一种含有纳米钻石烯的锂基润滑脂及其制备方法与流程

本发明属于工业润滑领域，具体涉及一种含有纳米钻石烯的锂基润滑脂及其制备方法。

背景技术：

润滑脂是机械、航空、国防行业一种重要的润滑材料，广泛用在机器设备的摩擦部分，起到润滑和密封作用，也可以用在零件表面起到填充和防锈的作用。润滑脂具有很强的粘附性，在摩擦表面保持能力强，不需要单独设置油压系统和密封系统，可以减小设备体积。同时，润滑脂是一种半固体材料，常温常压下不会产生流动性，只需对摩擦系统定期加油即可，即加油次数少。

通常润滑脂有基础油、稠化剂、添加剂三部分组成，其中基础油占润滑脂总量的70%-90%，稠化剂占润滑脂总量的10%-20%，添加剂含量占润滑脂总量的0-10%。为了使润滑脂具有较好的极压抗磨性，通常选用一些纳米粒子作为添加剂添加到润滑脂中，常用的纳米粒子通常都是金属氧化物的纳米粒子，如ZnO、AlO、CuO、SiO₂以及纳米硫化物等，但是这些纳米粒子作为润滑脂的添加剂也会产生一些问题：1）硫元素以及某些金属氧化物会对金属产生一定的腐蚀作用；2）纳米粒子通常具有难以分散，易积聚的特性，此时的积聚增加机械的摩擦阻力，降低机械传递效率；3）纳米粒子的导热性能较差，不利于将摩擦产生的热量传递出去，易于造成润滑脂的变质。

技术实现要素：

本发明的目的是为了提供一种含有纳米钻石烯的锂基润滑脂，同时提供其制备方法是本发明的另一发明目的，本发明的润滑脂具有高导热率，良好的极压抗磨特性，防锈防腐蚀、化学性质稳定等优点。

基于上述目的，本发明采取了如下技术方案：一种含有纳米钻石烯的锂基润滑脂，由以下重量百分比的原料制成：润滑基础油80%～90%、稠化剂5%～7%、氢氧化锂1%～3%、抗氧剂0.1%～1%、防锈剂0.6%～2%、纳米钻石烯3%～9%。

所述润滑基础油为矿物油脂或合成油脂。

稠化剂由葵二酸与12-羟基硬脂酸二者按摩尔比1:0.5-1复配而成。

抗氧剂为二苯胺、苯基-α-萘胺、二异辛基二苯胺和乙二胺四乙酸四苄基酰胺中的一种。

防锈剂为石油磺酸钡、石油磺酸钙、环烷酸钡、石油磺酸钠和环烷酸锌中的一种。

纳米钻石烯由三种不同粒度组成，三种不同粒度分别为：40nm、50nm、60nm，其比例为(3～4)：(4～5)：(1～2)。

所述含有纳米钻石烯的锂基润滑脂的制备方法，包括以下步骤：1）混合：先将1/2～4/5的基础油与稠化剂混合，并高速剪切乳化：先于高速剪切乳化机以1500r/min的速度剪切20～30min，再加入到反应釜中，加热反应釜温度至50～60℃，同时施加800～1000r/min的搅拌速度，搅拌时间为15～20min；2）皂化：将氢氧化锂加入到步骤1）的混合液中，并继续保持步骤1）的搅拌速度，体系温度控制为100～110℃，皂化时间2～3h；3）脱水：当皂化完成后，将体系温度设置为150～160℃，保温2～3h；4）膨化：脱水后，将体系温度设置为200～210℃，保持18～22min；5）加入添加剂：向反应釜中加入剩余的基础油，并将体系温度降至120～140℃，之后依次加入抗氧剂、防锈剂和纳米钻石烯，并不断搅拌；6）冷却均化：将反应釜中复合锂基润滑脂冷却至室温，经三辊胶体研磨均化后制得脂体。

步骤5）中纳米钻石烯加入前依次经过活化处理和表面改性处理，

活化处理的具体步骤为：a.超声波碱洗：将纳米钻石烯倒入浓度为10%～12%的氢氧化钠溶液中于50～60℃下超声碱洗并搅拌；超声的频率35～45 KHz，搅拌的速度为35～40rpm，碱洗的时间为20～30min；b.超声波清洗：将碱洗后的纳米钻石烯放入去离子水中超声清洗，超声频率为30～40KHz，同时以10～20rpm的搅拌速度搅拌，搅拌时间15～20min，测量上层清液pH值，反复清洗直至pH=7；c.酸洗活化：将清洗过的纳米钻石烯放入浓度为25%～30%的稀硝酸溶液中酸洗活化，溶液温度25～30℃，同时以30～35rpm的搅拌速度搅拌，搅拌时间15～20min；d.超声波水洗：将酸洗活化后的纳米钻石烯放入去离子水中以30～35 KHz的超声频率超声波水洗，并以10～20 rpm的搅拌速度搅拌，搅拌时间15～20min，测量上层清液pH值，反复清洗直至pH=7；

表面改性处理的具体步骤为：将纳米钻石烯超声分散在无水乙醇中，并以2500～3000r/min的搅拌速度搅拌，所述纳米钻石烯与乙醇的用量比1～2g:100ml；在上述搅拌条件下向体系加入无水乙醇-钛酸酯偶联剂混合液，且钛酸酯偶联剂的加入量为纳米钻石烯重量的5～8%，继续搅拌25～30min后，放入真空烘箱内，温度设定为120～130℃，直至水分和有机溶液全部挥发，最终得到肽脂酸偶联剂表面改性的纳米钻石烯。

无水乙醇-钛酸酯偶联剂混合液中，钛酸酯偶联剂的质量分数为2%～3%。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

1、纳米钻石烯兼有纳米颗粒与钻石烯的双重性质，将其添加到润滑脂中可以起到良好的润滑效果，纳米钻石烯中的C元素可以渗入到滑动摩擦的摩擦副中，形成润滑油膜。一方面，纳米钻石烯在润滑脂中的均匀分布，强化了摩擦副表面形成的润滑油膜的强度，也可以充当摩擦副之间的“微滚珠”，将滑动摩擦变为滚动摩擦，降低摩擦副之间的摩擦阻力；另一方面，纳米钻石烯的高硬度与良好的化学稳定性，可以使形成的润滑油膜不易摩擦氧化，也可避免与润滑脂中的其它化学元素发生氧化反应，提高了润滑油膜的化学稳定性；

2、与现有的未添加纳米钻石烯的润滑脂的导热性较差，润滑脂高温时不容易保证润滑脂的热稳定性相比，将纳米钻石烯作为添加剂加入到润滑脂中，可增加润滑脂的导热性能，继而增强润滑脂的热稳定性；

3、相比添加其它抗磨纳米粒子，如纳米金属单质、纳米金属氧化物、纳米金属硫化物等，这些纳米粒子都具有分散性差、容易发生团聚等特点，会影响它们在润滑脂中的分散稳定性、抗磨减磨特性及极压特性，而纳米钻石烯具有良好的分散性，不易团聚，容易制得分散性能、抗磨减磨性能良好的润滑脂，且将纳米钻石烯添加到润滑脂中可以充分发挥其导热、耐磨和润滑的特性。

附图说明

图1是不同纳米钻石烯含量对锂基润滑脂极压性能的影响；

图2是不同纳米钻石的添加量对锂基润滑脂摩擦系数的影响；

图3是不同纳米钻石烯含量对锂基润滑脂磨斑直径的影响。

具体实施方式

以下将通过实施例具体说明本发明，但这些具体实施方案不以任何方式限制本发明的保护范围。

实施例1

一种含有纳米钻石烯的锂基润滑脂，由以下重量百分比的原料制成：润滑基础油90%、稠化剂5%、氢氧化锂1%、抗氧剂0.1%、防锈剂0.9%、纳米钻石烯3%。

所述润滑基础油为矿物油脂。稠化剂由葵二酸与12-羟基硬脂酸二者按摩尔比1:0.5复配而成。抗氧剂为苯基-α-萘胺。防锈剂为石油磺酸钙。纳米钻石烯由三种不同粒度组成，三种不同粒度分别为：40nm、50nm、60nm，其比例为3：4：1。

其制备方法，包括以下步骤：

1）混合：先将1/2的基础油与稠化剂混合，并高速剪切乳化：先于高速剪切乳化机以1500r/min的速度剪切20min，再加入到反应釜中，加热并搅拌至体系50℃；

2）皂化：将氢氧化锂加入到步骤1）的混合液中，并继续保持步骤1）的搅拌速度，体系温度控制为110℃，皂化时间2h；

3）脱水：当皂化完成后，将体系温度设置为150℃，保温2h；

4）膨化：脱水后，将体系温度设置为200℃，保持18min；

5）加入添加剂：向反应釜中加入剩余的基础油，并将体系温度降至120℃，之后依次加入抗氧剂、防锈剂和纳米钻石烯，并不断搅拌；

6）冷却均化：将反应釜中复合锂基润滑脂冷却至室温，经三辊胶体研磨均化后制得脂体。

步骤5）中纳米钻石烯加入前依次经过活化处理和表面改性处理，

活化处理的具体步骤为：a.超声波碱洗：将纳米钻石烯倒入浓度为10%的氢氧化钠溶液中于50℃下超声碱洗并搅拌；超声的频率35 KHz，搅拌的速度为35rpm，碱洗的时间为20min；b.超声波清洗：将碱洗后的纳米钻石烯放入去离子水中超声清洗，超声频率为30KHz，同时以10rpm的搅拌速度搅拌，搅拌时间15min，测量上层清液pH值，反复清洗直至pH=7；c.酸洗活化：将清洗过的纳米钻石烯放入浓度为25%～30%的稀硝酸溶液中酸洗活化，溶液温度25℃，同时以30rpm的搅拌速度搅拌，搅拌时间15min；d.超声波水洗：将酸洗活化后的纳米钻石烯放入去离子水中以30KHz的超声频率超声波水洗，并以10rpm的搅拌速度搅拌，搅拌时间15min，测量上层清液pH值，反复清洗直至pH=7；

表面改性处理的具体步骤为：将纳米钻石烯超声分散在无水乙醇中，并以2500r/min的搅拌速度搅拌，所述纳米钻石烯与乙醇的用量比1g:100ml；在上述搅拌条件下向体系加入无水乙醇-钛酸酯偶联剂混合液，无水乙醇-钛酸酯偶联剂混合液中钛酸酯偶联剂的质量分数为2%，钛酸酯偶联剂的加入量为纳米钻石烯重量的6%，继续搅拌25min后，放入真空烘箱内，温度设定为120℃，直至水分和有机溶液全部挥发，最终得到肽脂酸偶联剂表面改性的纳米钻石烯。

实施例2

一种含有纳米钻石烯的锂基润滑脂，由以下重量百分比的原料制成：润滑基础油80%、稠化剂7%、氢氧化锂2%、抗氧剂1%、防锈剂2%、纳米钻石烯8%。

所述润滑基础油为合成油脂。稠化剂由葵二酸与12-羟基硬脂酸二者按摩尔比1: 1复配而成。抗氧剂为二异辛基二苯胺。防锈剂为环烷酸钡。纳米钻石烯由三种不同粒度组成，三种不同粒度分别为：40nm、50nm、60nm，其比例为4：5：2。

所述含有纳米钻石烯的锂基润滑脂的制备方法，包括以下步骤：

1）混合：先将4/5的基础油与稠化剂混合，并高速剪切乳化：先于高速剪切乳化机以1500r/min的速度剪切30min，再加入到反应釜中，加热并搅拌至体系60℃；

2）皂化：将氢氧化锂加入到步骤1）的混合液中，并继续保持步骤1）的搅拌速度，体系温度控制为110℃，皂化时间3h；

3）脱水：当皂化完成后，将体系温度设置为160℃，保温3h；

4）膨化：脱水后，将体系温度设置为210℃，保持22min；

5）加入添加剂：向反应釜中加入剩余的基础油，并将体系温度降至140℃，之后依次加入抗氧剂、防锈剂和纳米钻石烯，并不断搅拌；6）冷却均化：将反应釜中复合锂基润滑脂冷却至室温，经三辊胶体研磨均化后制得脂体。

步骤5）中纳米钻石烯加入前依次经过活化处理和表面改性处理，

活化处理的具体步骤为：a.超声波碱洗：将纳米钻石烯倒入浓度为12%的氢氧化钠溶液中于60℃下超声碱洗并搅拌；超声的频率45 KHz，搅拌的速度为40rpm，碱洗的时间为30min；b.超声波清洗：将碱洗后的纳米钻石烯放入去离子水中超声清洗，超声频率为40KHz，同时以20rpm的搅拌速度搅拌，搅拌时间20min，测量上层清液pH值，反复清洗直至pH=7；c.酸洗活化：将清洗过的纳米钻石烯放入浓度为30%的稀硝酸溶液中酸洗活化，溶液温度30℃，同时以35rpm的搅拌速度搅拌，搅拌时间20min；d.超声波水洗：将酸洗活化后的纳米钻石烯放入去离子水中以35 KHz的超声频率超声波水洗，并以20 rpm的搅拌速度搅拌，搅拌时间20min，测量上层清液pH值，反复清洗直至pH=7；

表面改性处理的具体步骤为：将纳米钻石烯超声分散在无水乙醇中，并以3000r/min的搅拌速度搅拌，所述纳米钻石烯与乙醇的用量比2g:100ml；在上述搅拌条件下向体系加入无水乙醇-钛酸酯偶联剂混合液，无水乙醇-钛酸酯偶联剂混合液中钛酸酯偶联剂的质量分数为3%，钛酸酯偶联剂的加入量为纳米钻石烯重量的8%，继续搅拌30min后，放入真空烘箱内，温度设定为125℃，直至水分和有机溶液全部挥发，最终得到肽脂酸偶联剂表面改性的纳米钻石烯。

实施例3

一种含有纳米钻石烯的锂基润滑脂，由以下重量百分比的原料制成：润滑基础油85%、稠化剂6%、氢氧化锂3%、抗氧剂1%、防锈剂2%、纳米钻石烯3%。

所述润滑基础油为矿物油脂。稠化剂由葵二酸与12-羟基硬脂酸二者按摩尔比1:1复配而成。抗氧剂为二苯胺。防锈剂为石油磺酸钡。

纳米钻石烯由三种不同粒度组成，三种不同粒度分别为：40nm、50nm、60nm，其比例为3：5：2。

所述含有纳米钻石烯的锂基润滑脂的制备方法，包括以下步骤：1）混合：先将1/2的基础油与稠化剂混合，并高速剪切乳化：先于高速剪切乳化机以1500r/min的速度剪切20min，再加入到反应釜中，加热并搅拌至体系50℃；2）皂化：将氢氧化锂加入到步骤1）的混合液中，并继续保持步骤1）的搅拌速度，体系温度控制为100℃，皂化时间2h；3）脱水：当皂化完成后，将体系温度设置为150℃，保温2h；4）膨化：脱水后，将体系温度设置为210℃，保持18min；5）加入添加剂：向反应釜中加入剩余的基础油，并将体系温度降至120℃，之后依次加入抗氧剂、防锈剂和纳米钻石烯，并不断搅拌；6）冷却均化：将反应釜中复合锂基润滑脂冷却至室温，经三辊胶体研磨均化后制得脂体。

步骤5）中纳米钻石烯加入前依次经过活化处理和表面改性处理，

活化处理的具体步骤为：a.超声波碱洗：将纳米钻石烯倒入浓度为10%的氢氧化钠溶液中于60℃下超声碱洗并搅拌；超声的频率45 KHz，搅拌的速度为35rpm，碱洗的时间为20min；b.超声波清洗：将碱洗后的纳米钻石烯放入去离子水中超声清洗，超声频率为30KHz，同时以15rpm的搅拌速度搅拌，搅拌时间15min，测量上层清液pH值，反复清洗直至pH=7；c.酸洗活化：将清洗过的纳米钻石烯放入浓度为28%的稀硝酸溶液中酸洗活化，溶液温度25℃，同时以30rpm的搅拌速度搅拌，搅拌时间20min；d.超声波水洗：将酸洗活化后的纳米钻石烯放入去离子水中以35 KHz的超声频率超声波水洗，并以20 rpm的搅拌速度搅拌，搅拌时间20min，测量上层清液pH值，反复清洗直至pH=7；

表面改性处理的具体步骤为：将纳米钻石烯超声分散在无水乙醇中，并以3000r/min的搅拌速度搅拌，所述纳米钻石烯与乙醇的用量比1g:100ml；在上述搅拌条件下向体系加入无水乙醇-钛酸酯偶联剂混合液，无水乙醇-钛酸酯偶联剂混合液中钛酸酯偶联剂的质量分数为3%，钛酸酯偶联剂的加入量为纳米钻石烯重量的5%，继续搅拌30min后，放入真空烘箱内，温度设定为130℃，直至水分和有机溶液全部挥发，最终得到肽脂酸偶联剂表面改性的纳米钻石烯。

在其他实施例中抗氧剂为还可以是二异辛基二苯胺和乙二胺四乙酸四苄基酰胺中的一种。防锈剂还可为环烷酸钡、石油磺酸钠和环烷酸锌中的一种。

对比试验：纳米钻石烯的添加量对本发明润滑脂摩擦性能的影响

1、样品制备：

润滑脂基础油选用合成油脂二甲基硅油，稠化剂选用葵二酸、12-羟基硬脂酸，添加剂为经活化处理和表面改性处理的纳米钻石烯，抗氧化剂为二苯胺，除锈剂为石油磺酸钠。

具体配方如下：

二甲基硅油：85%

葵二酸、12羟基硬脂酸复合稠化剂：7%

氢氧化锂：2%

抗氧剂：0.4%

防锈剂：0.6%

纳米钻石烯：1%。

具体制备方法为：

1）混合：将70%的基础润滑油、葵二酸与12-羟基硬脂酸混合后，将其进行高速剪切乳化：高速剪切乳化机以1500r/min的速度剪切25min，然后加入到反应釜中，加热温度为60℃，加热同时施加600r/min的搅拌速度；

2）皂化：将氢氧化锂加入到上述混合液中，此时继续保持上步的搅拌速度，温度设置为100℃，皂化时间2h；

3）脱水：皂化完成后，进行脱水反应，具体是将体系温度设置为160℃，保温时间为2h；

4）膨化：脱水后，将温度设置为200℃，保持20min左右；

5）加入添加剂：向反应釜中加入剩余的30%基础润滑油，此时把反应温度降低为130℃，再依次加入抗氧剂、防锈剂、活化处理和表面改性处理的纳米钻石烯，并不断搅拌；

6）冷却均化：将反应釜中复合锂基润滑脂冷却至室温，经三辊胶体研磨均化后制得脂体。

此时将制得复合锂基润滑脂编号为R1。

同R1的制备方法，唯一不同的是，将上述步骤中纳米钻石烯添加量换作3%，5%，7%和9%分别制得复合锂基润滑脂，并依次编号为R2，R3，R4和R5，同时以不含纳米钻石烯的复合锂基润滑脂为空白，编号记为R0。

2、利用四球摩擦磨损实验法对R0，R1，R2，R3，R4和R5进行抗磨损性能测试

采用液压油四球摩擦磨损实验法，来测定液压油的抗磨损性能。根据国家标准测试各个样品的最大无卡咬负荷（PB值），所用钢球材质为GCr15，直径为12.7mm，硬度64-66HRC。在转速为1450r/min，载荷为392N，摩擦时间30min，参照国标GB/T3142-82进行测试，测试结果如图1、图2和图3所示，其中PB值表示摩擦表面润滑油膜强度。

从图1中可以看出，当锂基润滑脂中没有添加纳米钻石烯时，PB值为1100N，随着纳米钻石烯含量的增加，PB值在逐渐变大，同时也表明摩擦表面的润滑油膜强度的提高。当纳米钻石烯的含量为7%时，PB值为1700N，PB提高了54.5%。

如图2所示，当润滑脂中没有添加纳米钻石烯时摩擦系数为0.095，当纳米钻石烯的添加量为3%，摩擦系数为0.045，摩擦系数降低了52.6%，说明纳米钻石烯可以大幅降低润滑脂的摩擦系数，大幅提高润滑脂的减磨抗磨能力。

图3所示为纳米钻石对磨斑直径的影响，磨斑直径大小可以反映出润滑脂的抗磨性能。当润滑脂中没有添加纳米钻石烯时，钢球的磨斑直径为0.5mm，纳米钻石烯含量为3%时，钢球磨斑直径为0.4mm，磨斑直径减小了20%，所以纳米钻石烯的添加大幅提高了润滑脂的抗磨能力。

从图2与图3中也可以看出，随着纳米钻石烯含量的继续增加，其摩擦系数和磨斑直径有变大的趋势，这是因为纳米钻石烯具有大的比表面积和比表面能，当添加过量的纳米钻石烯时在摩擦过程中容易引起团聚，形成大尺寸的团聚体，反而对润滑脂的减摩性能有不利影响。