h ea n t i w e a ra n da n t i f r i c t i o n m e c h a n i s m so fa 1 2 0 3 z n oc o m p o s i t en a n o p o w d e ru s i n ga sl u b r i c a n ta d d i t i v em a i n l y c o v e r e dm i c r o b e a r i n ge f f e c t ，s u r f a c er e s t o r i n ge f f e c ta n ds t r e n g t h e n i n ge f f e c t k e yw o r d s ：a 1 2 0 3 z n o ；n o n h y d r o l y t i cs o l - g e lr o u t e ；c o m p o s i t en a n o p o w d e r ； t r i b o l o g yp e r f o r m a n c e 济南大学硕十学位论文 1 1 研究背景 1 1 1 纳米材料概述 第一章绪言 在三维空间尺度中至少有维是处在纳米级( 1 l o o n m ) 的材料称作是纳米材 料。纳米材料的两个重要的特征是具有高浓度的晶界和纳米晶粒，高浓度的晶界 及晶界原子的特殊结构使纳米材料具有与大块宏观材料所不同的很多效应( 小尺 寸效应、量子尺寸效应、表面效应、介电限域效应、宏观量子隧道效应，由于这 些效应的存在导致纳米材料与传统材料相比在力学、磁学、电学、光学及热力学 等方面性能的改变。正是因为纳米材料所具有的特殊性能使其在半导体、磁性材 料、催化剂、医药卫生、军事、电子工业、化学工业等领域存在重要的应用【l j 。 1 1 2 纳米粉体的研究现状 1 1 2 1 纳米粉体的制备 纳米粉体的制备方法有物理方法、化学方法和物理化学方法。常用物理方法 有机械粉碎法、气相沉积法、气体冷凝法、闪速动态煅烧技术1 2 j 、脉冲激光沉积 法、电镀法【3 1 、磁控溅射法、分子束外延法等。化学方法有直接沉淀法、均匀沉 淀法、溶胶凝胶法、微乳液法、水热合成法、高分子网络凝胶法、机械化学法【4 】 等。兼顾物理和化学的方法有喷雾热解、等离子体合成、超临界流体干燥、气相 反应沉积、冷冻干燥、热蒸镀、微波辐照、阳极消耗法1 5 】、金属氧化和爆炸法等 6 1 。以物料状态来分可归纳为固相法、液相法和气相法。固相法不易保证成分准 确均匀，而且机械球磨混合不可能获得粒度分布均匀的粉料，还带来研磨介质的 污染问题；气相法成本较高，难以实现大规模生产；液相法是通过液相合成粉料， 组分分散在液相中，其优点是：各组分的含量可精确控制，并可实现分子原子水 平上的均匀混合，通过工艺条件的精确控制，可使生成的粉料晶粒尺寸小、粒度 分布型。简要介绍几种化学制备方法。 1 ) 直接沉淀法 直接沉淀法是溶液中的某一种金属阳离子与沉淀剂直接反应而形成沉淀物 a i e o j z n o 复合纳米粉体作为润滑油添加剂的性能研冗 的方法，具有操作简单、容易实现的优点f 8 】。 莎木嘎【9 1 等利用直接沉淀法得到粒径不同的纳米z n o 粒子。王艳香f l o 】等以 分析纯硝酸锌和硫酸锌作为锌源，分析纯碳酸铵、氨水、氢氧化钠和碳酸氢铵为 沉淀剂，得到纳米z n o 。马正先等【l l 】以z n c l 2 和n a o h 为原料制得纳米z n o ，当 温度较低时粉体呈纤维状，随温度升高其形貌逐渐向短棒状、类球状转变。 2 ) 均匀沉淀法 均匀沉淀法是利用化学反应使溶液中的构晶离子由溶液中缓慢均匀地释放 和沉淀出来。均匀沉淀法具有成本低、设备简单、操作简便、易工业化生产等优 剧1 2 1 。同时，还可以避免杂质的共沉淀，得到的粉体粒径分布均匀。与直接沉淀 法相比，沉淀是在整个溶液中缓慢均匀地析出【1 3 1 。 王晓燕【1 4 】等采用尿素均匀沉淀法制备了粒径小于4 0n m 的z n o 粉体。刘晶 莹【1 5 1 等采用均匀沉淀法制备出了粒径为1 4n m 的z n o 粉体。 3 ) 溶胶凝胶法 溶胶凝胶法制备出的粉体分布均匀、纯度高、粒径尺寸小、活性大；工艺简 单、成本低、利于成批生产；过程易于控制 1 6 - 17 】。 訾振剔1 8 1 等以z n ( n 0 3 ) 2 6 h 2 0 为原料，柠檬酸为溶胶剂，先得到溶胶，蒸发 脱水得到干凝胶，研磨并热处理后得到z n o 粉体。吴建锋【1 9 】等采用聚丙烯酰胺 凝胶法获得纳米z n o 粉末。陈怀裂2 0 】等以醋酸锌( z n ( a c ) 2 2 h 2 0 ) 为原料，采 用溶胶凝胶法制备出有机介质中分散稳定性较好的纳米级z n o 粉体。杜桂焕【2 1 1 等采用溶胶凝胶法制备了粒径分布均匀、平均粒径为1 4n m 左右的z n o a 1 2 0 3 复合粉体。许丽【2 2 】等用溶胶凝胶法制得灰白色纳米z a o 粉末。此外还有溶胶凝 胶燃烧合成结合制备法【2 3 】。 4 ) 微乳液法 微乳液法是一种新型的利用独特的微反应器制备纳米粉体的方法。工艺简 单、产品分散性好、粒径可控、可以包覆不同的表面活性剂以修饰产品。微乳液 体系一般由水相、油相、表面活性剂、助表面活性剂4 个部分组成。常用双反相 微乳液混合法制备纳米粉体【2 4 】。由于微乳液界面有一定的强度，使得颗粒长大有 一定的限度，并可以阻止颗粒的团聚【2 5 】。 5 ) 水热法 2 济南大学硕十学位论文 水热法是在特制的密闭反应容器里，以水溶液为反应介质，通过对反应容器 加热，创造一个高温、高压的反应环境，使得通常难溶或不溶的物质溶解并且重 结晶。水热反应依据反应类型的不同可分为水热氧化、水热还原、水热沉淀、水 热合成、水热水解、水热结晶等 2 6 1 。主要设备为超高压反应釜。水热法制备工艺 简单、反应速度较快且能实现在常规条件下不能进行的反应；改变水热反应环境 可获得具有不同结构和形貌的纳米粉体；通过控制水热反应条件可得不同粒度的 产物2 7 1 。 张艳辉 2 9 】等利用水热法制得的z n o 微晶粉体属于六方晶相，是由纳米棒状 单晶组成的花状集合体，组成集合体的单晶在不同反应环境中成长为粗壮、尖细、 成簇等不同形貌。谢根生【2 9 1 利用水热法合成了z n o 粉料，讨论了先驱体的性质、 种类和溶液浓度、溶液温度及氧化还原电势对纳米z n o 的影响，其结晶尺寸变 化范围为6 0 5 0 0n l n ，p c l 光谱显示了紫外光带和可见光带。 6 ) 凝胶网格沉淀法 凝胶网格沉淀法是一种新型的制备超细粉体的方法。它利用凝胶的网格结构 机制作为主体，合成所需要的作为客体的超细颗粒。由于凝胶具有三维网格所组 成的“笼子 结构，超细颗粒在此“笼子 里形成，但来自凝胶网格的阻力及其 固定的笼型结构，使得超细颗粒的粒径最终得到控制，而且收集这些超细颗粒时， 其表面包覆的有机膜能阻止颗粒发生凝并，具有超细颗粒的制备及表面处理一次 性完成的特点。王换荣3 0 1 等利用明胶为原料的凝胶网格法制备z n o 和铝掺杂 z n o 超细颗粒。 7 ) 超声化学法 超声化学是通过声空化提高化学反应产率并引发新的化学反应的学科，其作 用原理是液体中微小泡核的形成、生长、崩溃及其引起的物理、化学变化。声空 化产生的空化泡崩溃时，在极短的时间内、在空化泡周围的极小空间中，将产生 瞬间的高温( 5 0 0 0k ) 和高压( 2 0m p a ) 及超过l0 1 0k s 。1 的冷却速度，并伴随 强烈的冲击波、射流及光电作用。这种瞬间产生的高温高压条件在新材料合成中 展现了其他方法不可比拟的优点，如有效控制形貌、加快反应速率、产率高、易 操作和清洁环保等。 邓崇海【3 1 】等在室温下将乙酸锌和三乙胺的水溶液超声辐照3 0m i n ，制得三 a 1 2 0 3 z n o 复合纳米粉体作为润滑油添加剂的性能研究 维六方纤锌矿相结构的多角星形半导体z n o 微晶。星形结构由纳米锥组装而成， 纳米锥由微小的纳米粒子构筑而成。 8 ) 聚合物包覆热分解法 曾宪华3 2 1 等采用聚合物包覆热分解法制备纳米将乙酸锌与聚乙烯吡咯烷酮 ( p v p ) 按一定比例混合，然后将其溶解于去离子水中形成均一溶液。置于烘箱 中烘干，得到凝胶，进行三个不同温度的煅烧，获得纳米z n o 。 1 1 2 2 纳米粉体的表面修饰 纳米粉体，具有巨大的表面能和很高的活性，很易发生团聚，失去纳米材料 的特性和优异性能。因此，防止纳米粉体团聚或使团聚的纳米粉体解聚使其在基 料中均匀分散是应用的关键。常用的分散法有快速机械搅拌分散、超声波分散、 表面化学改性分散以及分散剂分散等。常用的分散剂有表面活性剂3 3 1 、无机小分 子分散剂、聚合物等f 3 4 】。 纳米粉体的团聚与分散性决定于其表面结构、形态等，而纳米粉体的表面结 构、形态又与内部结构、杂质、表面吸附和化学反应、制备工艺、环境状态等诸 多因素有关，因而导致了纳米粉体团聚与分散机制的复杂性和多样性【3 5 1 。纳米粉 体的表面修饰就是通过物理方法或化学方法对粒子表面进行处理，有目的地改变 微粒表面的物理化学性质，如表面原子层结构和官能团性能，表面极性和表面电 性等。根据修饰剂与粉体表面的作用机理，可将修饰方法分为表面物理作用修饰 和表面化学反应修饰两大类。 表面物理修饰是利用修饰剂与纳米粉体间的物理作用，如吸附、涂敷、包覆 等，对其进行表面改性。常用的修饰方法有复合法、表面活性剂法、微乳液法、 微胶囊法等。张翠歌3 6 1 等分别用十二烷基苯磺酸钠，硬脂酸钠对所制粉体进行改 性，结果显示改性后的纳米粉体粒径在3 0 7 0n n l ，其分散性能明显好于改性前的 粉体。 表面化学反应修饰有偶联剂法和表面接枝改性法等【3 7 1 。聂天琛【3 8 1 等利用葵 二酸对纳米z n o 进行有机表面修饰，使纳米z n o 的表面性质由亲水变为疏水。 姜林3 9 1 等用硬脂酸作改性剂，利用脂肪酸中的羟基与氧化锌颗粒表面的羟基发生 了类似酸与醇的酯化反应的原理，使粉体表面由原来的极性变为非极性并研究出 了适合工业化生产的最佳工艺条件。 4 济南大学硕十学何论文 1 1 2 3 纳米粉体的应用 纳米粉体具有明显的表面与界面效应、体积效应、量子尺寸效应和宏观隧道 效应、高分散性等特点【4 0 】，使其在化学、光学、生物和电磁学等方面表现出许多 优异的物理、化学和电学性能，而这些优良的性能使纳米氧化锌在众多领域中表 现出巨大的应用前景。如化学工业中作催化剂、脱硫剂，医药、食品工业中用来 拔毒、止血、生肌收敛，电子工业中作压敏电阻的主要原料，还可作紫外线屏蔽 剂、变阻器、传感器和吸波材料等h 2 】。以纳米z n o 为例对其在润滑、抗菌、 催化和化妆品领域中的应用作简要介绍。 1 ) 在润滑领域中的应用 由于纳米粒子具有小尺寸效应和表面效应等特性，因此以纳米粒子为基础制 备的新型润滑材料应用于摩擦系统中，将以不同于传统添加剂的作用方式起减摩 抗磨作用【4 3 1 ，同时可以解决许多传统润滑剂无法解决的难题。它可以克服以往传 统润滑添加剂的不足，综合了流体润滑和固体润滑的优点，因而会使润滑油产生 革命性的变化。纳米添加剂不但可以在摩擦表面成膜，降低摩擦系数，而且可以 对摩擦表面进行一定程度的填补和修复，起到抗磨作用。能起到这种作用的纳米 润滑材料添加剂有纳米金属粉末、纳米非金属粉末悼4 6 1 、复合纳米粉体【4 7 】等。目 前对纳米抗磨机理已有较全面的报道【4 8 。5 0 1 。 岳美娥【5 1 】等研究了硬脂酸表面改性纳米z n o 微粒对粘结固体润滑涂层摩擦 学性能的影响，结果表明，含1 硬脂酸表面改性纳米z n o 的涂层的耐磨性最佳， 而硬脂酸表面改性纳米z n o 填料对涂层减摩性能的影响不大。 2 ) 作为抗菌剂的应用 所谓抗菌是指一定时间内细菌的生长、繁殖、存活受到抑制。纳米z n o 作 为一种新型的无机抗菌材料与有机抗菌剂相比，具有广谱、持久、安全、无毒的 特点。周双喜吲通过水热沉淀法制备了纳米z n o ，对纳米z n o 抗菌性能进行了 研究，结果表明纳米z n o 对大肠杆菌、金黄色葡萄球菌、白色念珠菌都有一定 的抗菌效果。 3 ) 作为催化剂的应用 目前，纳米z n o 光催化材料是被广泛研究的新型环保材料，因其无毒、成 本低廉等优点，多用于光催化，通过光辅助催化作用破坏各种有机污染物，能将 a 1 2 0 ，z n o 复合纳米粉体作为润滑油添加剂的性能研究 难降解的有机物最终氧化为c o z 和h 2 0 等无机物，几乎可以氧化去除水中所有 的有机污染物，并且光催化具有比紫外线更强的杀菌能力，这对解决日益严重的 有机染料污染提供了有效的处理方法。 孙彦刚【5 3 1 用简单、方便的沉淀法制备了纳米z n o 粉体催化剂，其对直接蓝 湖5 b 染料溶液表现出很好的催化活性，在紫外光的照射下降解率约为1 0 0 ， 阳光下降解率约为8 0 。刘俊【5 4 】等采用直接沉淀法制备了纳米z n o 粉体，以纳 米z n o 作为光催化剂，对甲基橙溶液进行光催化实验，结果表明制备的纳米z n o 具有较好的光催化性能。 由于纳米z n o 会使有机介质降解，影响其应用效果的发挥。为降低纳米z n o 的光和热催化活性，同时保留其优异的紫外线吸收性能，尹春雷【5 5 】等在制备z n o 的前驱物碱式碳酸锌的过程中原位包覆a 1 2 0 3 ，与在z n o 粉体表面包覆的传统工 艺相比减少了多次引起粒子团聚的工艺过程，改善了包覆效果。催化活性的测试 表明，包覆后的纳米z n o 光催化活性得到了明显降低同时保证了其优异的紫外 吸收性能。 4 ) 在化妆品行业中的应用 纳米z n o 由于其具有优良的紫外屏蔽能力、较宽的紫外吸收波长范围和很 好的透明性，越来越受到化妆品行业的重视，成为代替有机抗紫外产品的优良选 择。又由于它是物化性质稳定的无机物，具有无毒、无刺激、不分解、不变质、 热稳定性好的特性而倍受青睐。 汪亚辉【5 6 】等采用直接沉淀法，以z n s 0 4 7 h2 0 为锌源，以n a c 0 3 为沉淀剂 制得纳米z n o 前驱体，在不同的热处理温度条件下制各了不同晶粒尺寸的纳米 z n o 粉体。合成的粉体在可见光区有很好的透过性，而在紫外光区具有很宽的吸 收频段和优异的吸收性能，且随煅烧温度的不同而出现变化。 1 1 3 润滑添加剂概述 润滑添加剂是指加入润滑剂中的一种或几种化合物，目的是改善润滑剂的性 能或使之得到某些新的性能。润滑添加剂按作用机理可分为物理添加剂和化学添 加剂，物理添加剂包括降凝剂、消泡剂、抗乳化剂、增粘剂和粘度指数改进剂等， 化学添加剂包括防锈剂、极压抗磨剂、清净分散剂、金属钝化剂、防腐蚀剂和油 6 济南大学硕l 学付论文 曼皇曼曼苎毫曼曼曼i i ii i 一 一, _ , 曼曼曼曼皇曼曼曼曼曼曼曼皇曼曼曼曼曼皇曼曼曼曼量皇 性剂等。润滑添加剂按功能分主要包括抗氧抗腐剂、摩擦改善剂、抗磨剂、极压 添加剂、分散剂、清净剂、抗泡剂、防锈剂、抗乳化剂、粘度指数改进剂、降凝 剂等【5 7 5 9 1 。 1 1 4 纳米润滑添加剂的研究现状 摩擦和磨损广泛存在于现代人类生产和生活的各个方面，特别是在科学技术 快速发展，机器工业日益腾飞的当今社会，摩擦和磨损已经成为普遍存在的现象。 它不仅造成了资源和能源的大量浪费、生产效率的普遍下降，而且还会引起重大 事故的发生。为了延长机器和设备的使用寿命、最大限度的节约材料与能源、不 断提高生产效率、避免或预防重大事故的发生，我们在很多领域需要解决摩擦磨 损( 或磨耗) 和润滑的问题【5 9 缶。 纳米微粒由于具有比表面积大、扩散性好、烧结温度低、硬度大等特点，用 作润滑添加剂表现出优异的综合性能。其作用机理和主要性能分以下几个方面： 首先，它可以在摩擦副的表面形成一层较容易剪切的薄膜，从而可以降低摩擦系 数；其次，它能对摩擦副的表面进行一定程度的填补或者修复，从而具有一定程 度的抗磨作用；还有就是纳米微粒的尺寸较小，可认为是近似的球形，可以在摩 擦副间自由滚动，起到微轴承的作用，同时可以对摩擦副的表面进行抛光或者强 化，支撑负荷，承提高载能力，降低摩擦系数；另外，由于纳米微粒所具有的较 好的扩散和自扩散能力，使其容易在金属表面形成有极好抗磨性能的扩散层或渗 透层，起到原位摩擦化学原理的效果【5 9 击3 1 。因此，纳米微粒用作润滑添加剂能够 起到优异的抗极压性和良好的抗磨性，很好的减摩性，使其能够在