纳米氧化镧在润滑油中的应用研究.doc

纳米氧化镧在润滑油中的应用研究2008年10月Oct.20o8润滑油LubricatingOil第23卷第5期Vo1.23,No.5文章编号:1002-3119(2008)05-0039-04纳米氧化镧在润滑油中的应用研究李庆柱,顾彩香,王平宗,李磊,朱光耀(1.上海海事大学商船学院,上海200135;2.中国船级社上海分社,上海200135)摘要:选择吐温60,司班2O,司班80和聚醚作为活性剂对纳米氧化镧(nO,)进行改性,配制了含纳米氧化镧的润滑油,并在MRS一1J四球磨损实验机上考察了润滑油的摩擦学性能.结果表明:吐温6o,司班2O,司班80和聚醚比例为2:1:1:3时对纳米氧化镧粒子具有最好的分散效果,且纳米氧化镧质量分数为0.8%时,具有最佳的摩擦学性能;与500SN基础油相比,其P值提高了40.8%,磨斑直径降低了36.9%,摩擦因数降低了29%.关键词:纳米Laz0,;表面活性剂;摩擦学性能中图分类号:TE624.82文献标识码:A0前言纳米材料具有许多特殊性能:宏观特性如热学性能,力学性能,磁学性能,光学性能,催化性能;微观特性如表面效应,量子尺寸效应,小尺寸效应,宏观量子隧道效应等.近年来越来越多的科研工作者将纳米粒子加入到润滑油中,提高其极压性能和抗磨,减摩性能,从而提高机器使用效率,延长机器零部件的使用寿命.稀土元素具有的独特4f电子结构,大原子磁矩等决定了其具有许多优良的特性,如光学,磁学,电学,催化性能等.许多研究者把稀土元素作为添加剂加人润滑油中进行摩擦学研究,结果证明稀土元素作为润滑油添加剂具有良好的抗磨,减摩效果.LaO属于稀土氧化物,是轻稀土中的重要产品之一,因其有良好的物理化学性质,故在民用,军用和高科技等领域中获得了广泛应用.如La2O,在稀土玻璃,陶瓷,催化剂,荧光粉,激光器,发热体,阴极材料及电触点等材料领域的应用不断发展.La:O还可以在一定程度上降低废气排放,从而保护环境.但是纳米LaO,用作润滑油添加剂很少有人研究,本文将纳米LaO粒子作为添加剂加人到500SN基础油中研究其摩擦学性能,这对于进一步扩大纳米粒子作为润滑油添加剂的使用范围及进一步研究其抗磨减摩机理具有十分重要的理论和实际意义.1试验内容1.1纳米粒子的选择本试验采用的纳米氧化镧粒子(nLa:O),由广东惠州瑞尔化学科技有限公司提供,纳米LaO,粒子的粒径大约为2030nm,纯度为99.99%,采用溶胶一凝胶方法制备.溶胶一凝胶包括水解反应和聚合反应两个阶段.其基本过程是易于水解的稀土金属化合物(无机盐或稀土金属醇盐)经过水解与缩聚逐渐凝胶化,再经干燥,烧结等处理得到所需材料,经低温化学手段在相当小的尺寸范围内剪裁和控制材料的显微结构,使均匀性达到纳米级水平.与其他制备方法相比,此法能在低温合成无机材料,从分子水平设计和控制材料的均匀性及粒度,最后得到高纯超韧均匀的纳米粒子.1.2活性剂的选择及其分散效果为了使纳米粒子充分地溶解到润滑油中,我们采用表面改性的方法.对纳米粒子进行表面改性的方法很多,但是最常用和最方便的方法是采用表面活性剂对纳米粒子的表面修饰,降低纳米粒子表面作用能,从而使纳米粒子能均匀地分散在介质中.本文采用吐温6O,司班20,司班80和聚醚,按照质量比例为2:1:1:3的比例进行混合,根据亲水亲油平衡值(HLB)理论,如果三种活性剂的HLB值分别为HLB1,HLB2和HLB3,混合物的比例为a:b:c,那么混合活性剂的HLB值可以由下列公式求出:HLB=HLB1a+HLB2b+HLB3c.已知吐温60,司班20,司a十D十C班80和聚醚的HLB值分别为:14.9,8.6,4.3和9.5,那么根据上面的公式,我们计算可得,混合后的HLB值为:收稿日期:20070926.基金项目:上海市教委科研项目(06FZO08);上海市教委重点学科建设项目(J50603).作者简介:李庆柱(1984一),男,上海海事大学在读硕士,研究方向为摩擦学,轮机修造,已发表文章数篇.40润滑油2008年第23卷HLB=旦=10.2根据文献,若HLB值在1013之间,则活性剂在水中呈半透明至透明分散体.而机械油的HLB值也在1013之间.不同比例活性剂对纳米O,粒子在润滑油中的分散效果如表l所示.表1不同比例活性剂对纳米La:o,粒子在润滑油中的分散效果1.3含纳米粒子润滑油的配制(1)吐温60,司班2O,司班80和聚醚以2:1:1:3的比例混合.(2)将混合后的活性剂分别加入纳米LO粒子(其质量分数分别为0.2%,0.4%,0.6%,0.8%,1.O%),然后置于恒温水浴锅中搅拌10min左右,水温保持在75左右.(3)将含有纳米粒子的混合活性剂加入到500SN基础油中后,置于KQ218超声波振荡器中振荡20min,使纳米粒子充分分散.(4)将油品放在H97一A恒温磁力搅拌器中搅拌约2h,温度保持在75,转速保持在1200r/min左右.多次重复步骤(3)和(4),具体搅拌时间可根据油品分散效果来定.1.4润滑油摩擦学性能试验本试验采用济南试金集团生产的MRS一1J四球长时磨损实验机,测定了500SN基础油和含纳米h2O,粒子(其质量分数分别为0.2%,0.4%,0.6%,0.8%,1.O%)润滑油的最大无卡咬负荷P值,方法按照GB/T125831998.抗磨减摩性能是通过在392N负荷下摩擦60min测定磨斑直径D与摩擦因数来表示.采用上海钢球厂生产的钢球(C,Crl5,12.7mill,6466HRC).磨斑直径由15J读数显微镜读出,磨斑形貌由XTZE连续变倍体视显微镜拍摄.摩擦因数由=0.223去计算,其f中为摩擦力矩(N?mm),P为试验力,且P=392N.2结果与讨论2.1含纳米粒子润滑油的摩擦学性能图1为含纳米La2O,的润滑油的摩擦学性能.由图1可知:当500SN基础油(P值为362N,磨斑直径D为0.720ITIITI,摩擦因数为0.1240)中加入纳米O粒子,随着纳米粒子质量分数的增加,P值增加.当质量分数为0.4%一0.8%时达到了最大值510N.当含量大于0.8%时,PB值下降.而磨斑直径D和摩擦因数在质量分数为0.8%时都达到了最小值0.454mill和0.0881.说明纳米h2O,粒子加入500SN基础油中可提高润滑油的抗磨减摩性能,最佳添加量为0.8%.相对于500SN基础油,其P值提高了40.8%,磨斑直径降低了36.9%,摩擦因数降低了29%.蠢晷0.540.520.500.480.46O.44O.420.40纳米La20量分数,%(a)Pn值与纳米O,质量分数关系曲线纳米La2O质量分数,%(b)磨斑直径与纳米I丑2O质量分数关系曲线纳米【丑203质量分数,%(c)摩擦因数与纳米I丑20,质量分数关系曲线图l摩擦学性能关系曲线奏铷磷髅第5期李庆柱等.纳米氧化镧在润滑油中的应用研究412.2钢球表面磨斑形貌(见图2)a.500SN基础油c.0.4%nLl王2O3b.0.2%nLa2O3d.0.6%nLa2O3图2磨斑表面形貌(Xmo)由图2磨斑表面形貌可以看出,基础油的磨斑不圆整,磨痕深而粗,有犁沟;随着纳米粒子质量分数的增加,磨痕变细变浅,磨斑直径变小.当纳米IJa0的质量分数为0.8%时,磨斑最小,磨痕最细.当纳米La,0的质量分数为1.0%时,磨斑直径变大,磨痕变粗.通过摩擦学试验和磨斑表面形貌观察表明:纳米La,O用作润滑油添加剂能够显着提高500SN基础油的承载能力,减小摩擦和磨损;且当质量分数为0.8%时,摩擦学性能最好.本文选用的活性剂吐温60,司班20,司班80和聚醚均为非离子型表面活性剂,表面活性剂分子由亲油的非极性基团和亲水的极性基团组成.加入表面活性剂后,其极性基团朝纳米粒子,非极性基团朝油,按照这个特性形成吸附,形成活性剂包裹纳米粒子的胶囊,降低了纳米粒子的表面张力,增加了空间42润滑油2008年第23卷位阻,消除了静电,阻止了纳米粒子的团聚.而经表面改性过的纳米粒子在油中的分散性和稳定性越好,其抗磨减摩性能也越好.3纳米粒子作为润滑油添加剂的机理分析(1)抛光机制.纳米0粒子在摩擦副表面能起到微抛光作用,使摩擦表面更加光滑,减少摩擦.(2)滚动机制.在摩擦副表面,纳米0,粒子起到微轴承作用,减小摩擦,提高承载能力.(3)修复机制.纳米0粒子能填补在凹坑处,起到填补修复作用.(4)成膜机制.在摩擦压应力作用下,表面活性很高的纳米0,粒子发生强烈的粒子吸附,形成保护膜,从而能够保护摩擦表面.4结论(1)吐温60,司班20,司班80和聚醚比例为2:1:1:3时对纳米La20,粒子具有最好的分散效果.(2)纳米0,用作润滑油添加剂能够显着提高润滑油的承载能力,具有很好的抗磨减摩效果.其最佳添加量为0.8%,相对于500SN的基础油,其P值提高了40.8%,磨斑直径降低了36.9%,摩擦因数降低了29%.参考文献:1苏登成,郑少华,陶文宏,等.硅烷偶联荆修饰纳米ZrO:润滑油添加剂的摩擦学性能研究J.润滑与密封,2007,32(5):113115.2李春风,罗新民,肖绍峰.纳米SiO的表面改性及作为润滑油添加剂的研究进展J.中国粉体技术,2007(2):4345.3顾彩香,顾卓明,王平宗.含纳米稀土,铁复合粒子润滑油的摩擦学性能J.中国稀土,2006,24(增刊):140143.4崔瑞敏,郭薇,周大鹏,等.稀土元素在润滑油添加剂中的应用J.化学与粘合,2006,28(1):4749.5沈钟,王果庭.胶体与表面化学M.北京:化学工业出版社.2003:314.STUDYoNTHEAPPLICATIoNoFLa2O3NANoPARTICLESLUBRICATGoILSLIQingzhu,GUCaixiang.,WANGPing.zong,LILei,ZHUGuang.yao(1.MerchantMarineCollege,ShanghaiMaritimeUniversity,Shanghai200135,Ch/na;2.ShanghaiBranch,ChinaClassificationSociety,Shanghai200135,China)Abstract:Tween60,Span20,Span80andpolyetherweFeselectedassurfactantsforthelrfacemodifica-tionofLa203nanopartieles.LubricatingoilscontainingLa2O3nanoparticleswerepreparedandleirtribologicalpropertieswereexaminedbyMRS一1Jfourballweartester.TheresultsshowedthatwhentheproportionofTween60,Span20,Span80andpolyetheris2:1:l:3,thecombinationsurfactantshaveoptimaldispersioneffectsonLa203nanoparticles.Andtheoptimaltribologicalproper