一种水溶性Fe3O4@PEG核壳结构纳米复合添加剂的制备方法及应用

本发明涉及一种水溶性润滑添加剂，具体涉及一种水溶性fe3o4@peg核壳结构纳米复合添加剂的制备方法及应用。

背景技术：

1、摩擦和磨损为工业带来恶劣的影响，是机械效率降低、设备故障、能源消耗和经济损失的主要原因。矿物基础油(从原油中提炼)已被广泛用于润滑剂中，它通过形成摩擦膜来阻止摩擦副的直接接触，以改善摩擦副之间的摩擦学性能，但这对人类健康甚至环境的可持续性提出了严峻的挑战。甘油(丙三醇)作为一种环境友好型润滑剂，与水复合后具有阻燃、可生物降解、成本低等优点，可应用于液压油、金属加工等摩擦学领域。因此，提出水-甘油替代矿物油在润滑领域具有重要意义。而水-甘油作为一种环保的润滑介质，通常表现出较差的润滑性能，并具有低粘度和高腐蚀性等限制性缺点。为了拓宽水-甘油在润滑领域的应用，添加剂的加入对改善水基流体的润滑性能至关重要。

2、因为全球三分之一的机械能被浪费在抵消摩擦上，开发具有独特形貌的微/纳米结构添加剂对于摩擦学研究尤为重要。近年来，无机氧化物、硫化物、硼酸盐等球形微/纳米粒子作为滚动轴承将滑动摩擦转化为滚动摩擦，显示出优异的减摩抗磨性能。然而，这些材料都是非磁性的，而且较难从废旧润滑油中回收这些微/纳米颗粒，这不仅会污染环境，而且会增加废油处理和回收的成本。因此，有必要开发一些环境友好、价格低廉的润滑油添加剂，以满足极端条件下的各种需求。

3、近年来，纳米fe3o4具有环境友好、价格低廉、磁性好等优点，在磁记录介质、药物递送剂、吸附剂、癌症治疗等方面受到了极大的关注。同时，磁性纳米fe3o4具有良好的摩擦润滑性能。例如，周等人发表的“sliding tribological properties of 0.45％carbonsteel lubricated with fe3o4 magnetic nano-particle additives in baseoil”(wear2013；301:753–7)一文中采用油酸修饰法制备了10nm的fe3o4磁性纳米粒子，将磁性fe3o4纳米粒子添加到摩擦副表面的基础油中，有效地改善了基础油的润滑效果；宋等人发表的“submicron-lubricant based on crystallized fe3o4 spheres for enhancedtribology performance”(chem mater 2014；26:5113–9)一文中合成了亚微米级磁性fe3o4微球，将其分散在润滑油中，改善了润滑油的性能。因此，磁性纳米fe3o4在机械润滑和工业制造等方面广泛应用。

4、尽管磁性纳米fe3o4对摩擦学润滑有积极的作用，但由于表面能高，磁性强，极易团聚等缺陷造成了其在各类润滑油中分散性差的问题，严重阻碍磁性纳米fe3o4在润滑领域的应用。为了有效地改善fe3o4纳米粒子的分散性，采用了有机蒸汽缩合、表面活性剂吸附和直接硅烷化等表面改性方法。但这些方法会带来许多挑战，包括成本高、不可控性和环境污染。因此，通过绿色简便的方式将peg-4000修饰在磁性纳米fe3o4表面，并开发利用其作为润滑添加剂的摩擦学特性。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种水溶性fe3o4@peg核壳结构纳米复合添加剂的制备方法及应用，增强四氧化三铁纳米颗粒和聚乙二醇之间的作用，使修饰后的四氧化三铁纳米颗粒在水甘油溶液中具有良好的分散稳定性和减摩抗磨性。

2、为了解决目前水基润滑存在的应用问题，本发明首次在四氧化三铁表面包覆聚乙二醇4000(peg-4000)，制得具有核壳结构的fe3o4@peg-4000纳米颗粒，并将其作为水基润滑添加剂。所述的水基润滑添加剂是平均粒径为13nm的fe3o4@peg-4000核壳结构纳米复合材料。

3、一种水溶性fe3o4@peg核壳结构纳米复合添加剂的制备方法，所述的方法为共沉淀合成方法，包含如下步骤：首先，在三颈圆底烧瓶中加入二价铁盐(fe2+)和三价铁盐(fe3+)，加入peg-4000水溶液，在惰性气氛下搅拌并加热到40-50℃；然后，反应进行10-20分钟后，加入碱性溶液至反应体系完全变黑后调节ph值至10～12，将温度加热至50-70℃，反应10-30分钟；之后，先后使用乙醇和蒸馏水对产物进行清洗；然后，将得到的固体放入烧瓶和peg-4000水溶液中，用蒸馏水将混合物的ph值调整到8～9，然后超声分散，用无水乙醇离心洗涤数次后在50～80℃下真空干燥24～48小时，形成fe3o4@peg-4000核壳结构纳米复合材料。

4、本发明中，所述水溶性fe3o4@peg核壳结构纳米复合添加剂为fe3o4@peg-4000核壳结构纳米复合材料。

5、本发明的核壳结构纳米复合fe3o4@peg-4000水溶性润滑添加剂，采用共沉淀法(将沉淀剂加入fe2+和fe3+混合溶液中)合成，fe2+在空气中极易被氧化，在添加反应物时fe2+应当过量，使得实际反应中与化学计量数相吻合，使得反应更加充分，若按照化学计量数添加质量比为1:2的fe2+和fe3+，大量fe3+生成副产物氢氧化铁，影响体系的分散稳定性和摩擦学性能。

6、根据上述制备方法，所述二价铁盐(fe2+)和三价铁盐(fe3+)的质量比为1:1。

7、最优的，所述二价铁盐(fe2+)和三价铁盐(fe3+)为氯化亚铁四水合物(fecl2·4h2o)和氯化铁六水合物(fecl3·6h2o)。

8、根据上述制备方法，所述peg-4000水溶液的浓度为100～200g/l。

9、最优的，所述peg-4000水溶液浓度为160g/l。

10、根据上述制备方法，所述惰性气体选自氮气和氩气中的任意一种。

11、最优的，所述惰性气体为氮气。

12、根据上述制备方法，所述碱性溶液为1mol/l的氢氧化钠溶液和含氨为25～28％水溶液中的任意一种。

13、最优的，所述碱性溶液为氨水溶液。

14、根据上述制备方法，所述反应温度为50-70℃，优选为60℃。

15、根据上述制备方法，所述反应进行10-30分钟，优选为30分钟。

16、根据上述制备方法，所述超声分散时间为5min，离心速率为3500rpm。

17、根据上述制备方法，所述用蒸馏水将混合物的ph值调整到8～9。

18、最优的，所述用蒸馏水将混合物的ph值调整到8。

19、fe3o4@peg-4000核壳结构纳米复合材料作为水基润滑体系减摩抗磨添加剂的应用，所述fe3o4@peg-4000核壳结构纳米复合材料在水基润滑剂中形成稳定的棕黑色分散体系，在50～90℃范围内表现出优异的减摩抗磨性能。

20、所述fe3o4@peg-4000在水基润滑油中的添加量为0.2wt％～1.0wt％。

21、所述水基润滑油为质量比为1:(1～3)的水和甘油。

22、最优的，所述水基润滑油为质量比为1:1的水和甘油。

23、本发明具有如下有益效果：

24、本发明利用氯化亚铁四水合物(fecl2·4h2o)和氯化铁六水合物(fecl3·6h2o)制备磁性四氧化三铁(fe3o4)，制备过程中加入聚乙二醇4000(peg-4000)，形成了具有核壳结构的fe3o4@peg-4000润滑添加剂，解决了fe3o4在水溶性润滑剂中分散稳定性差的问题。将该润滑添加剂置于水-甘油等水溶性体系中，摩擦学结果显示：在50～90℃范围内，fe3o4@peg-4000润滑添加剂在水-甘油等水溶性体系中表现出良好的摩擦学性能。