多種復(fù)配表面活性劑對納米銅粉在潤滑油中分散穩(wěn)定性的研究

    納米金屬粒子在潤滑油中作為固體潤滑荊的應(yīng)用研究正在興起，逐漸被人們重視。研究表明，納米金屬粒子作為潤滑油添加劑能有效改善潤滑油的摩擦性能，顯示出傳統(tǒng)固體潤滑劑(如聚四氟乙烯、MoS₂和石墨粉體)無法比擬的優(yōu)越性^[1-3]。但是，簡單的金屬納米粒子是非油溶性物質(zhì)，潤濕性不好^[4-5]，且由于納米顆粒極細的晶粒導致顆粒具有巨大的表面能、顆粒間的吸引力、自動集聚力，使顆粒形成塊狀體^[6]，在潤滑油中沉淀下來，長時間作用后甚至會起到增大摩擦的不良作用，從而失去添加劑的功能。因此納米粒子在潤滑油中的分散穩(wěn)定性就成為納米粒子作為潤滑油添加劑的關(guān)鍵因素。

    從目前的研究來看，提高納米材料在潤滑油中穩(wěn)定性的方法主要有以下幾種：(1)物質(zhì)與納米粒子表面基團發(fā)生化學反應(yīng)或化學吸附。(2)聚合物包覆納米粒子。(3)高能量表面改性^[7-9]。利用紫外線電暈放電、紅外線、等離子體照射等進行表面處理，由于技術(shù)復(fù)雜、成本較高，故應(yīng)用不多；多數(shù)實驗^[10-12]均是采用不同方法制備納米銅粉時加入修飾劑，使制備出的納米粒子具有油溶性，即采用聚合物包覆納米粒子的方法使納米粒子具有較好的分散穩(wěn)定性：而本實驗采用表面活性劑復(fù)配的方法，使納米銅粉在潤滑油中具有良好的分散穩(wěn)定性，此方法不僅開拓了常用表面活性劑的進一步利用，也能較好地解決納米銅粉在潤滑油中的分散穩(wěn)定性。

1實驗部分

1．1實驗原料

實驗采用的納米金屬銅粉購買于由深圳尊業(yè)納米材料有限公司，其粒徑范圍O～60nm之間，平均粒徑25nm；實驗用基礎(chǔ)潤滑油為l0^#機械油，購買于蘭州順澤油品有限公司；實驗中使用的表面活性劑：司班(Span)系列(20、40、60、80)、吐溫(Tween)系列(20、40、60、80)(天津市福晨化學試劑廠)，Tl54(雙聚異丁烯丁二酰亞胺)、Tl51(單聚異丁烯丁二酰亞胺)(蘭煉公司)．APG(C12—14)(金陵石化研究院有限公司)，油酸(萊陽化工實驗廠)，石油醚60--9012(天津市元立化工有限公司)，丙酮(萊陽市雙雙化五有限公司)。

    1．2實驗儀器

    200ml燒杯若干個，電子分析天平(梅特勒-托利多儀器(上海)有限公司)，高剪切混合乳化機(上海威宇機電制造有限公司)，KQ2200DE型數(shù)控超聲波清洗器(昆山市超聲儀器有限公司)，800型離心機(常州國華電器有限公司)，U-2001紫外-可見分光光度計(日本日立公司)，MRS-10(G)杠桿式四球摩擦磨損實驗機、MRS-10A液壓式四球摩擦實驗機(濟南實驗機廠)，四球機專用鋼球，材質(zhì)為優(yōu)質(zhì)鉻合金軸承鋼GCrl5A，Φl2．7mm，HRC64～66(上海鋼球廠)，15J直讀式測量顯微鏡(上海光學儀器廠)。

    1．3實驗方法

    1．3．1表面活性劑復(fù)配的原則    

    在實驗中，表面活性劑的復(fù)配比例根據(jù)表面活性劑HLB值的計算方法(如式l)得到．其值控制在10～ll，而機械油的HLB值的范圍為10～l3，機械油的HLB值與表面活性劑的HLB值比較符合時更有利于表面活性劑發(fā)揮分散作用。   

式中，HLB_i為混合體系中某種表面活性劑的HLB值；qi為該種表面活性劑在混合體系中的質(zhì)量分數(shù)。

1．3．2分散液的制備方法

稱取定量的分散劑(占機械油質(zhì)量的4％)，再稱取定量的納米銅粉(占機械油質(zhì)量的O．10％)，將二者混合均勻后再緩慢向其中加入機械油。同時手動攪拌，最后由高剪切混合乳化機在8000r／min的速率下剪切lh。

1．3．3離心液的制備方法

    將分散液放入超聲波清洗器中稍作分散，超聲波分散條件：溫度70℃，時間10min，功率60w。將分散好的溶液倒入800型離心機中的試管(10ml溶液)，然后以2000r／min的速率進行離心分離，離心后的上層液進行吸光度的檢測。 

1．3．4分散穩(wěn)定性的檢測方法

    采用透光率法(分光光度計)檢測納米微粒的分散穩(wěn)定性.使用的是U-2001紫外-可見分光光度計，在最大吸收波長742nm處測量離心液的吸光度。最人吸收波長的確定方法如下：

    將純l0^#機械油與添加n-Cu的機械油分別放入U-2001紫外．可見分光光度計中進行200-1000nm全波段掃描，然后局部放大進行觀察，見圖l、圖2。通過對比圖lb與圖2b發(fā)現(xiàn)，在波長742nm1。處，純機械油幾乎沒有吸光度，而添加n-Cu的機械油在此處具有一定的吸光度，而且在此處其吸光度最大，因此確定含n-Cu的機械油最大吸收波長為742nm。

圖1純l04機械油的全波長掃描

Fig．1 the entire wavelength scanning of pureⅣmechanical oil．

圖2添加n-Cu的機械油全波長掃描

Fig．2 the entire wavelength scanning of l 0#mechanical oil containing n-Cu

    13．5測定摩擦學性能的實驗條件

    實驗最大無卡咬負荷P_B值、磨斑直徑WSD按照潤滑油極壓性能測定方法(四球法)(Standard testmethod for measurement ofextreme pressure proportics of lubricating fluids(four-ball method))的國家標準GB／Tl2583．1998測試的．

MRS-10(G)杠桿式四球摩擦磨損實驗機(測量PB值)，轉(zhuǎn)速1450r／minl MRS-IOA液壓式四球摩擦實驗機(測量WSD)，轉(zhuǎn)速1450r／min，載荷392N，長磨時間30min．

2結(jié)果與討論

    2.1復(fù)配裹面活性羽對n-Cu在潤滑油中的分散穩(wěn)定效果

    本實驗旨在考察通過復(fù)配后的表面活性劑對納米銅粉在潤滑油中的分散穩(wěn)定性．將離心后的上層液在742nm處經(jīng)分光光度計檢測其吸光度，吸光度越大說明納米銅粉在機械油中的分散狀況越好．表面活性劑的復(fù)配組合及實驗結(jié)果見表I及圖3。

表l離心液的吸光度數(shù)值

Table I absorbance ofcentrifugal liquid

圖3表面活性劑復(fù)配組合與吸光度的關(guān)系

Fig3. the relationship between absorbanee and surfactant mixed systerm

    由表1及圖3可見:離心15rain后，Tl51作為分散劑的溶液吸光度最大，其次是司班．80&畦溫-40的復(fù)配及Tl54，說明包含這三種分散劑溶液的分散狀況較好；離心30min后， Tl54作為分散劑的溶液吸光度最大，其次是Tl51及司班．80&吐溫-40的復(fù)配，說明包含這三種分散劑溶液的分散狀況較好；綜合兩次檢測結(jié)果Tl54、Tl51及司班．80&吐溫40的復(fù)配對納米銅粉在機械油中的分散具有理想的效果。     

    值得注意的是比較含有不同分散劑15min與30min的離心液的吸光度發(fā)現(xiàn)：含有Tl54分散劑的離心液二者吸光度差值較小，其次是含有分散劑司班．80&吐溫．40的復(fù)配及Tl51的離心液。這與分散劑對納米銅粉在機械油中分散的穩(wěn)定性有關(guān)，不同離心時間的離心液，其吸光度相差越小，納米銅粉在機械油中分散的穩(wěn)定性就越高。  

2．2含n-Cu潤滑濁的摩擦學性能  

    為了檢驗納米銅粒子作為潤滑油添加劑在潤滑油中的作用，實驗中分別測試了其具有代表性的兩個摩擦學方面的性能，即極壓性能和抗磨性能。這兩個方面的性能分別用最大無卡咬負荷Pa磨斑直徑WSD來表征。

    基礎(chǔ)油(10^#機械油)及添加Tl54作為分散劑、不同含量n-Cu作為添加劑的基礎(chǔ)油進行摩擦學性能實驗，實驗PB值與長磨時WSD的結(jié)果見表2，實驗油樣的制備方法見1．3．2．

表2納米銅粉用作潤滑油添加劑的摩擦學性能

Table 2 tribological prope of n-Cu as additives in lubricating oil

圖4納米銅添加量與最大無卡咬負荷的關(guān)系

Fig．4 the relationship between the biggest lockless loads and content ofn-Cu

圖5納米銅添加量與磨斑直徑的關(guān)系

Fig．5 the relationship between wear scar diameter and content ofn-Cu

    由圖4可見，添加n-Cu的潤滑油比基礎(chǔ)油的極壓性能有較大地提高。隨著納米銅粉添加量的逐漸增多，實驗油樣的最大無卡咬負荷PB值先增大后減小，PB值最大時達到530N，比基礎(chǔ)油的PB值提高了28．64％，說明納米銅在基礎(chǔ)油中起到了極壓劑的作用。由圖5可見，在本實驗條件下納米銅。的添加對機械油的抗磨性能還沒有表現(xiàn)出明顯的改善作用，實驗油樣在長磨時的磨斑直徑變化不大。

    但納米銅添加劑對機械油抗磨性能的作用趨勢是先減小后增大，當納米銅添加量超過2％時，潤滑油的磨斑直徑迅速增大，甚至超過基礎(chǔ)油的磨斑直徑。這是由于納米粒子添加量過多時，由于其具有較大比表面積和比表面能，且納米粒子間存在著較強地凝聚成較大顆粒的趨勢，因此粒子間相互接觸和碰撞韻幾率大大增加，在摩擦作用下容易聚集形成較大的顆粒，這使得摩擦過程變得不平穩(wěn)，而導致PB值減小、WSD增大。說明納米粒子作為潤滑油添加劑有最佳掭加量，本實驗測得為2％。