【纳米润滑添加剂研究状况和趋势】纳米添加剂

【纳米润滑添加剂研究状况和趋势】纳米添加剂 摘要：纳米润滑材料是由纳米添加剂、基础油和其他功能添加剂组成，被认为是最值得重视的纳米材料之一。简要介绍了纳米润滑添加剂研究的状况和研究趋势，包括纳米润滑添加剂的主要类型和品种、纳米润滑添加剂制备的主要方法和原理、纳米润滑添加剂的润滑作用类型与机理、纳米粒子分析方法与原理等。认为纳米润滑添加剂的工艺研究与产业化、复合纳米润滑添加剂协和作用的研究、纳米润滑添加剂的分析评定和标准化研究以及环保型纳米润滑添加剂是纳米润滑添加剂研究的主要趋势。 关键词：纳米润滑;添加剂;分析;标准化;环保 ：TE624.82 ：A 0 前言 纳米技术已同信息技术、生物技术一样被称为未来最重要、最核心的三大高新技术。为占有纳米技术和纳米材料的一席之地，世界上已经有30多个国家开展了纳米科技方面活动，一些发达国家还制定了自己的发展计划，如美国的“国家纳米技术计划”、欧盟的“第六框架计划”等。同时，在纳米技术方面的投资增长速度也显著加快，如美国在xx年到xx年计划投入37亿美元，欧洲在xx年到xx年计划投入13亿欧元，日本从xx年起每年计划投入8亿欧元， _在近年也将投资6亿卢布用于发展纳米技术1-4。 纳米润滑材料是由纳米添加剂、基础油和其他功能添加剂组成，被认为是最值得重视的纳米材料之一，美国在其国家纳米技术计划中就将设计和制造能进行自修复的纳米材料作为可能取得突破的长期目标。将纳米材料应用于润滑剂中，是一个全新的研究和应用领域。由于纳米材料具有高扩散性、表面积大、易烧结、熔点降低、硬度增大等特点，纳米材料作为润滑材料不仅可以在摩擦表面形成易剪切的表面膜，降低摩擦系数，而且还能对摩擦表面进行一定程度的填补和修复。同时，纳米润滑材料中的纳米润滑性添加剂主要是非活性的单质、有机化合物和无机化合物的纳米级固体颗粒，这类物质具有高的热稳定性、机械稳定性以及化学稳定性，在高温、重负荷、高速等使用条件下，纳米润滑性添加剂不易发生氧化、分解与失效，也不像传统添加剂那样会产生腐蚀性物质。因此，纳米润滑材料不易导致金属腐蚀，会减缓润滑材料变质失效的速度，延长设备和润滑材料的使用寿命。 本文简要介绍目前国内外纳米润滑添加剂研究的情况，包括纳米添加剂的主要类型、制备工艺、润滑机理研究情况等，并简要探讨纳米润滑添加剂研究的趋势。 1 纳米润滑添加剂研究的状况 纳米材料的研究报道很多，而且每年申请的专利技术也异常的多，为占有纳米材料的制高点，发达国家开展了纳米技术专利的“圈地运动”5，但从目前有关纳米技术的报道和专利情况看，纳米润滑添加剂的研究主要集中在以下几个方面：新品种、制备工艺、复合作用以及润滑机理等。 1.1 纳米润滑添加剂的主要类型 目前报道的可作为纳米润滑添加剂的类型很多，品种也很多。但从化学的角度进行分类时，主要可以分为两种类型，一类是单质，另一类是化合物，而化合物又分为无机化合物和有机化合物等。表1给出了目前研究的纳米润滑添加剂的主要类型和品种6-7。 1.2 纳米润滑添加剂的制备工艺 由于纳米润滑添加剂具有较大的表面能，纳米颗粒之间存在团聚成块、粒径长大的倾向，因此会导致润滑添加剂性能大幅度降低。同时，作为润滑油的纳米润滑添加剂，若产生团聚，将形成沉淀而析出， :xx-11-04。 作者简介：冯克权（1963-），男，工学硕士，高级工程师，1989毕业于中国科学院有机化学专业，现任杭州新港石油化工有限公司总工程师，长期从事润滑油、润滑脂以及润滑油脂添加剂产品的研究、开发、生产和技术服务工作，已公开发表论文20余篇。 人们根据纳米润滑添加剂的不同结构、组成和特点，已经研究出很多种制备纳米润滑添加剂的方法，主要可分为三种类型，即：气相合成法、固相合成法和液相合成法。这些方法又可细分为：机械粉碎法、物理气相法、电火花法、蒸发冷凝法、真空蒸发法、激光法、高频电弧感应法、溅射法、高速干燥法、微乳化液法、水热合成法、化学气相沉积法、化学气相冷凝法、溶胶凝胶法、氧化还原法、热分解法、超声化学法、有机配合物前驱体法、化学气相法等8-10。表2给出了常用的制备纳米润滑添加剂的方法和原理。 通过普通方法制备的纳米润滑添加剂，具有较大的表面能，固体颗粒之间存在团聚成块、粒径长大的倾向，从而影响稳定性和使用性能。为此，在制备纳米润滑添加剂过程中，近年来开发出表面修饰技术11-12。纳米粒子的表面修饰技术是以降低纳米微粒表面能为目标，同时改善纳米粒子在基础油中的分散性。目前较为通用的修饰方法包括：表面活性剂吸附法、化学反应修饰法和聚合物包膜法。表面活性剂吸附法是表面活性剂吸附在纳米粒子表面，非极性与分散介质-基础油发生溶剂化效应，从而防止或减少纳米粒子的团聚；化学反应法是通过修饰剂与纳米粒子进行反应而达到防止或减少纳米粒子的团聚；聚合物包膜法是吸附在纳米粒子表面的单体发生聚合反应或聚合物吸附在纳米粒子表面形成包膜，从而阻止纳米粒子发生团聚，提高稳定性。 1.3 纳米润滑添加剂的润滑机理研究 摩擦与润滑是一个相当复杂的过程，因此纳米润滑添加剂润滑机理的研究是一个非常困难的课题。大量研究表明，纳米粒子的润滑效果非常强烈地依赖粒子的化学和物理性质、种类、粒径大小、基础油的类型等。人们采用不同的研究手段对数百种纳米润滑添加剂的润滑机理进行了分析和试验研究，对纳米润滑添加剂的润滑机理做出了一些推测，认为纳米润滑添加剂的减摩抗磨机理主要有：滚珠轴承效应、小尺寸效应、高活性效应、载体作用和沉积膜作用7，13，如表3所示。 1.4 分析方法与标准化 可用于纳米粒子分析检测的方法很多，最主要的有透射电镜法、扫描电镜法、X射线衍射法、激光粒度分析法、X射线小角散射法、沉降粒度分析法和扩散系数法等七种14。表4给出了几种分析方法的原理。 我国在纳米颗粒的测定方面也做了大量工作，已经颁布了两种检测方法国家标准：纳米粉末粒度分布的测定X射线小角散射法（GB/T 13221-xx）和气体吸附BET法测定固态物质比表面积（GB/T 19587-xx）15。同时，也颁布了四种纳米产品的国家标准：纳米镍粉（GB/T 19588-xx）、纳米氧化锌（GB/T 19589-xx）、纳米二氧化钛（GB/T 19591-xx）和超微细碳酸钙（GB/T 19590-xx）16。 1.5 纳米润滑添加剂的复合作用 和传统添加剂一样，不同组成、不同结构的纳米添加剂其主要性能也不尽相同，有的抗磨损性能好，有的减摩性能好，有的极压性能（承载能力）好。因此，要获得减摩和抗磨极压性能都好的润滑油配方或产品，就需要不同纳米润滑添加剂的有机结合。 国内外在复合纳米润滑添加剂方面的研究都有报道。例如将40 nm的碳酸钙粒子与11 nm的稀土粒子复合加入到500SN中，测定的润滑试验结果见表5。其中纳米添加剂加入的总量相同，磨斑直径的试验条件为392 N，60 min。由表5可见，两种纳米润滑添加剂的复合，其油品的最大无卡咬负荷提高，磨斑直径和摩擦系数都有所降低16。另外，有研究表明，采用纳米二硫化钼与纳米金属钛或纳米铅的复合多层膜可以提高设备使用寿命，纳米复合多层膜的滑动磨损寿命比纯纳米二硫化钼膜提高46倍17。 2 纳米润滑添加剂研究的趋势 纳米润滑添加剂的研究已经到了非常活跃的阶段，我们认为选择广且价格合理的品种、稳定生产工艺、降低生产成本并使之产业化是将来研究的主要方向。同时，纳米润滑添加剂复合作用的研究、纳米润滑添加剂产品标准化研究以及环保型纳米润滑添加剂的研究也是将来研究的重要内容。 2.1 工艺与产业化研究 纳米润滑添加剂的比表面能大，容易聚集成大颗粒，因此表现出制成的油品稳定性差，纳米润滑添加剂容易从润滑油中沉淀析出。要获得稳定的含纳米润滑添加剂的油品，纳米润滑添加剂的制备工艺就显的尤为重要。总的看来，纳米润滑添加剂的制备工艺研究是将来研究的主要方向，并且将主要集中在两个方面，一是纳米润滑添加剂制备新工艺的研究，二是表面改性（修饰）技术的研究。而工艺研究的主要目标是研究出生产工艺简单、成本低、设备要求不高的生产工艺技术，同时合成新的、效率高的分散剂和稳定剂，以解决润滑油中纳米添加剂粒子在苛刻条件下工作的稳定性。 另外，虽然国内外市场上都有纳米润滑添加剂产品销售，但生产工艺稳定以及产业化程度高、应用范围广、成本低且规模化了的产品还不多见。因此，纳米润滑添加剂的产业化研究也将是未来研究的重要方面。 2.2 纳米润滑添加剂复合作用的研究 不同纳米润滑添加剂的复合可以完善所获得的润滑剂的润滑性能，但一个润滑剂配方是由基础油和多种功能添加剂组成的，如抗氧剂、防锈剂、抗腐蚀剂等等，这就需要纳米润滑添加剂在润滑剂配方中与其他添加剂有良好的协和作用。因此，不同纳米润滑添加剂复合作用效果的研究以及纳米润滑添加剂与其他功能添加剂的协和作用研究是研究者在未来研究中需要研究与解决的问题。 2.3 标准化研究 目前已经有纳米润滑添加剂产品投放市场，但是并没有统一的纳米润滑添加剂标准。随着纳米润滑添加剂和纳米润滑油、纳米润滑脂研究开发的不断深入，纳米润滑添加剂以及相应润滑剂产品的标准化研究工作已经显得愈来愈重要。我们认为应该开展相关产品的标准化工作，制定出产品标准，规范产品市场，使纳米材料在润滑领域的应用能够健康发展。 2.4 环保型纳米润滑添加剂的研究 随着全球气候变暖，环保问题已经成为各国政府以及研究者关注的重要课题。为适用环保要求，环保型纳米润滑添加剂的研究与应用也应运而生。目前环保型纳米润滑添加剂研究的主要方向是采用环保型纳米材料，通过合适的工艺路线以及采用特殊的分散技术和稳定技术，制备环保型纳米润滑剂16,18。 3 结束语 纳米润滑添加剂具有独特的结构表征和优异的润滑性能，在润滑油中加入纳米润滑添加剂可以大大提高润滑油的抗磨减摩性能，但纳米润滑添加剂能象传统添加剂那样广泛用于润滑剂配方中，还有很多工作要做。从发展的趋势来看，我们认为目前纳米润滑添加剂研究者应开展的主要工作是： (1)选择价格合理、性能优良的纳米润滑材料，进行工艺研究，确定可行的生产工艺并使之产业化。降低成本，使纳米润滑材料真正应用到普通润滑剂配方中，发挥纳米润滑添加剂的作用。 (2)制定纳米润滑添加剂的产品标准，使纳米润滑添加剂的研究、开发、生产有标可依，避免盲目性。同时开展纳米润滑添加剂分析方法的研究，并标准化。 (3)研究纳米润滑添加剂复合作用机理，探讨纳米润滑添加剂与传统添加剂的协和作用效果，研究协和作用规律，为纳米润滑材料的配方研究提供指导。 (4)研究与开发环保型纳米润滑添加剂，走可持续发展道路。 _： 1 姚文新.美国国家纳米计划实施情况J.新材料工业，xx（2）:41-45. 2 王宏业.日本纳米技术研究战略与措施J.全球科技经济燎望，xx（10）:39-41. 3 孟强.德国发展纳米技术的战略新方向J.球科技经济燎望，xx（10）:43-45. 4 乔红斌,郭强.润滑油纳米抗磨添加剂研究现状J.机械工程材料，xx，29（4）:4-6. 5 余翔，蒋文光.世界纳米专利比较分析和我国纳米专利战略研究J.研究与发展管理，xx, 16(4):85-90. 6 Dumdum J M. 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