可实现超高负载的油基润滑添加剂的制备方法与应用

本发明涉及润滑添加剂技术领域，具体涉及一种可实现超高负载的水滑石纳米片油基润滑添加剂溶液的制备方法与应用。

背景技术：

约25％的总能量损失因为克服摩擦而浪费，并且由于材料磨损而造成的能量损失估计占工业化国家的国民生产总值(gnp)的1.3-1.6％。因此，降低磨损、减小能耗、大幅提升转配部件的使用寿命具有时代性的重要意义。目前开发环境友好型兼具超高负载能力的润滑液，成为广大科研学者的重要研究方向。

润滑油具有很好的抗磨损作用，同时，抗磨添加剂是润滑油中重要组成部分，直接关系到摩擦副的平稳运行及有效运转。一般情况下，润滑油中都是通过添加磷、硫类物质提高负载能力，防止运动副表面发生烧结、刮伤、卡咬。但是磷、硫类物质一般很难生物降解，对环境造成一定的污染性。目前，急需寻找一种环境友好并且在一定程度上能够提升润滑油极压性能的添加剂。

水滑石纳米片是由层间阴离子与带正电荷层板有序组装而成的化合物，其化学组成通式可表达为：[m²⁺1-xm³⁺x(oh)2]^x+(a^n-)x/n·mh2o，其中m²⁺和m³⁺分别代表二价和三价金属阳离子，位于主体层板上，主体层板是由mo6八面体共用邻边而形成，其结构类似于水镁石mg(oh)2；a^n-代表层间阴离子；x为m³⁺/(m²⁺+m³⁺)的摩尔比值；m为层间水分子的个数。位于层板上的二价金属阳离子，如mn²⁺，mg²⁺，co²⁺，ni²⁺，cu²⁺，zn²⁺可以在一定的比例范围内被离子半径相近的三价金属阳离子如cr³⁺，fe³⁺，al³⁺，co³⁺同晶格取代。

水滑石纳米片是一种层状双氢氧化物，由于它们相对较弱的内部键及相互作用(即范德华相互作用)，可以改善摩擦副之间的润滑性能。水滑石纳米片能够进入接触摩擦副的滑动表面，从而有效减少摩擦副表面粗糙峰碰撞概率，降低滑移面的磨损。水滑石不仅具有独特的分层结构，而且具有与矿物粉末相似的化学活性。此外，配位不饱和的水滑石纳米片在高温摩擦接触区具有极高的化学活性，并促进在滑动表面上形成致密的保护性摩擦膜，可以实现润滑液的超高负载能力。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种可实现超高负载的油基润滑添加剂，可以实现油基润滑液在超高负载工况下仍可正常应用。

为解决上述技术问题，本发明提供一种可实现超高负载的油基润滑添加剂，所述油基润滑添加剂为水滑石纳米片，含有该添加剂油基润滑液的超高负载能力高于2000n。

所述油基润滑添加剂采用如下方法制备而成：

第一步，将可溶性的二价及三价无机金属盐与尿素加入多羟基醇类溶液中，磁力搅拌均匀；

第二步，将第一步获得的溶液转移到水热釜中，加热至一定温度反应，然后水冷至室温，取出悬浊液后过滤，使用醇类溶液洗涤，清洗后的浆料以固液比为0.1％～2％分散在丙酮溶液中，得到胶体溶液；

第三步，将第二步所的胶体溶液通过离心方法收集浆料，将上述浆料以固液比0.1％～2％分散在醇类溶液中，得到澄清透明的胶体溶液；

第四步，将第三步所得胶体溶液与基础油进行混合，得到前驱体润滑液；

第五步，将第四步所得前驱体润滑液在油浴中放置12～36小时。

所述二价金属盐为mn²⁺，mg²⁺，co²⁺，ni²⁺，cu²⁺，zn²⁺与b(oh)4^-，no3^-，cl^-，f^-，hpo3^-组成可溶性盐中的一种；上述三价无机金属盐为cr³⁺，fe³⁺，al³⁺与b(oh)4^-，no3^-，cl^-，f^-，hpo3^-组成可溶性盐中的一种。

其中，所述多羟基醇类为体积浓度不低于95％乙二醇及其衍生物的一种或多种。

其中，所述二价金属离子与三价金属离子的摩尔比为2～4：1，尿素与三价金属离子的摩尔比为6～8：1。

其中，所述二价金属盐的浓度范围为0.1mmol/l～100mmol/l,所述三价金属盐浓度范围为0.05mmol/l～50mmol/l，所述尿素的浓度为0.35～350mmol/l。

其中，所述第二步中加热温度100～120℃下真空箱中加热。

上述方法制备的水滑石纳米片添加剂的应用方法，所述含有该添加剂润滑液的超高负载能力高于2000n。

本发明的有益效果

水滑石纳米片是一种层状双氢氧化物，由于它们相对较弱的内部键及相互作用(即范德华相互作用)，可以改善摩擦副之间的润滑性能，有效减少摩擦副表面粗糙峰碰撞概率，降低滑移面的磨损。与此同时，配位不饱和的水滑石纳米片在高温摩擦接触区具有极高的化学活性，并促进在滑动表面上形成致密的保护性摩擦膜，实现了润滑液的超高负载能力。本发明水滑石添加剂制备方法简单易操作，实用性强，性能优越，可靠性高。使用该添加剂制成油基润滑液后，在摩擦过程中水滑石能及时进入接触区，有效避免粗糙峰的直接接触，大大提高了抗磨性能。

附图说明

图1(a)水滑石纳米片扫描电镜图片；(b)透射电镜图片；(c)原子力显微图片；(d)在甲醇和基础油中的分散情况；

图2含水滑石添加剂的油基体系的摩擦系数；

图3(a)基础油以及(b)含1wt％水滑石纳米片样品摩擦实验后的磨斑直径；(c)基础油以及(d)含1wt％水滑石纳米片样品摩擦实验后的磨痕宽度；

图4分析在水滑石纳米片润滑的磨损痕迹上形成的摩擦膜：(a)低倍截面透射电镜图像；(b)沿磨损轨迹深度方向的元素质谱线分析；(c)摩擦膜的衍射图；(d)摩擦膜的高分辨透射电镜图像。

具体实施方式

本发明提供一种可实现超高负载的油基润滑添加剂的制备方法，所述油基润滑为水滑石纳米片，含有该添加剂油基润滑液的超高负载能力高于2000n。

所述制备方法进一步具体为：

第一步，将可溶性的二价及三价无机金属盐与尿素加入多羟基醇类溶液中，磁力搅拌均匀；

第二步，将第一步获得的溶液转移到水热釜中，加热至一定温度，反应24～36小时，然后水冷至室温，取出悬浊液后过滤，使用醇类溶液洗涤，清洗后的浆料以固液比为0.1％～2％分散在丙酮溶液中，得到胶体溶液；

第三步，将第二步所的胶体溶液通过离心方法收集浆料，将上述浆料以固液比0.1％～2％分散在醇类溶液中，得到均匀半透明的胶体溶液；

第四步，将第三步所得胶体溶液与基础油按质量比10％～50％的比例进行混合，获得前躯体润滑液；

第五步，将第四步所得前驱体润滑液在80～120℃的油浴中放置12～36小时。

所述二价金属盐为mn²⁺，mg²⁺，co²⁺，ni²⁺，cu²⁺，zn²⁺与b(oh)4^-，no3^-，cl^-，f^-，hpo3^--组成可溶性盐中的一种；上述三价无机金属盐为cr³⁺，fe³⁺，al³⁺与b(oh)4^-，no3^-，cl^-，f^-，hpo3^-组成可溶性盐中的一种。

第一步中，所述多羟基醇类为体积浓度不低于95％乙二醇及其衍生物的一种或多种。

第一步中，所述二价金属离子与三价金属离子的摩尔比为2～4：1，优选3:1，尿素与三价金属离子的摩尔比为6～8：1，优选7:1。

所述二价金属盐的浓度范围为0.1mmol/l～100mmol/l,所述三价金属盐浓度范围为0.05mmol/l～50mmol/l，所述尿素的浓度为0.35～350mmol/l。

所述第二步中加热温度100～120℃下真空箱中加热。

所述第二步中所述醇类溶液为体积浓度不低于95％乙醇及其衍生物的一种或多种。

所述第三步中所述醇类溶液为体积浓度不低于90％甲醇及其衍生物的一种或多种。

所述第四步中所述基础油为ultra-s150n及其衍生物的一种或多种。

所述第五步中制备的水滑石纳米片的横向尺寸为50～80nm，纵向尺寸为0.5～2nm。

上述方法制备的水滑石纳米片添加剂的应用方法，所述含有该添加剂润滑液的超高负载能力高于2000n。

以下采用实施例和附图来详细说明本发明的实施方式，借此对本发明如何应用技术手段来解决上述技术问题，并达成技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。

实施例1水滑石纳米片添加剂的制备

将浓度为3.2mmol/l的六水合硝酸钴，浓度为1.6mmol/l的九水合硝酸铝、浓度为11.2mmol/l的尿素加入乙二醇中，所述六水合硝酸钴与九水合硝酸铝的摩尔比3:1，尿素与九水合硝酸铝的摩尔比为7:1，磁力搅拌均匀，将获得的溶液转移到水热釜中，加热至120℃，反应24小时，然后水冷至室温，取出悬浊液后过滤，使用乙醇洗涤，清洗后的浆料以固液比为1％分散在丙酮溶液中，得到胶体溶液，将所得的胶体溶液通过离心方法收集浆料，将上述浆料以固液比1％分散在甲醇中，得到均匀透明的胶体溶液，将所得胶体溶液以30％比例与基础油进行混合，将所得润滑液在100℃的油浴中放置24小时。

实施例1方法得到的产品如图1a,c所示的超薄纳米水滑石片(横向尺寸为50～80nm,纵向尺寸为0.5～2nm左右)。经过乙醇洗涤并分散在甲醇溶液中如图1d呈现出澄清透明状态.由于丁达尔效果明显，说明溶液是胶体状态。表明水滑石纳米片经过改性可以很好地分散到油基体系。

将此配比得出的最终产物作为添加剂按质量分数1wt％的比例加入到基础油中，搅拌分散后，采用srv摩擦磨损实验机的球盘往复模式进行实验。摩擦试样由轴承钢(aisi52100)球和轴承钢(aisi52100)盘组成，其弹性模量，泊松比和洛氏硬度(hrc)分别为210gpa，0.3和64.66，aisi52100的表面粗糙度(ra)为40.5nm，室内环境湿度为30％，上试样的直径是10mm。实验温度为120℃，行程2mm，往复频率50hz。在爬升试验期间，滑动固体表面在50n下运转30s，然后正常载荷升至100n并运行15分钟，之后，负载每2分钟增加100n。当摩擦系数(cof)突然超过0.3时，必须停止摩擦测试，这表明滑动表面发生了咬合并且润滑失败。

与此同时，将基础油含有相同质量分数的多层水滑石片(宽度50nm左右，高度20nm左右)作为对比。多层水滑石片采用恒定酸碱度法制备，由于溶液具有足够高的碱度，同时水滑石在纵向尺度上未添加任何封端剂，导致水滑石在纵向尺度上堆叠形成多层水滑石，其实验结果如图2所示。当负载到400n时候，基础油的摩擦系数突然急剧上升，表明无咬合的最大负载为300n；在基础油中添加了1wt％的多层纳米水滑石后，从该摩擦系数中可以观察到，其数值存在一定范围的波动，并且在整个实验过程中承载都未超越1100n；有趣的是，在基础油溶液中添加了1wt％的超薄纳米水滑石片后，摩擦系数波动不大，并且负载达到2000n(这是摩擦实验机可以提供的最高负载)摩擦系数都没有急剧增加。

为了比较基础油与含纳米水滑石油溶液的抗磨损，统一实验工况，所有润滑的样品均在120℃下经受200n的压力。磨损痕迹的图像采用光学显微镜(图3a-d)获得。如图所示，添加了超薄纳米水滑石片后的润滑液在抗磨损方面效果显著，其磨斑直径比未添加时的磨斑直径减少了将近四分之一，从而所承受的接触压强提升约为原来的1.78倍。

如图4a所示，在钢基底上更均匀地形成了厚度约为50nm的摩擦膜。此外，摩擦膜的co，al和o均匀地分布在滑动表面上。电子衍射图和hrtem图表明，晶条不是很明显。推测在水滑石层板中会出现更多的四面体配位铝，并且水滑石纳米片以单层形式出现，导致水滑石纳米片的结晶性较差。考虑到添加剂具有优异的抗磨性能，具有高表面活化能的晶体结构而不是结晶良好的材料在抗磨性能中起着重要作用。

由此可见，超薄纳米水滑石片在油溶液中可以承受超高负载且不发生咬合现象，对于有效减少能量损耗和保护摩擦副表面具有十分重要的积极作用。

所有上述的首要实施这一知识产权，并没有设定限制其他形式的实施这种新产品和/或新方法。本领域技术人员将利用这一重要信息，上述内容修改，以实现类似的执行情况。但是，所有修改或改造基于本发明新产品属于保留的权利。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。