CN102120943A

CN102120943A - 一种含层状硅酸盐矿物质的磨损自修复润滑剂组合物及其制备方法

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Publication number: CN102120943A
Application number: CN2010101436734A
Authority: CN
Inventors: 岳�文; 王成彪; 付志强
Original assignee: China University of Geosciences Beijing
Current assignee: China University of Geosciences Beijing
Priority date: 2010-04-12
Filing date: 2010-04-12
Publication date: 2011-07-13
Anticipated expiration: 2030-04-12
Also published as: CN102120943B

Abstract

本发明涉及一种含层状硅酸盐矿物质的磨损自修复润滑剂组合物及其制备方法。本发明提供的润滑剂组合物，包括的组分和各组分质量配比如下：层状硅酸盐矿物10-20；表面修饰剂0.1-5；金属催化物0.1-5；性能调节剂组合物1-10；基础润滑剂70-80。制备方法如下：将层状硅酸盐矿物粉按比例混合、研磨，优选出颗粒度D₉₀≤3μm，之后加入到按表面修饰剂、金属催化物、性能调节剂不同比例配制的基础润滑剂中，进行研磨。使用方法是将其按0.2-1wt.％加入到设备现有的润滑剂系统中。本发明提供的润滑剂组合物具有良好的自修复效果、明显的节能降耗效果，摩擦表面形成的修复层提高了基体的硬度，降低了粗糙度。

Description

一种含层状硅酸盐矿物质的磨损自修复润滑剂组合物及其制备方法

所属技术领域：

本发明涉及一种含层状硅酸盐矿物质的磨损自修复润滑剂组合物及其制备方法。

背景技术：

目前在润滑油领域实用有效的极压抗磨剂均为含硫、磷、氯的物质，虽然有良好的效果，但也会对环境产生不良的影响，所以研制无硫、磷、氯或低硫、磷、氯的产品为今后极压抗磨添加剂发展的方向。

近年来以天然硅酸盐矿物为混合物的化学制剂具有减摩和动态磨损自修复的作用，以天然硅酸盐矿物为混合物的化学制剂作为润滑油添加剂需解决的主要问题是：(1)天然硅酸盐矿物的成分、粒度决定了混合物是否具有自修复的作用。粒度大的矿物微粒加剧了摩擦副的磨损；粒度小的矿物微粒不能介入到摩擦副的润滑膜中，起不到自修复的作用。(2)某些天然矿物微粒在室温条件下容易吸水，在其结构中形成水合物，需要对矿物微粒进行脱水处理，但处理过程中需保证原来矿物微粒的性质不变。(3)天然矿物微粒是亲水疏油的物质，要复配一些功能性修饰剂修饰天然矿物微粒，使其变成亲油疏水的物质，增加矿物微粒的油溶性。(4)修饰后的矿物微粒加入到润滑油中需要考虑其在润滑油中的悬浮性和分散性。

已有的公开发明存在成分复杂，性能不稳定的缺陷；未考虑对润滑油性能的影响；只涉及了其减摩抗磨的效果，未给出明确的动态磨损自修复效果等问题。如中国专利CN1317041A，发明中未给出组合物的成分百分比范围；中国专利CN 1765803A，发明中含有金属纳米复合粉和天然矿物纳米微粉，未给出天然矿物的成分百分比范围，成分复杂；如中国专利CN 1464040A，发明中颗粒度过大，未考虑颗粒在润滑油中的分散和稳定性，也未给出催化剂的成分；中国专利CN 1858294A，发明中矿物粉含量过高，未给出颗粒度范围；如中国专利CN 1919954A，实例中铁路机车的缸套与活塞环侧隙，加减摩修复剂后比不加修复剂的尺寸变化小，但未发现修复现象。

发明内容：

本发明目的在于提供一种含层状硅酸盐矿物质的磨损自修复润滑剂组合物，并通过调整该组合物的配方及使用量使之适用于不同工况条件下的各种金属摩擦副(钢-钢，钢-铜，钢-铝等)，还提供了该添加剂的制备方法及使用方法。

本发明的技术方案为：一种含层状硅酸盐矿物质的磨损自修复润滑剂组合物，包括的组分和各组分的重量份如下：

层状硅酸盐矿物粉 10-20，优选12-18，最优15-16

表面修饰剂 0.1-5，优选0.5-4.5，最优1-3

金属催化物 0.1-5，优选0.5-4.5，最优1-3

性能调节剂组合物 1-10，优选2-8，最优4-6

基础润滑剂 70-80

所述的层状硅酸盐矿物粉是硅酸盐矿物粉和脱水后的硅酸盐矿物粉中的一种或任意组合物。

所述的层状硅酸盐矿物粉是高岭石、多水高岭石、白云母、黑云母、蛭石、伊利石、坡缕石、海泡石、蛇纹石、滑石、叶腊石矿物粉中的一种或任意组合物。

所述的脱水后的层状硅酸盐矿物粉，脱水温度为100℃-1300℃。

所述的表面修饰剂是硅烷偶联剂、二甲基硅油、聚甲基硅油中的一种或任意组合物。

所述的金属催化物是元素周期表VIIIB族元素(铁Fe、钴Co、镍Ni、钌Ru、铑Rh、钯Pd、锇Os、铱Ir、铂Pt)和轻稀土元素(镧La、铈Ce、镨Pr、钕Nd、钐Sm、铕Eu，不含钷Pm)化合物中的一种或任意组合物。

所述的性能调节剂组合物是，(A)一定量的基础油作稀释剂，和一定量的(B)至少一种无灰分散剂，(C)至少一种金属清净剂，(D)至少一种抗氧抗腐蚀剂。

所述的性能调节剂组合物，含至少20wt.％的基础油(A)。

所述的基础油(A)为中粘度指数中间基润滑油或中粘度指数石蜡基基础油。

所述的性能调节剂组合物，含无灰分散剂(B)10-50wt.％，优选20％-40％。

所述的(B)为单丁二酰亚胺、双丁二酰亚胺、高分子丁二酰亚胺。

所述的性能调节剂组合物，含金属清净剂(C)0.1-50wt.％，优选0.5-45％。

所述的(C)为烷基水杨酸钙，碱值(TBN)至少140。

所述的性能调节剂组合物中含抗氧抗腐蚀剂(D)0.01-30wt.％，优选0.1％-25％。

所述的(D)为二烷基二硫代磷酸锌，是碱式锌盐和中性锌盐中的一种。

所述的基础润滑剂是基础油、润滑油、润滑脂中的一种或任意组合物。

本发明还提供了上述组合物的制备方法，包括如下步骤：

(1)将层状硅酸盐矿物粉进行脱水处理，脱水处理温度为100℃-1300℃。

(2)将层状硅酸盐矿物粉进行混合，混合后研磨，优选出颗粒度D₉₀≤3μm的矿物粉。

(3)将层状硅酸盐矿物粉加入到按表面修饰剂、金属催化物、性能调节剂、基础润滑剂不同比例配制的润滑剂中，进行研磨。

本发明所提供的上述组合物的使用方法将其按0.2-1wt.％加入到润滑剂中。

本发明提供的含层状硅酸盐矿物质的磨损自修复润滑剂组合物具有以下优点：

(1)层状硅酸盐矿物微粒的成分和粒度等性质稳定，脱水后和修饰后的微粒之间不会产生团聚。

(2)修饰后的层状硅酸盐矿物微粒具有很好的油溶性。

(3)含有性能调节剂使修饰后的层状硅酸盐矿物微粒在润滑剂中具有很好的悬浮性和分散性。

(4)含层状硅酸盐矿物质的磨损自修复润滑剂组合物不仅具有良好的减摩抗磨性能，并且具有磨损动态修复性能，即在金属摩擦副表面磨损过程中动态生成由Fe、C、O元素组成修复层。

附图说明：

图1盘的累计磨损量随时间变化曲线；

图2摩擦系数随时间变化曲线；

图3组合物作用后缸套内径尺寸磨损量；

图4齿轮表面显微硬度(HV)

图5往复式空气压缩机震动参数变化情况

具体实施方式：

本发明提供的含层状硅酸盐矿物质的磨损自修复润滑剂组合物不仅具有良好的减摩抗磨性能，并且具有磨损动态修复性能，即在金属摩擦副表面磨损过程中动态生成修复层，修复层是由Fe、C、O组成的新相结构。本发明提供的层状硅酸盐矿物质润滑剂组合物的自修复作用机理为：(1)最初阶段矿物微粒对摩擦表面的凹凸体进行磨削，清理表面的污垢和氧化膜，同时使润滑油系统中的Fe离子数量增加，矿物微粒中Si-O结构促使摩擦表面形成薄氧化层，提高表面活性；在此过程中矿物微粒被激活，更容易发生结构层间滑移和断裂，减少了对摩擦表面的磨损。被激活的矿物微粒不仅具有更高的表面活性，而且可提高结构内的离子活性，更容易形成空穴电子位。(2)润滑油中的Fe离子会主动占据空穴电子位，矿物微粒带有大量的活性Fe离子，在摩擦表面凹凸体处于高温高压的作用下，Fe离子与摩擦表面具有较高活性O离子结合，同时润滑油裂解出的C与表面活性Fe离子形成化合物。这样在原有的摩擦表面就形成了Fe、C、O元素的修复层，并与原摩擦表面没有任何分界。(3)当修复层达到一定厚度后，磨损得到抑制，导致摩擦表面活性降低，这时摩擦表面主要吸附C元素，在表面形成Fe、C化合物，或者单质C结构，在修复层表面C元素含量较高，此时摩擦表面就具有了较高表面硬度、较低摩擦系数和粗糙度。(4)当磨损进一步得到抑制，在摩擦表面产生的能量也减少，修复层就不再增长，在摩擦副表面形成的修复层隔离了金属之间的接触。在此过程中，矿物质润滑油添加剂实现了减摩抗磨和磨损动态自修复的作用。所形成的具有新相结构的修复层具有高硬度、高弹性模量、低摩擦系数和低粗糙度，明显降低了摩擦副运转时的震动、噪音、温度等能耗参数。

本发明提供的含层状硅酸盐矿物质的磨损自修复润滑剂组合物的应用效果如下：

(1)含层状硅酸盐矿物质的磨损自修复润滑剂组合物具有良好的减摩抗磨效果。

试验采用GWL1000型销盘试验机，上试样为固定的45#钢销，与下试样呈线接触；下试样为随轴转动的圆盘，材料为45#钢，表面粗糙度Ra为0.8μm。试验中采用L-AN46#机械油作为基础油，RT01组合物的添加浓度为0.8wt.％。转数为600rpm；采用阶梯加载，试验开始时为12kg；20小时时加到15kg；30小时时载荷保持20kg直到试验结束，共进行60小时试验。

加入RT01组合物后，与机械油相比减摩和抗磨性能都有显著提高，如附图1、2所示。RT01组合物条件下总磨损量不到10mg，而基础油条件磨损量达到130mg，RT01组合物具有良好的抗磨作用。从减摩性能看，机械油的摩擦系数维持在较高的水平，且波动很大，而RT01组合物波动最小，始终保持较低的摩擦系数。

(2)含层状硅酸盐矿物质的磨损自修复润滑剂组合物具有磨损动态修复性能。

在柴油发动机润滑油中加入0.2wt.％的RT02组合物后运行了5万公里进行解体。缸套材质为镀铬铸铁，镀铬层厚约400μm。

RT02组合物作用后各缸缸套之间内径尺寸差别明显减小且平均尺寸有增加的趋势，如图3所示，充分体现了RT02组合物的原位调整和自修复功能，其中发动机缸套上部的效果最为明显。

(3)在金属摩擦副表面磨损过程中动态生成的修复层是由Fe、C、O组成的新相结构，具有高硬度、高弹性模量和低粗糙度的性能。

对RT02组合物作用后的柴油发动机缸套进行俄歇分析(AES)，表明在摩擦表面形成了新的相结构，成分为C、O、Cr，最外层为500nm厚度的富C层，在修复层靠近基体部分的C含量下降，Cr含量上升，O含量维持在25％左右。

在齿轮箱中加入0.5wt.％的RT03组合物后运行4000小时。齿轮表面粗糙度已接近镜面水平，Ra值达到50-80nm。显微硬度提高了150HV左右，修复层的平均纳米硬度高达17Gpa，已经远远超过了齿轮基体的硬度，如图4所示。

(4)降低工业设备运转时的震动、噪音、温度等能耗参数的功能

在L40往复活塞式空气压缩机中加入1wt.％的RT04组合物，加入RT04组合物后运行2000小时。其中三个测试位置震动减少了30％多，有一个位置的震动先降低后略有升高，如图5所示。对设备的12个测试点的温度测试，平均降低了3℃。其消耗的电压和电流降低了5-8％，其排风口压力升高了10％左右。RT04组合物具有显著的节能降耗的作用，降低了设备运行时的噪音、振动等参数。

实施例1-5说明含层状硅酸盐矿物质的磨损自修复润滑剂组合物的组成成分及制备方法。

实例1：

制备组合物RT01，其包括的组分和各组分的重量份如下：

高岭石 3

脱水后的高岭石(脱水温度1300℃) 3

蛇纹石 3

白云母 3

伊利石 3

硅烷偶联剂 0.5

二甲基硅油 0.5

Fe₂O₃ 0.5

CeCl₃ 0.5

性能调节剂组合物 4

包括(A)500SN(20wt.％)、(B)T161(10wt.％)、(C)T114(50wt.％)、(D)T205(20wt.％)。

液体石蜡 60

3号锂基润滑脂 19

将硅酸盐矿物的混合粉进行研磨0.5小时，优选出颗粒度D₉₀≤3μm的矿物粉，之后加入到按表面修饰剂、金属化合物、性能调节剂不同比例配制的润滑剂中，进行1-2小时研磨。将上述添加剂按0.2wt.％加入到2005年安装的双头双螺杆式空气压缩机中，测得设备的震动情况。震动加速度、震动速度平均减少了15％，明显改善了设备的润滑条件，耗电量节省了5％，排风口压力增加了10％左右。

实例2：

制备组合物RT02，其包括的组分和各组分的重量份如下：

滑石 4

脱水后的蛭石(脱水温度100℃) 4

多水高岭石 4

坡缕石 4

聚甲基硅油 3

La₂O₃ 1

RuO₂ 1

NiO 1

性能调节剂组合物 6

包括(A)150SN(50wt.％)、(B)T152(10wt.％)、(C)T109(10wt.％)、(D)T202(30wt.％)。

120BS 60

1号铝基润滑脂 12

将硅酸盐矿物的混合粉进行研磨24小时，优选出颗粒度D₉₀≤3μm的矿物粉，之后加入到按表面修饰剂、金属化合物、性能调节剂不同比例配制的润滑剂中，进行1-2小时研磨。将上述添加剂按1wt.％加入到2005年安装的单头双螺杆式空气压缩机中，测得设备的震动情况。震动加速度、震动速度平均减少了10％，明显改善了设备的润滑条件，耗电量节省了5％，排风口压力增加了10％左右。

实例3：

制备组合物RT03，其包括的组分和各组分的重量份如下：

蛇纹石 17

叶蜡石 1

脱水后的黑云母(脱水温度1300℃) 1

海泡石 1

硅烷偶联剂 0.05

二甲基硅油 0.05

Fe₂O₃ 0.05

CeCl₃ 0.05

性能调节剂组合物 9.8

包括(A)500SN(20wt.％)、(B)T151(10wt.％)、(C)T113(50wt.％)、(D)T203(20wt.％)。

500SN 60

2号钙基润滑脂 10

将硅酸盐矿物的混合粉进行研磨48小时，优选出颗粒度D₉₀≤3μm的矿物粉，之后加入到按表面修饰剂、金属化合物、性能调节剂不同比例配制的润滑剂中，进行1-2小时研磨。将上述添加剂按0.6wt.％加入到2005年安装的双头双螺杆式空气压缩机中，测得设备的震动情况。震动加速度、震动速度平均减少了15％，明显改善了设备的润滑条件，耗电量节省了5％，排风口压力增加了10％左右。

实例4：

制备组合物RT04，其包括的组分和各组分的重量份如下：

滑石 7

脱水后的蛭石(脱水温度100℃) 1

多水高岭石 1

坡缕石 1

聚甲基硅油 5

La₂O₃ 5

性能调节剂组合物 10

包括(A)150SN(50wt.％)、(B)T154(10wt.％)、(C)T112(10wt.％)、(D)T204(30wt.％)。

150SN 60

1号铝基润滑脂 10

实例5：

制备组合物RT05，其包括的组分和各组分的重量份如下：

海泡石 4

脱水后的蛇纹石(脱水温度100℃) 4

高岭石 4

坡缕石 4

硅烷偶联剂 1

La₂O₃ 1

性能调节剂组合物 2

包括(A)150SN(50wt.％)、(B)T154(10wt.％)、(C)T109(10wt.％)、(D)T202(30wt.％)。

150BS 60

3号锂基润滑脂 20

将硅酸盐矿物的混合粉进行研磨24小时，优选出颗粒度D₉₀≤3μm的矿物粉，之后加入到按表面修饰剂、金属化合物、性能调节剂不同比例配制的润滑剂中，进行1-2小时研磨。将上述添加剂按0.4wt.％加入到2005年安装的单头双螺杆式空气压缩机中，测得设备的震动情况。震动加速度、震动速度平均减少了10％，明显改善了设备的润滑条件，耗电量节省了5％，排风口压力增加了10％左右。

Claims

1.一种含层状硅酸盐矿物质的磨损自修复润滑剂组合物，包括以下质量配比的组分：

层状硅酸盐矿物粉10-20份；

表面修饰剂0.1-5份；

金属催化物0.1-5份；

性能调节剂组合物1-10份；

基础润滑剂70-80份。

2.根据权利要求1所述的含层状硅酸盐矿物质的磨损自修复润滑剂组合物，其特征在于：所述的层状硅酸盐矿物粉是指硅酸盐矿物粉和脱水后的硅酸盐矿物粉中的一种或任意组合物。

3.根据权利要求1所述的含层状硅酸盐矿物质的磨损自修复润滑剂组合物，其特征在于：所述的层状硅酸盐矿物粉是指高岭石、多水高岭石、白云母、黑云母、蛭石、伊利石、坡缕石、海泡石、蛇纹石、滑石、叶腊石矿物粉中的一种或任意组合物。

4.根据权利要求1所述的含层状硅酸盐矿物质的磨损自修复润滑剂组合物，其特征在于：所述的表面修饰剂是指硅烷偶联剂、二甲基硅油、聚甲基硅油中的一种或任意组合物。

5.根据权利要求1所述的含层状硅酸盐矿物质的磨损自修复润滑剂组合物，其特征在于：所述的金属催化物是元素周期表VIIIB族元素和轻稀土元素化合物中的一种或任意组合物。

6.根据权利要求1所述的含层状硅酸盐矿物质的磨损自修复润滑剂组合物，其特征在于：所述的性能调节剂组合物包括以下质量配比的组分：至少一种基础油20wt.％；至少一种无灰分散剂10-50wt.％；至少一种金属清净剂0.1-50wt.％；至少一种抗氧抗腐蚀剂0.01-30wt.％。

7.根据权利要求1所述的含层状硅酸盐矿物质的磨损自修复润滑剂组合物，其特征在于：所述的基础润滑剂是基础油、润滑油、润滑脂中的一种或任意组合物。

8.根据权利要求1-13任意一项所述的含层状硅酸盐矿物质的磨损自修复润滑剂组合物的制备方法，包括以下步骤：

(2)将几种层状硅酸盐矿物粉按比例混合后进行研磨，优选出颗粒度D90≤3μm的矿物粉。

(3)将层状硅酸盐矿物粉加入到按表面修饰剂、金属化合物、性能调节剂、基础润滑剂不同比例配制的润滑剂中，进行研磨。

9.根据权利要求1-7任意一项所述的含层状硅酸盐矿物质的磨损自修复润滑剂组合物的使用方法为：将所述润滑剂组合物按0.2-1wt.％加入到设备现有的润滑剂系统中。