一種水滑石納米添加劑的制備與應(yīng)用方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于潤(rùn)滑添加劑材料的技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種水滑石納米添加劑的制備 與應(yīng)用方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 在過去的幾十年中，納米顆粒由于其特殊性能和尺度效應(yīng)被廣泛應(yīng)用在潤(rùn)滑添加 劑的制備中，該顆?？梢越档湍Σ磷枇Γ⒖梢詼p少機(jī)械部件在運(yùn)行時(shí)的磨損。由于沒有良 好潤(rùn)滑條件而引起的能源損失以及材料耗費(fèi)成為工業(yè)發(fā)展中面臨的巨大挑戰(zhàn)，并且是迫切 需要解決的重大問題。潤(rùn)滑劑在提高能量轉(zhuǎn)化效率、減少摩擦副材料磨損和提升傳動(dòng)效率 方面做出了重大貢獻(xiàn)。由于通常選用的潤(rùn)滑油存在易燃危險(xiǎn)、儲(chǔ)運(yùn)不便、不易清洗以及對(duì)石 化資源的消耗和對(duì)環(huán)境破壞等缺點(diǎn)，目前開發(fā)環(huán)境友好的水基潤(rùn)滑液成為廣大研發(fā)機(jī)構(gòu)的 重要研宄方向，而水基潤(rùn)滑液中添加納米顆粒成為研宄熱點(diǎn)。
[0003] 純水由于粘度較低，在高壓強(qiáng)的摩擦過程中不易形成有效彈流潤(rùn)滑膜，因此其工 況往往處于邊界潤(rùn)滑狀態(tài)，粗糙峰碰撞概率較高，摩擦磨損較為劇烈。普通顆粒添加劑由于 尺寸較大，在加入水中后不易在摩擦過程中有效進(jìn)入接觸區(qū)起到減摩作用，因此對(duì)于所添 加的顆粒大小和物理性質(zhì)有很高的要求，其各方向的尺寸最好在IOOnm以下。
[0004] 水滑石又被稱為層狀雙金屬?gòu)?fù)合氫氧化物（Layered Double Hydroxide，LDH)，化 學(xué)通式為[Μ2+^' (OH) 2Γ (An_) x/n · mH20,其中 M 為金屬元素，可以由 Mg2+，Ni2+，Mn2+，Zn2+等 二價(jià)金屬陽(yáng)離子和Al 3+，Cr3+，F(xiàn)e3+，Co3+等三價(jià)金屬陽(yáng)離子組成；A -為陰離子，如CO廣，NO，， Cl_，0H_，S042_等陰離子，X為三價(jià)金屬陽(yáng)離子所占的比重[Μ37(M 2++M3+)]，變化范圍從1/5到 1/3。其結(jié)構(gòu)特征為二維層板縱向有序排列形成三維晶體結(jié)構(gòu)，層板內(nèi)原子間由較強(qiáng)的共價(jià) 鍵組成，層間則是較弱的相互作用，如離子、氫鍵和范德華力等。在滑移的過程中主體片層 可以有效地起到平滑過渡，滑移過程中產(chǎn)生的水滑石片層能有效地在粗糙峰之間起到阻隔 作用，從而產(chǎn)生減摩抗磨的作用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)特點(diǎn)，本發(fā)明提供一種在水中穩(wěn)定分散的水滑石納米添加劑的制 備方法與應(yīng)用方法。具體技術(shù)方案是：
[0006] -種水滑石納米添加劑的制備方法，其特征在于，所述水滑石納米添加劑的粒徑 范圍是1納米至100納米；所述制備方法包括以下步驟：
[0007] 1)將可溶性的二價(jià)及三價(jià)無(wú)機(jī)金屬鹽溶于水中配成A溶液，二價(jià)金屬離子與三價(jià) 金屬離子的摩爾比為2~4 ;
[0008] 2)將分散劑加入有機(jī)溶劑中配成B溶液；
[0009] 其中，二價(jià)金屬陽(yáng)離子濃度范圍為0.2m〇l/L~3.5mol/L，三價(jià)金屬陽(yáng)離子濃度范 圍為0· lmol/L~I. 75mol/L。分散劑與有機(jī)溶劑之比為0· 4~2。B溶液與A溶液的質(zhì)量 比例為9~1。
[0010] 3)將A溶液在磁力攪拌下逐滴加入B溶液，滴加完畢后繼續(xù)攪拌得到濁液，轉(zhuǎn)移到 自生壓水熱釜中，在70~120°C下水熱12~36小時(shí)，取出懸濁液后過濾，用水洗滌后，干 燥。
[0011] 進(jìn)一步，步驟1)中的可溶性二價(jià)金屬鹽為Mg2+, Ni2+, Mn2+, Zn2+與CO廣，NO3-, Cl_， 0Γ，SO,陰離子組成的可溶性鹽中的一種；可溶性三價(jià)金屬鹽為Al 3+，&3+^63+，&)3+與 CO廣，N(V，cr，0Γ，SO廣陰離子組成的可溶性鹽中的一種。
[0012] 進(jìn)一步，步驟2)中所述分散劑為含有氨基的長(zhǎng)鏈有機(jī)物。
[0013] 進(jìn)一步，步驟2)中所述分散劑為油胺及其衍生物、十八胺及其衍生物的一種或多 種。
[0014] 進(jìn)一步，步驟2)中所述有機(jī)溶劑為正丁醇、異丁醇及其衍生物和戊醇及其衍生物 的一種或多種。
[0015] 上述制備方法得到的水滑石納米添加劑的應(yīng)用方法，將制備得到的水滑石納米添 加劑加入水中，攪拌均勻，制成水滑石納米水基潤(rùn)滑液，所述水滑石納米添加劑的加入量為 水基潤(rùn)滑液的〇· 2wt%~10wt%。
[0016] 本發(fā)明水滑石納米添加劑制備方法簡(jiǎn)單易操作，實(shí)用性強(qiáng)，性能優(yōu)越，可靠性高。 使用本添加劑制成水基潤(rùn)滑液后，在摩擦過程中水滑石能及時(shí)進(jìn)入接觸區(qū)，有效避免粗糙 峰的直接接觸，防止磨損，大大提高了減摩耐磨性能。
【附圖說明】
[0017] 圖1為本發(fā)明水滑石納米水基潤(rùn)滑液的摩擦系數(shù)對(duì)比圖。
[0018] 圖2為本發(fā)明水滑石微米水基潤(rùn)滑液的摩擦系數(shù)對(duì)比圖。
【具體實(shí)施方式】
[0019] 本發(fā)明提供了一種具有減摩抗磨的潤(rùn)滑添加劑及其制備與應(yīng)用方法，下面結(jié)合具 體的實(shí)施方案對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明。
[0020] 實(shí)施例1
[0021] 按照表1所示的原料質(zhì)量分?jǐn)?shù)計(jì)量，按照本發(fā)明方法，經(jīng)過攪拌超聲分散到水中 處理后可得本實(shí)施例的潤(rùn)滑劑產(chǎn)品。
[0022] 表1實(shí)施例1中各原料的配比及用量
[0023]
[0024] 將此配比得出的最終產(chǎn)物作為添加劑按0. 5wt%的比例加入到水中，得到納米級(jí) 水滑石（寬度60nm，高度IOnm)懸濁液，經(jīng)過超聲分散后，在UMT3摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行 摩擦學(xué)實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)條件為：頻率4Hz，載荷2N，行程3mm，溫度25°C，對(duì)磨材料為4mm的氮化 硅球和氧化鋁陶瓷片。采用往復(fù)模式進(jìn)行45分鐘摩擦學(xué)實(shí)驗(yàn)。將水以及含有相同質(zhì)量分 數(shù)的納米級(jí)金剛石懸濁液作為對(duì)比。其實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下：
[0025] 添加了納米水滑石顆粒后的水在摩擦過程中摩擦系數(shù)穩(wěn)定在0.09至0. 1之間；而 添加了納米金剛石的水在摩擦過程中摩擦系數(shù)劇烈震蕩，可見磨合過程非常劇烈且摩擦系 數(shù)較大；相比之下純水的摩擦系數(shù)以及震蕩在兩者之間，且摩擦系數(shù)較大，在〇. 5附近。
[0026]
[0027] 通過比較添加了不同潤(rùn)滑介質(zhì)后磨損的陶瓷小球可以看出，添加了納米水滑石顆 粒后的水在抗磨損方面效果顯著，其磨斑直徑比純水和添加納米金剛石的磨斑直徑分別減 少了 46. 54%和 52. 77%。
[0028] 由此可見，納米水滑石在水中分散后作為潤(rùn)滑劑有很好的減摩抗磨性質(zhì)，對(duì)于減 少能量損耗和保護(hù)摩擦副表面有重要的積極作用。
[0029] 實(shí)施例2
[0030] 按照表2所示的原料質(zhì)量分?jǐn)?shù)計(jì)量，按照本發(fā)明方法，經(jīng)過攪拌超聲分散到水中 處理之后可得本實(shí)施例的潤(rùn)滑劑產(chǎn)品。
[0031] 表2實(shí)施例2中各個(gè)原料的配比及用量
[0032]
[0033] 將此配比得出的最終產(chǎn)物作為添加劑按0. 5wt%的比例加入到水中之后，得到納 米級(jí)水滑石（寬度50nm，高度8nm)懸濁液，經(jīng)過超聲分散后，在UMT3摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)上進(jìn) 行摩擦學(xué)實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)條件為：頻率4Hz，載荷2N，行程3mm，溫度25°C，對(duì)磨材料為4mm的氮 化硅球和氧化鋁陶瓷片。采用往復(fù)模式進(jìn)行45分鐘摩擦學(xué)實(shí)驗(yàn)。將水以及含有相同質(zhì)量 分?jǐn)?shù)的微米級(jí)水滑石懸濁液作為對(duì)比。其實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下：
[0034] 添加了納米水滑石顆粒后的水在摩擦過程中摩擦系數(shù)穩(wěn)定在0.09至0. 1之間；而 添加了微米級(jí)水滑石顆粒的水在摩擦過程中摩擦系數(shù)震蕩較為劇烈，可見磨合過程較劇烈 且摩擦系數(shù)較大；相比之下純水的摩擦系數(shù)以及震蕩在兩者之間，且摩擦系數(shù)較大，在0. 5 附近。
[0035]
[0036] 通過比較添加了不同潤(rùn)滑介質(zhì)后磨損的陶瓷小球可以看出，添加了納米水滑石顆 粒后的水在抗磨損方面效果顯著，其磨斑直徑比純水和添加納米金剛石的磨斑直徑分別減 少了 50. 55%和 48. 92%。
[0037] 由此可見，納米水滑石在水中分散后作為潤(rùn)滑劑有很好的減摩抗磨性質(zhì)，對(duì)于減 少能量損耗和保護(hù)摩擦副表面有重要的積極作用。
[0038] 以上所述，僅為本發(fā)明較佳的【具體實(shí)施方式】，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此， 任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替換， 都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)該以權(quán)利要求的保護(hù)范圍 為準(zhǔn)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種水滑石納米添加劑的制備方法，其特征在于，所述水滑石納米添加劑的粒徑范 圍是1納米至100納米；所述制備方法包括以下步驟： 1) 將可溶性的二價(jià)及三價(jià)無(wú)機(jī)金屬鹽溶于水中配成A溶液，二價(jià)金屬離子與三價(jià)金屬 離子的摩爾比為2~4 ; 2) 將分散劑加入有機(jī)溶劑中配成B溶液； 其中，二價(jià)金屬陽(yáng)離子濃度范圍為〇. 2mol/L~3. 5mol/L，三價(jià)金屬陽(yáng)離子濃度范圍為 0?lmol/L~I. 75mol/L，分散劑與有機(jī)溶劑之比為0? 4~2,B溶液與A溶液的質(zhì)量比例為 9~1 ; 3) 將A溶液在磁力攪拌下逐滴加入B溶液，滴加完畢后繼續(xù)攪拌得到濁液，轉(zhuǎn)移到自生 壓水熱Il中，在70~120°C下水熱12~36小時(shí)，取出懸池液后過濾，用水洗絳后，干燥。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述水滑石納米添加劑的制備方法，其特征在于，步驟1)中的可溶 性二價(jià)金屬鹽為Mg2+,Ni2+,Mn2+,Zn2+與CO32-，NO3-,Cl-，0H_，SO/-陰離子組成的可溶性鹽中的 一種；可溶性三價(jià)金屬鹽為Al3+,Cr3+,Fe3+,Co3+與CO32-，NO3-,Cl-，0H_，SO/-陰離子組成的可 溶性鹽中的一種。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述水滑石納米添加劑的制備方法，其特征在于，步驟2)中所述分 散劑為所述分散劑為含有氨基的長(zhǎng)鏈有機(jī)物。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述水滑石納米添加劑的制備方法，其特征在于，步驟2)中所述分 散劑為油胺及其衍生物、十八胺及其衍生物的一種或多種。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述水滑石納米添加劑的制備方法，其特征在于，步驟2)中的有機(jī) 溶劑為正丁醇、異丁醇及其衍生物和戊醇及其衍生物的一種或多種。6. 根據(jù)權(quán)利要求1-5任一項(xiàng)所述水滑石納米添加劑的制備方法制備的水滑石納米添 加劑的應(yīng)用方法，其特征在于，將水滑石納米添加劑加入水中，攪拌均勻，制成水滑石納米 水基潤(rùn)滑液，所述水滑石納米添加劑的加入量為水基潤(rùn)滑液的0. 2wt%~10wt%。
【專利摘要】一種水滑石納米添加劑制備方法,所述水滑石納米添加劑的粒徑范圍是1納米至100納米；所述制備方法包括以下步驟：1)將可溶性的二價(jià)及三價(jià)無(wú)機(jī)金屬鹽溶于水中配成A溶液，二價(jià)金屬離子與三價(jià)金屬離子的摩爾比為2～4；2)將分散劑加入有機(jī)溶劑中配成B溶液；B溶液與A溶液的質(zhì)量比例為9～1。本發(fā)明水滑石納米添加劑制備方法簡(jiǎn)單易操作，實(shí)用性強(qiáng)，性能優(yōu)越，可靠性高。使用本添加劑制成水基潤(rùn)滑液后，在摩擦過程中水滑石能及時(shí)進(jìn)入接觸區(qū)，有效避免粗糙峰的直接接觸，防止磨損，大大提高了減摩耐磨性能。
【IPC分類】C10M125/10, C10M173/02, C10N30/06, C10M177/00
【公開號(hào)】CN104893786
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510282938
【發(fā)明人】劉宇宏, 王鴻棟, 陳哲, 雒建斌, 任婧, 胡躍強(qiáng)
【申請(qǐng)人】清華大學(xué)
【公開日】2015年9月9日
【申請(qǐng)日】2015年5月28日