水溶性纳米二氧化硅添加剂的制备及摩擦学性能研究

1、第31卷第2期摩擦学学报Vol31No2 2011年3月Tribology Mar,2011水溶性纳米二氧化硅添加剂的制备及摩擦学性能研究王建华1*,宋敏1,李金龙1,王晓波2(1中国人民解放军92117部队,北京100072;2中国科学院兰州化学物理研究所固体润滑国家重点实验室,甘肃兰州730000摘要:本文制备了不同粒径的水溶性纳米二氧化硅,用TEM和XRD对其形貌进行了表征,采用SRVIV微动摩擦磨损试验机研究了其作为水基添加剂的摩擦学性能通过SEM和XPS对磨斑表面进行了分析,简单探讨了摩擦机理结果表明:小颗粒水溶性纳米二氧化硅作为水基添加剂具有良好的抗磨减摩性能和极压性能,其在摩擦过

2、程中形成的沉积膜起到了非常重要的作用关键词:纳米二氧化硅;摩擦学性能;水基润滑剂中图分类号:TH1173文献标志码:A文章编号:10040595(201102011805 The Preparation and Tribological Properties ofWatersoluble Nanosilica ParticalesWANG Jianhua1,2*,SONG Min1,LI Jinlong1,WANG Xiaobo2(1People's Liberation Army92117,Beijing100072,China2State Key Laboratory of Sol

3、id Lubrication,Lanzhou Institute of Chemical Physics,Chinese Academy of Sciences,Lanzhou730000,China Abstract:Watersoluble nanosilica particles were prepared and characterized by TEM and XRDTheir tribological properties were evaluated using an Optimol SRV IV oscillating friction and wear tester in a

4、mbient conditionThe frictional mechanisms were also discussed based on the analysis of SEM and XPS resultsThe results indicated that watersoluble nanosilica particles possessed good antiwear and frictionreducing propertiesIt can be concluded that the deposited films formed during friction played an

5、important roleKey words:nano silica,tribological property,water base lubricant因为水基润滑剂具有优异的冷却性能、难燃、低污染等优点,许多国家都在大力发展水基润滑剂,尤其是在液压液和金属加工业方面发展迅速13与油基润滑剂相比,现有的水基润滑剂存在润滑性和防腐蚀性差等问题,从一定程度上限制了水基润滑剂的发展和应用因此,研究开发高性能的水溶性润滑添加剂是提高水基润滑剂综合性能、拓宽其使用范围的关键所在47研究显示,纳米微粒作为润滑添加剂使用时,可起到特殊的减摩、抗磨和极压作用高永健等8合成了油酸修饰TiO2纳米微粒,显示了

6、优异的摩擦学性能单分散纳米SiO2粒度可控性好、分布范围窄、分散性好,无毒无味,以其作为新型环保性润滑油添加剂的使用,也得到了人们的关注911然而,目前尚未见关于纳米SiO2作为水溶性添加剂摩擦学性能的研究报道鉴于纳米SiO2粉体能稳定且均Received14April2010,revised20June2010,accepted10September2010,available online28March2011*Corresponding authorEmail:wangjhnavysohucom,Tel:+861066975546匀地分散在水溶液中,制备了单分散纳米SiO 2微粒,并考察

7、了其作为添加剂在水基础液中的摩擦学性能,探讨了其抗磨作用机理,期望为纳米SiO 2微粒的摩擦学应用提供实验依据1实验部分11水溶性SiO 2纳米微粒的制备在2000mL 烧瓶中加入02mol 正硅酸乙酯(TEOS 与一定量的无水乙醇溶液,50的恒温水浴加热,在连续搅拌条件下快速将氨水滴入混合液中,反应一定时间即得均匀溶胶体加入适量分子量为200的聚乙二醇(PEG200进行表面修饰,同时破坏凝胶的生成减压蒸馏出乙醇,即得水溶性纳米SiO 2添加剂粉体反应时通过控制无水乙醇和氨水的配比,即制得不同粒径的纳米SiO 2具体反应各物质配比见表1产物中纯SiO 2的质量百分数为50%,PEG200质量百

8、分数50%图1表示所制备的不同粒径纳米SiO 2的透射电子显微形貌(TEM 及选区电子衍射花样(SAED 由图1可知所制备的SiO 2样品颗粒呈圆球状,大小较均匀,粒径分布窄,单分散性好,无团聚现象,平均粒径分别为10、20、50和80nm 左右,并随颗粒尺寸的增加,球状形貌越规则相应的电子衍射花样均为宽化的衍射环,没有明显的衍射斑点,表明SiO 2纳米核主要以无定形方式存在表1表面修饰SiO 2纳米颗粒的制备条件Table 1Prepared conditions of SiO 2nanocrystalsSample TEOS /mol Ethanol /mLAmmonia /mLPEG20

9、0/gSiO 21029802012SiO 22029604012SiO 23029406012SiO 24029208012图2是PEG200修饰SiO 21纳米微粒的X 射线粉末衍射(XRD 图谱由图2可见:SiO 21在2为224处的衍射峰明显宽化宽化的原因来源于微晶的尺寸减小,根据X 射线衍射图所得到的衍射角度和半峰宽值,按Scherrer 方程可以近似计算出SiO 21纳米微晶的平均尺寸为1.8nm结合TEM 结果分析表明粒径为10nm 的二氧化硅纳米微粒是由许多平均粒径为1.8nm 的SiO 2 微晶Fig1TEM images of SiO 2nanoparticles 图1Si

10、O 2纳米微粒的TEM 照片911第2期王建华,等:水溶性纳米二氧化硅添加剂的制备及摩擦学性能研究 Fig2XRD pattern of SiO21nanoparticles图2纳米SiO21粉末的XRD图谱组成的,在宏观上表现为无定形态12摩擦学性能测试选用的基础液为50%PEG200和50%蒸馏水的混合液采用德国Optimol SRVIV微动摩擦磨损试验机对添加剂的抗磨减摩性能进行考察,振幅1mm、频率20Hz、温度25;所用上试球为上海轴承厂生产的GCr15轴承钢二级标准钢球,其直径为10mm,下试盘为GCr15轴承钢盘,直径24mm,厚度79mm,两者硬度均为HRC59 61;下试盘的

11、磨损体积采用MicroXAM3D Surface Profiler表面轮廓仪进行测量;采用JEM1200EX型扫描电子显微观察下试块的磨痕形貌;用PHI5702型多功能X 射线光电子能谱仪(XPS分析下试验块磨痕表面典型元素的化学状态,MgK为激发源,通过能量294eV,以C1s结合能(2846eV作为内标,电子结合能的测量误差为03eV2结果与讨论21摩擦磨损性能我们首先考察SiO2粒径大小对摩擦学性能的影响,再挑选性能最佳的粒子进行详细考察221不同粒径SiO2的摩擦磨损性能添加剂抗磨和减摩性能试验条件为:振幅1mm、频率20Hz、温度25、载荷100N、时间20min添加剂质量百分数为1

12、%时的不同粒径SiO2在基础液中的摩擦磨损性能试验结果见表2表2结果显示:不同粒径纳米SiO2添加剂均能显著提高水基基础液的承载能力,承载能力随粒径增加而降低这可能是由于纳米SiO2的分子状态呈三维链状结构,表面存在不饱和的残键和不同键合状态的羟基,这使得SiO2纳米微粒具有很高的表面活性,容易沉积到金属摩擦表面上在边界润滑条件下,由于纳米氧化物具有低熔点的特点,在重载产生的高闪温条件下,在摩擦接触面熔化形成均匀的SiO2纳米沉积膜,从而起到抗胶合的作用,提高水溶液的承载能力另外,由于纳米氧化物的尺寸越小,活性越高,熔点越低,在重载荷下在摩擦表面越易成膜,因而承载能力越高表2质量分数为1%时不

13、同粒径SiO2的摩擦磨损性能Table2The frictionwear properties with different diameter particles Items Base fluid SiO21SiO22SiO23SiO24 Seizure Load/N300900900800800 Wear volume106/m310571087114011351233 Friction coefficient0221101792018720189401906总体而言,所选4种粒径的SiO2颗粒中,粒径最小的SiO21的减磨抗磨性能最好222纳米SiO21的摩擦磨损性能选用纳米SiO21样品

14、进行详细的性能考察,其中添加剂抗磨和减摩性能试验条件为:振幅1mm、频率20Hz、温度25、载荷100N、时间10min表3为不同浓度SiO21的承载能力,结果显示,SiO21能显著提高水体系的承载能力,且随着浓度的增加,SiO21添加剂承载能力随之显著提高表3SiO21的承载能力Table3The load carrying capacities of SiO21 SiO21content/%Seizure Load/N00300034000560010900151100201600不同浓度SiO21的抗磨性能见表4结果显示:在100N载荷试验条件下,SiO21添加剂在较低浓度下具有良好的抗

15、磨性能,在其质量百分数为021摩擦学学报第31卷表4不同浓度SiO 21的抗磨性能Table 4The wear resistanceproperties of SiO 21with different concentrationsSiO 21content ,%Wear volume 105/m 300454901329203201805304807435809511415580803%附近,抗磨性能达到最佳,体系的磨损体积减少55%左右,在此之后,随着浓度增加,抗磨性能反而减弱,当其质量百分数大于07%时反而恶化体系的抗磨性能图3为不同浓度SiO 21的摩擦系数随时间的变化关系曲线试验条件

16、为:振幅1mm 、频率20Hz 、温度25、载荷100N 、时间20min从图3中可以看出:经过7min 左右的磨合后,摩擦曲线趋于稳定,纳米SiO 21的加入能明显改善水基溶液的摩擦性能,降低体系的摩擦系数, 并且Fig3Frictional traces at various additive concentrations 图3摩擦系数随浓度变化关系曲线随SiO 21量的增加,摩擦系数稳步下降,添加质量百分数为2%时,平均摩擦系数由022降为014,下降幅度达36%3磨斑表面分析31表面形貌分析图4表示不同含量SiO 21体系润滑下钢块磨损表面三维形貌轮廓图由图4可以看出: 纯基础液Fig

17、4Surface maps of the worn surfaces of discs图4不同含量SiO 21体系润滑下钢块磨损表面三维形貌轮廓图121第2期王建华,等:水溶性纳米二氧化硅添加剂的制备及摩擦学性能研究润滑下的磨痕(黏着磨损非常严重,同时表面有许多较深的沟槽,这是由剥落的金属磨屑产生的磨粒磨损;含05%纳米SiO 21添加剂的水溶液明显改善了钢块磨损表面的擦伤和黏着磨损;随着SiO 21浓度的进一步增加,其磨斑尺寸较基础液反而增大,这时纳米SiO 21恶化了体系的磨损,这同其相应的摩擦磨损试验结果相一致另外从磨斑表面看,高浓度SiO 21磨损表面光滑平整,与基础液磨损形式相比,此

18、时黏着磨损基本消失,主要以磨粒磨损存在,这些磨粒是由团聚的纳米SiO 2组成的,均匀的球状SiO 2颗粒对摩擦表面起了刨光作用32磨斑表面XPS 分析为了研究纳米SiO 2微粒作为水基添加剂的作用机理,对质量百分数为05%的纳米SiO 21微粒润滑下的下钢块磨损表面进行了XPS 分析,磨斑表面典型元素化学状态分析结果示于图5摩擦表面有硅元素的存在,Si2p 的电子结合能为1027eV ,为无定形氧化硅, 归属于钢球磨损表面沉积的纳米Fig5XPS spectra of typical elements on the worn steel surfaces (100N 图505%SiO 2润滑下

19、钢块磨损表面典型元素的XPS 图谱(100N SiO 2根据以上磨痕表面元素的XPS 分析结果可以推测,在摩擦过程中钢球磨损表面生成了以SiO 2为主的沉积边界膜4摩擦机理探讨从SiO 2纳米微粒摩擦磨损试验结果看,粒径在10nm 左右的SiO 2纳米微粒在低浓度条件下,不仅具有良好的抗磨减摩性能,同时还具有良好的极压性能;而浓度较高及粒径较大的SiO 2纳米微粒,具有一定的减摩性能和优异的极压性能,但增加了摩擦副的磨损结合表面元素化学状态表征结果分析认为:均匀分散在基础液中的粒径较小的SiO 2纳米微粒,由于具有极高的扩散能力和自扩散能力,在摩擦刚刚开始时,这些微粒极易吸附在摩擦表面上,首先

20、形成1层物理吸附膜随着摩擦运动的进一步加剧,在边界润滑条件下,因摩擦表面局部高温下,尤其在高负荷下,处于摩擦副表面的SiO 2纳米微粒,由于粒径较小,熔点降低,极有可能处于熔化、半熔化或烧结状态,同时由于扩散、渗透作用,部分纳米微粒中的元素还可能渗透到金属的表面或亚表面与基体组分形成固溶体,从而形成1层所谓“第三体”的类陶瓷纳米膜,该纳米膜不同于一般的薄膜,其韧性、抗弯强度均大大优于一般薄膜,该膜存在隔离了钢钢摩擦副的直接接触,从而使金属间的摩擦磨损显著降低79随着纳米SiO 2纳米微粒粒径的增加,其硬度和熔点也随之增加,由于其硬度大于金属摩擦副的硬度,这些大粒径的SiO 2纳米微粒在摩擦初期

21、,对摩擦副表面可起到精密抛光作用而随着摩擦副接触表面粗糙度的降低,使摩擦副之间的接触面积增大,这不但使摩擦系数降低,而且使得承载时接触面的压应力减小,进而相应地提高油液的承载能力5结论a在纳米尺度范围内,SiO 2颗粒均具有良好的减摩性能,且粒径越小减摩效果越好b以粒径为10nm SiO 2微粒作为水基润滑添加剂时,随着纳米添加剂浓度的增加,水溶液体系的承载能力和减摩性能显著提高221摩擦学学报第31卷第2 期 王建华， 等： 水溶性纳米二氧化硅添加剂的制备及摩擦学性能研究 123 c 质量百分数 0 5% 、 粒径 10 nm 的 SiO2 1 7 L Ronald Polyether ba

22、sed thickeners with additives for 1982 increased efficiency in aqueous systems USP 4 310 436 ， 8 Gao Y J，Zhang Z J，Xue Q J Study on the friction and wear properties of GCr15 steel under lubrication of water containing oleic acid modified TiO2 nanoparticleJ Tribology，2000 ， 20 （ 1 ） ： 22 24 （ in Chin

23、ese） 高永建， 张治军， 薛群基 油酸 修饰 TiO2 纳米微粒水溶液润滑下 GCr15 钢摩擦磨损性能研 J 摩擦学学报， 2000 ， 20 （ 1 ） ： 22 24 究 9 Zhang Y W，Fu S F，Tao D H The tribological properties of several ultra fine particles in semifluid greaseJ Lubrication Engineering， 2002 ， 6 ： 43 46 （ in Chinese） 张玉伟， 付尚发， 陶德华 几种超细微粒在半流体脂中的摩擦行为J 润滑 2002 ， 6

24、： 43 46 与密封， 1 0 Huo Y Q，Yan Y T，Liu X X Preparation and tribological properties of monodispersed nano SiO2 particles as additive in lubricating oil J Tribology， 2005 ， 25 （ 1 ） ： 34 38 （ in Chinese） 霍玉秋， 闫玉涛， 刘晓霞 单分散纳米 SiO2 的制备 及其作为润滑 油 添加剂 的摩 擦学性 能研究J 摩 擦学 学 2005 25 （ 1 ） ： 34 38 报， 1 1 Yuan Z， Luo J B， He Y Film forming characteristics of nanoscale SiO2 hydrosolJ Tribology， 2004 ， 24 （ 2 ） ： 97 100 （ in Chinese） 袁治， 雒建斌， 何雨 纳米二氧化硅水溶胶成 J