一种实现Al2O3纳米颗粒在润滑油中长时间分散稳定的方法与流程

本申请涉及润滑油领域，尤其涉及一种实现al2o3纳米颗粒在润滑油中长时间分散稳定的方法。

背景技术：

含有纳米颗粒的各种油溶液已被证明在减少摩擦、提高抗磨和提高导热系数方面具有显著效果，如含有cu、cuo、al2o3、tio2、bn、mos2以及碳材料的一种或两种纳米颗粒的润滑油都能显著提高润滑油的减摩、抗磨性能。但是纳米颗粒在油基中的保持长期的分散稳定性仍有待提高。

al2o3纳米颗粒作为一种典型的无机纳米颗粒，由于制备简单、成本低而得到了广泛的关注和应用。nishantmohan在《saetechnicalpaperseri》(2014)发表的题为“tribologicalpropertiesofautomotivelubricantsae20w-40containingnano-al2o3particles”的研究结论表明，与基础油相比，在富油和润滑不足的情况下含有al2o3纳米颗粒润滑油的摩擦、磨损均有所降低。罗婷等人在《ceramicsinternational》(2014，40，7143-7149)发表的题为“tribologicalpropertiesofal2o3nanoparticlesaslubricatingoiladditives”的研究结论，证实了含有al2o3润滑油下完成四球磨损实验后，摩擦系数和疤痕直径均得到有效改善。ali等人在《journaloftribology》(2018，140，trib-17-1329)发表题为“frictionandwearreductionmechanismsofthereciprocatingcontactinterfacesusingnanolubricantunderdifferentloadsandspeeds”的研究，研究结果显示与没有纳米颗粒的润滑油相比，含有al2o3纳米粒子润滑油使活塞环的摩擦系数降低39-53％，磨损率减少25-33％。

在关于提高导热系数方面，sezer等人在《powdertechnology》(2019，344，404–431)发表题为“acomprehensivereviewonsynthesis，stability，thermophysicalproperties，andcharacterizationofnanofluids”的研究成果，研究对比发现含有颗粒大小范围为5-80nm的al2o3纳米粒子润滑油流体的热导率提高了0.3％到38％。lotfizadehdehkordi等人在他的研究成果中“investigationofviscosityandthermalconductivityofaluminananofluidswithadditionofsdbs”《heatandmasstransfer》(2013，49，1109-1115)发现了在0.01-0.75vol％浓度下的al2o3纳米流体的导热系数增加约为0-4％。以上研究表明al2o3作为润滑油添加剂可以有效的提高润滑油抗磨减摩性能和导热性能，但是随着时间推移表现出纳米颗粒团聚、沉降，难以长时间内保持分散稳定，这限制了在工业上的应用。如何实现al2o3纳米颗粒在油中能较长时间内保持分散稳定目前是急需解决的难题。

提高纳米流体分散稳定性的方法主要有物理法和化学法两大类。物理法包括机械搅拌、超声分散等；化学法主要有添加分散剂、纳米粒子表面改性等。之所以难提高al2o3纳米颗粒在油溶液中的分散稳定性是因为没有充分利用物理和化学方法的有效结合，制备流程有所不足导致解除颗粒团聚不彻底，破解后的部分颗粒间没有形成空间位阻来克服范德华力而导致沉降。

因此，制备出良好分散性和较长时间稳定性的纳米油溶液对于改善抗磨、减摩、提高传热效率、节能减排，具有重要意义。

技术实现要素：

本申请的目的之一在于提供一种实现al2o3纳米颗粒在润滑油中长时间分散稳定的方法，旨在改善现有的纳米油溶液易发生团聚和沉降的问题。

本申请的技术方案是：

一种实现al2o3纳米颗粒在润滑油中长时间分散稳定的方法，包括以下步骤：

s1，将油酸加入润滑油中，通过高速均质分散机在室温下对所述油酸进行搅拌，使其均匀分散在所述润滑油中；

s2，将al2o3纳米颗粒加入由所述油酸和所述润滑油构成的混合油溶液中，并用第一超声设备对所述混合油溶液进行超声，使得所述混合油溶液中形成的团聚颗粒分散；

s3，通过磁力搅拌对步骤s2中的所述混合油溶液进行充分搅拌，使得所述油酸与所述al2o3纳米颗粒保持接触；

s4，通过第二超声设备对步骤s3中的所述混合油溶液充分超声，超声过程中采用恒温水浴控制所述混合油溶液的温度范围在40℃-60℃之间，使得所述油酸与所述al2o3纳米颗粒表面发生反应，并使得所述al2o3纳米颗粒表面修饰，并均匀地分散到所述混合油溶液中；

s5，超声完成后，待所述混合油溶液稳定30-300min后，再次将所述混合油溶液用所述第一超声设备超声1-5min，制得分散状的al2o3纳米油溶液。

作为本申请的一种技术方案，在步骤s1中，所述润滑油包括基础油、矿物油、合成油或由矿物油与合成油组成的混合物。

作为本申请的一种技术方案，在步骤s1中，所述油酸为所述al2o3纳米油溶液中的表面修饰剂，所述的油酸的含量占所述al2o3纳米油溶液总质量的0.4-6wt％。

作为本申请的一种技术方案，在步骤s1中，所述分散机工作转速为5000-10000r/min，搅拌分散时间为2-10min。

作为本申请的一种技术方案，在步骤s2中，所述al2o3纳米颗粒为球形或棒状或针状，平均粒径为5-100nm，所述al2o3纳米颗粒的含量占所述润滑油总量的0.01-0.6wt％。

作为本申请的一种技术方案，在步骤s2中，所述第一超声设备为超声探针设备，频率为20-45hz，超声输出功率为45-180w，超声时间为1-3min。

作为本申请的一种技术方案，在步骤s3中，所述磁力搅拌的频率为50hz，搅拌过程中的设定温度为30-60℃，搅拌时间为30-360min。

作为本申请的一种技术方案，在步骤s4中，所述第二超声设备由超声探针设备和超声浴设备构成，频率为20-45hz，超声输出功率为45-180w，超声时间为30-540min。

本申请的有益效果：

本申请的实现al2o3纳米颗粒在润滑油中长时间分散稳定的方法中，其主要利用油酸作为纳米颗粒表面改性剂，通过理化结合方法并利用磁力搅拌和超声方式的高效结合，优选超声频率和超声温度，运用超声功率和超声持续时间的最佳匹配结果来破除团聚颗粒，进一步优化制备工艺流程，从而获得良好分散和能够长时间稳定的al2o3纳米油溶液。本申请中的方法解决了al2o3纳米材料在油溶液中分散不好、稳定性差的技术问题，得到了能够在长时间内分散稳定的al2o3纳米油溶液。通过选择最优的制备温度、适宜的油酸表面修饰剂浓度，优化超声时间和超声功率间的匹配，优化制备工艺流程来实现以上目标。由于油酸中一侧含有羧基，而al2o3氧化物含有羟基，因此它们能够发生化学反应，反应生成物以离子键的方式连接在一起，从而在纳米粒子表面构成单分子包覆层，形成微胞形态，形成空间位阻，这样可以有效的避免纳米粒子接触，减小纳米颗粒间范德华力的影响，从而阻止粒子的团聚，避免发生大量沉降；油酸分子另一侧的烷基链易溶于油性溶液，所以经过油酸改性后的纳米粒子具有亲油性，能够较好的溶于润滑油中。其次，本申请中的制备工艺过程简单，成本低廉，能够有效地降低制作成本。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施方式的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本申请实施例提供的al2o3纳米颗粒被油酸表面改性的傅里叶红外光谱图；

图2为本申请实施例提供的al2o3纳米油溶液吸光度随时间变化的曲线图；

图3a为本申请实施例提供的al2o3纳米油溶液在制备完成第90天后的tem图；

图3b为本申请实施例提供的al2o3纳米油溶液在制备完成第140天后的tem图。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和展示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

实施例：

请参照图1，配合参照图2至图3，本申请提供一种实现al2o3纳米颗粒在润滑油中长时间分散稳定的方法，包括以下步骤：

s1，将适量的油酸加入润滑油中，使用高速均质分散机在室温下将其搅拌均匀并分散在润滑油中；

s2，将适量的al2o3纳米颗粒加入上述混合油溶液中，并用第一超声设备进行超声使得其中的团聚颗粒分散；

s3，将上述混合油溶液运用磁力搅拌进行充分搅拌，使得油酸与al2o3纳米颗粒保持充分接触，以利于颗粒表面修饰改性；其中，其磁力搅拌频率为50hz，搅拌过程设定温度保持30-60℃，搅拌时间30-360min；

s4，将上述的混合油溶液采用第二超声设备充分超声，超声过程中采用恒温水浴控制油液温度范围在40℃-60℃之间，使得油酸与al2o3纳米颗粒表面充分发生反应，使得al2o3纳米颗粒表面充分修饰，并均匀地将其分散到混合油溶液中；其中，第二超声设备可以采用由超声探针设备和超声浴设备组合构成设备，其频率为20-45hz，超声输出功率为45-180w，超声时间为30-540min；

s5，超声完成后，待混合油溶液稳定30-300min后，再次将混合油溶液用超声探针设备超声1-5min，从而制得分散良好、乳白色的al2o3纳米油溶液。

需要说明的是，在本实施例中，在步骤s1中，该润滑油包括基础油、矿物油、合成油或者由矿物油与合成油共同组成的混合物；油酸(c18h34o2)是纳米油溶液中表面修饰剂，其含量占总的混合油溶液质量的0.4-6wt％；高速均质分散机工作转速为5000-10000r/min，搅拌分散时间为2-10min。

需要说明的是，在本实施例中，在步骤s2中，al2o3纳米颗粒为球形或棒状或针状，平均粒径为5-100nm，al2o3纳米颗粒含量占润滑油总量的0.01-0.6wt％；同时，第一超声设备可以采用超声探针设备，其频率为20-45hz，超声输出功率为45-180w，超声时间为1-3min。

下面通过实际案例实施按照上述的制备流程图来说明制备al2o3纳米油溶液：

(1)将1.6g油酸加入38.38g基础油聚α烯烃(pao6)中，用高速均质分散机保持转速为10000r/min持续搅拌10min；

(2)将0.02g球形的al2o3纳米颗粒加入到上述油溶液中，用超声探针设备超声3min；其中，超声输出功率为120w，超声频率为20hz；

(3)将上述油溶液运用磁力搅拌保持转速1000r/min来搅拌300min，搅拌过程维持油溶液的温度在30℃左右，使油酸与al2o3纳米颗粒表面充分接触反应；

(4)磁力搅拌后，将上述油溶液置于恒温水浴中，并控制其温度为60℃左右，然后采用超声探针设备不间断超声120min，使得al2o3纳米颗粒解除团聚；其中，其超声输出功率为120w，超声频率为25hz；

(5)将上述油溶液继续采用超声浴超声360min，进一步破除团聚；其中，控制其超声温度为60℃左右，超声输出功率为100w，超声频率为37hz；

(6)超声完成后，待油溶液稳定240min后，再次采用探针超声4min，从而制得0.05wt％分散良好、乳白色的al2o3纳米油溶液。

需要说明的是，如图1所示，经该ft-ir测试图谱说明al2o3纳米颗粒表面被油酸充分修饰。

制备完成后，定期采用uv紫外光谱和tem电镜对油溶液中的纳米颗粒分散情况进行表征，图2是表征了刚制备完成到第170天时间段内的吸光系数变化；图3a为制备完成第90天的油溶液中纳颗粒的tem照片表征图，图3b为制备完成第140天的油溶液中纳颗粒的tem照片表征图，将二者进行对比可以发现在第140天油溶液的部分al2o3纳米颗粒开始发生了团聚。此外，根据制备后第90天和第140天的al2o3纳米油溶液照片可看到试管底部虽然有部分沉降，但油溶液中的al2o3纳米颗粒依然保持较好的分散稳定性。

综上可知，本申请的实现al2o3纳米颗粒在润滑油中长时间分散稳定的方法中，其主要利用油酸作为纳米颗粒表面改性剂，通过理化结合方法并利用磁力搅拌和超声方式的高效结合，优选超声频率和超声温度，运用超声功率和超声持续时间的最佳匹配结果来破除团聚颗粒，进一步优化制备工艺流程，从而获得良好分散和能够长时间稳定的al2o3纳米油溶液。本申请中的方法解决了al2o3纳米材料在油溶液中分散不好、稳定性差的技术问题，得到了能够在长时间内分散稳定的al2o3纳米油溶液。通过选择最优的制备温度、适宜的油酸表面修饰剂浓度，优化超声时间和超声功率间的匹配，优化制备工艺流程来实现以上目标。磁力搅拌和超声是破解纳米颗粒团聚的有效方法，但是磁力搅拌的时长和超声结合的顺序、超声方式选择、超声持续时长、超声功率、以及以上因素间最优匹配和制备的工艺流程都是影响纳米颗粒在油溶液中分散质量的重要因素。

针对al2o3纳米颗粒，油酸是一种较为理想的表面修饰剂，是实现稳定性的重要保证，其用量要匹配纳米颗粒浓度的大小。由于油酸中一侧含有羧基，而al2o3含有羟基，因此它们能够发生化学反应，反应生成物以离子键的方式连接在一起，从而在纳米粒子表面构成单分子包覆层，形成微胞形态，形成空间位阻，这样可以有效的避免纳米粒子接触，减小纳米颗粒间范德华力的影响，从而阻止粒子的团聚，避免发生大量沉降；油酸分子另一侧的烷基链易溶于油性溶液，所以经过油酸改性后的纳米粒子具有亲油性，能够较好的溶于润滑油中。其次，本申请中的制备工艺过程简单，成本低廉，能够有效地降低制作成本。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，应包含在本申请的保护范围之内。