CN102925253B - 油溶性纳米锡制备技术 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种油溶性纳米锡制备技术，其特征在于采用以下步骤：(1)将纳米锡粉加入润湿分散介质中，采用机械搅拌与超声分散交替使用的分散方法进行分散后，静置，待纳米锡粉完全沉降后，将润湿分散介质倒出，得到表面润湿的纳米锡粉；(2)将分散剂加入到润滑油中，机械搅拌10～30分钟，并超声震荡1～5分钟，使分散剂完全溶解后，将表面润湿的纳米锡粉加入润滑油中，采用机械搅拌与超声分散交替使用的分散方法进行分散，即得到油溶性纳米锡。本发明对纳米锡粉进行油溶性改性，实现其在润滑油中稳定分散悬浮；工艺简单，得到的油溶性纳米锡在室温下静置，锡粉沉降缓慢，达到与润滑油相同的透光率需一年以上，添加后的润滑油储存稳定性无明显变化。
Description
技术领域
本发明属润滑材料制备技术领域，具体涉及一种油溶性纳米锡制备技术，此处油溶性的科学含义是在油中分散悬浮很稳定。
背景技术
摩擦和磨损是造成材料破坏和失效的三大原因之一，如何减少因此而造成的浪费已经成为全世界共同面临的难题。人们常使用润滑油来减少运动部件表面间的摩擦。近年来，人们发现将具有层状结构的矿石粉、石墨及一些软金属纳米粒子添加到润滑油中，可以明显改善摩擦表面的减摩、抗磨性能。一旦摩擦副表面由于磨损出现裂纹、犁沟、麻点等缺陷，这些添加剂与摩擦副表面通过复杂反应，使摩擦副表面的微损伤、微裂纹实现原位动态自修复。从而达到延长机械装备使用寿命、节约材料和降低成本的目的。
研究表明，铜、镍、锡等软金属纳米粒子的熔点和剪切强度相对较低，将软金属纳米粒子添加至润滑油中，在低摩擦能量下就可以沉积在摩擦副表面，形成一层保护膜。从而对摩擦副表面起到自修复作用。并且软金属的纯度越高，其剪切强度越低，越容易在金属内部发生滑移，从而具有更优的抗磨、减摩和自修复性能。这种自修复作用速度很快，可明显提高摩擦副的抗磨、减摩性能，节省燃油，延长机械零件的使用寿命。因此，将软金属纳米粒子用作润滑油抗磨、减摩添加剂，成为目前国内外的研究热点之一。
金属锡具有低熔点（231.9℃）和比铜和镍更低的剪切强度，成为应用最为广泛的一种软金属。锡基轴承合金就是美国人巴比特充分利用了金属锡的低剪切强度特性而发明的，这种轴承具有低的摩擦系数和良好的韧性、导热性和耐蚀性，成为广为人知的轴承材料。并且，金属锡具有良好的化学稳定性，与弱有机酸作用缓慢，耐蚀性好，广泛用于防腐蚀或食品包装工业中。因此与铜、镍等化学活性较高的软金属添加剂相比，金属锡对润滑油的储存稳定性影响低。此外，河南大学和中科院兰州化学物理研究所的赵彦保等人发现，在摩擦能量较高时，锡纳米颗粒可能在摩擦接触表面熔化成“液滴”,这种“液滴”除具有与固体微粒一样能在摩擦表面起“滚动”和“支撑”作用外，还具有良好的弹性，呈现出与高粘度流体相似的润滑行为，其主要表现在一旦润滑膜出现破裂部位，它能通过外加载荷的作用进行自行修补，从而恢复润滑性能。这种“液滴”在摩擦表面滚动时对摩擦副表面所造成的磨损远远小于固体粒子所引起的磨损。因此，纳米锡成为软金属中应用前景最为广阔的润滑油添加剂之一。
虽然锡纳米粒子表现出特殊的摩擦学性能，若想成为优质的润滑油添加剂，还需要实现锡纳米粒子在润滑油中的稳定分散，即能在较长的时间内在润滑油中保持悬浮。这样不但会减少对润滑油流动性能的影响，还能使锡纳米粒子在润滑油膜中均匀分散，从而充分发挥其减摩、抗磨和自修复作用。但纳米金属粉颗粒的尺寸小、表面活性高，极易团聚，并且与润滑油的比重相差大，与油性介质相容性差，使得其在油相中的稳定分散成为难题。
为了解决这一难题，研究人员采用对锡纳米颗粒进行表面修饰的方法。即将表面活性剂、偶联剂或有机化合物通过化学键合或吸附的形式在锡纳米颗粒表面形成疏水包覆层，不但能有效的阻止锡纳米颗粒的氧化、团聚及对水的吸附，还可赋予颗粒在非水介质中良好的分散性。根据锡纳米颗粒的制备方法不同，进行表面修饰的方法和效果也不同。北京理工大学的赵修臣等人采用化学还原法制备了平均粒径约为20nm、表面由油酸修饰的纳米锡粒子，在15W-40润滑油中分散良好，纳米锡粒子通过隔离摩擦表面而使润滑油具有良好的减摩抗磨性能。这种化学还原法原位制备油溶性锡纳米粒子的方法简便易行，是实验室经常使用的方法，但此法所得锡纳米粒子的产率和纯度均较低，难以满足大规模工业化生产的需要。
直流电弧气相蒸发冷凝技术可以制备出尺寸细小均匀、高纯度、表面洁净的纳米锡粉，并且产率高，能为纳米锡润滑油添加剂的工业化生产提供充足、洁净的原料。但此法所得纳米锡粒子较易团聚，需要采用有效的分散剂和工艺对纳米锡粉进行解团聚和表面亲油改性，并采用有效的分散工艺使其能在润滑油中稳定分散。南京工业大学张振忠等人采用直流电弧气相蒸发冷凝技术制备了平均粒径约为90nm的纳米锡粉，并用12-羟基硬脂酸为分散剂将纳米锡粉加入到锂基润滑脂中，发现具有良好的减摩抗磨效果，纳米锡粉在摩擦副表面具有自修复作用。在本人目前所查阅到的中外相关文献中，多是将纳米锡粉添加到润滑油或润滑脂中后，直接进行摩擦学性能研究，尚未见到有关添加的纳米锡粉在润滑油中的分散性或悬浮稳定性方面的研究报道。
润滑油的粘度远低于润滑脂，要想使纳米锡粉在润滑油中稳定悬浮，除了需要采用有效的分散剂对纳米锡粉进行表面亲油改性，还需结合适当的物理分散方法，使得发生团聚的二次锡纳米颗粒解团聚，并实现分散剂分子在颗粒表面的有效包覆。通过本人实验发现，由于纳米锡粉的熔点和剪切强度很低，采用纳米粉体常用的分散方式——将纳米粉体与分散剂一起研磨的方法处理后，只有少部分锡纳米颗粒悬浮在润滑油中，而绝大部分颗粒则聚集成尺寸更大的锡颗粒而沉淀析出，造成严重浪费。因此，目前亟需研发有效的分散剂和分散工艺来进行此种纳米锡粉的油溶性改性，以实现其在润滑油中稳定分散悬浮。
发明内容
本发明的目的是提供一种能够对纳米锡粉进行表面油溶性改性、并实现其在润滑油中稳定分散悬浮的油溶性纳米锡制备技术。其技术内容为：
一种油溶性纳米锡制备技术，其特征在于采用以下步骤：(1)将纳米锡粉加入润湿分散介质中，采用机械搅拌与超声分散交替使用的分散方法进行分散后，静置，待纳米锡粉完全沉降后，将润湿分散介质倒出，得到表面润湿的纳米锡粉；(2)将分散剂加入到润滑油中，机械搅拌10～30分钟，并超声震荡1～5分钟，使分散剂完全溶解后，将表面润湿的纳米锡粉加入润滑油中，采用机械搅拌与超声分散交替使用的分散方法进行分散，即得到油溶性纳米锡。
所述的油溶性纳米锡制备技术，步骤（1）中纳米锡粉粒径≤100nm；润湿分散介质为乙醇、正丙醇、异丙醇、正丁醇中一种或几种的任意组合，纳米锡粉与润湿分散介质的质量比为1:10～50。
所述的油溶性纳米锡制备技术，步骤（2）中分散剂各组分的含量以纳米锡粉的质量百分数计量：12-羟基硬脂酸0.1%～0.5%，油酸0.5%～2.0%，硫醇0.1%～1.0%，超级分散剂0.1～1.0%；润滑油的用量不小于步骤（1）中纳米锡粉质量的100倍。
所述的油溶性纳米锡制备技术，其特征在于：步骤（2）中硫醇采用辛硫醇、十二硫醇、十八硫醇中的一种或几种的任意组合。
所述的油溶性纳米锡制备技术，机械搅拌与超声振荡交替使用的分散方法为：先采用800～2000转/分的转速机械搅拌5～10分钟，再采用功率为150～600W的超声波清洗机超声振荡30秒～2分钟，完成1次分散操作，重复此分散操作3～5次。
本发明与现有技术相比，具有如下优点：
1、采用本发明对纳米锡粉进行油溶性改性，从而实现其在润滑油中稳定分散悬浮，工艺简单，工业应用前景好。
2、本发明所制备的油溶性纳米锡在润滑油中可稳定分散悬浮，在室温下静置，锡粉沉降缓慢，达到与润滑油相同的透光率所需时间为一年以上，添加油溶性纳米锡后的润滑油储存稳定性无明显变化。
具体实施方式
以下实施例中所用的纳米锡粉为申请人采用直流电弧气相蒸发冷凝技术自制，粒径范围为40～100nm；所用的润滑油为15W-40润滑油；所用的超级分散剂为维波斯新材料（潍坊）有限公司生产的WinSperse 3000超级分散剂。
实施例1：
步骤1）：将纳米锡粉加入乙醇中，两者的质量比为1:10，先采用800转/分的转速机械搅拌10分钟，再采用功率为150W的超声波清洗机超声振荡2分钟，完成1次分散操作，重复此分散操作3次后静置，待纳米锡粉完全沉降后，将乙醇倒出，得到表面润湿的纳米锡粉。
步骤2）：将分散剂加入到润滑油中，分散剂各组分的含量以纳米锡粉的质量百分数计量：12-羟基硬脂酸0.1%，油酸1.0%，十八硫醇1.0%，超级分散剂0.1%。机械搅拌10分钟，并用超声波清洗机超声震荡1分钟，使分散剂完全溶解后，将表面润湿的纳米锡粉加入润滑油中，润滑油的用量为步骤（1）中纳米锡粉质量的100倍。先采用1000转/分的转速机械搅拌5分钟，再采用功率为250W的超声波清洗机超声振荡1分钟，完成1次分散操作，重复此分散操作4次，即得到油溶性纳米锡。
实施例2：
步骤1）：将纳米锡粉加入乙醇中，两者的质量比为1:20，先采用1000转/分的转速机械搅拌8分钟，再采用功率为250W的超声波清洗机超声振荡1分钟，完成1次分散操作，重复此分散操作3次后静置，待纳米锡粉完全沉降后，将乙醇倒出，得到表面润湿的纳米锡粉。
步骤2）：将分散剂加入到润滑油中，分散剂各组分的含量以纳米锡粉的质量百分数计量：12-羟基硬脂酸0.2%，油酸0.5%，十二硫醇0.5%，超级分散剂0.2%。机械搅拌15分钟，并用超声波清洗机超声震荡2分钟，使分散剂完全溶解后，将表面润湿的纳米锡粉加入润滑油中，润滑油的用量为步骤（1）中纳米锡粉质量的100倍。先采用1500转/分的转速机械搅拌8分钟，再采用功率为250W的超声波清洗机超声振荡1分钟，完成1次分散操作，重复此分散操作4次，即得到油溶性纳米锡。
实施例3：
步骤1）：将纳米锡粉加入正丙醇中，两者的质量比为1:30，先采用1000转/分的转速机械搅拌8分钟，再采用功率为250W的超声波清洗机超声振荡1分钟，完成1次分散操作，重复此分散操作5次后静置，待纳米锡粉完全沉降后，将正丙醇倒出，得到表面润湿的纳米锡粉。
步骤2）：将分散剂加入到润滑油中，分散剂各组分的含量以纳米锡粉的质量百分数计量：12-羟基硬脂酸0.5%，油酸0.5%，辛硫醇0.1%，超级分散剂1.0%。机械搅拌30分钟，并用超声波清洗机超声震荡5分钟，使分散剂完全溶解后，将表面润湿的纳米锡粉加入润滑油中，润滑油的用量为步骤（1）中纳米锡粉质量的100倍。先采用2000转/分的转速机械搅拌10分钟，再采用功率为600W的超声波清洗机超声振荡1分钟，完成1次分散操作，重复此分散操作5次，即得到油溶性纳米锡。
实施例4：
步骤1）：将纳米锡粉加入异丙醇中，两者的质量比为1:40，先采用1000转/分的转速机械搅拌8分钟，再采用功率为600W的超声波清洗机超声振荡30秒，完成1次分散操作，重复此分散操作3次后静置，待纳米锡粉完全沉降后，将异丙醇倒出，得到表面润湿的纳米锡粉。
步骤2）：将分散剂加入到润滑油中，分散剂各组分的含量以纳米锡粉的质量百分数计量：12-羟基硬脂酸0.4%，油酸2.0%，辛硫醇0.5%，超级分散剂0.1%。机械搅拌20分钟，并用超声波清洗机超声震荡5分钟，使分散剂完全溶解后，将表面润湿的纳米锡粉加入润滑油中，润滑油的用量为步骤（1）中纳米锡粉质量的200倍。先采用2000转/分的转速机械搅拌5分钟，再采用功率为600W的超声波清洗机超声振荡30秒，完成1次分散操作，重复此分散操作3次，即得到油溶性纳米锡。
实施例5：
步骤1）：将纳米锡粉加入正丁醇中，两者的质量比为1:50，先采用2000转/分的转速机械搅拌5分钟，再采用功率为600W的超声波清洗机超声振荡30秒，完成1次分散操作，重复此分散操作3次后静置，待纳米锡粉完全沉降后，将正丁醇倒出，得到表面润湿的纳米锡粉。
步骤2）：将分散剂加入到润滑油中，分散剂各组分的含量以纳米锡粉的质量百分数计量：12-羟基硬脂酸0.2%，油酸1.0%，十二硫醇0.8%，超级分散剂0.5%。机械搅拌20分钟，并用超声波清洗机超声震荡5分钟，使分散剂完全溶解后，将表面润湿的纳米锡粉加入润滑油中，润滑油的用量为步骤（1）中纳米锡粉质量的200倍。先采用2000转/分的转速机械搅拌5分钟，再采用功率为600W的超声波清洗机超声振荡30秒，完成1次分散操作，重复此分散操作4次，即得到油溶性纳米锡。
实施例6：
步骤1）：将纳米锡粉加入乙醇与正丁醇1:1混合溶液中，纳米锡粉与混合溶液的质量比为1:40，先采用1000转/分的转速机械搅拌8分钟，再采用功率为250W的超声波清洗机超声振荡1分钟，完成1次分散操作，重复此分散操作4次后静置，待纳米锡粉完全沉降后，将混合溶液倒出，得到表面润湿的纳米锡粉。
步骤2）：将分散剂加入到润滑油中，分散剂各组分的含量以纳米锡粉的质量百分数计量：12-羟基硬脂酸0.1%，油酸0.5%，十八硫醇1.0%，超级分散剂0.5%。机械搅拌20分钟，并用超声波清洗机超声震荡5分钟，使分散剂完全溶解后，将表面润湿的纳米锡粉加入润滑油中，润滑油的用量为步骤（1）中纳米锡粉质量的400倍。先采用2000转/分的转速机械搅拌5分钟，再采用功率为250W的超声波清洗机超声振荡1分钟，完成1次分散操作，重复此分散操作4次，即得到油溶性纳米锡。
Claims (2)
1.一种油溶性纳米锡制备方法，其特征在于采用以下步骤：(1)将纳米锡粉加入润湿分散介质中，采用机械搅拌与超声振荡交替使用的分散方法进行分散后，静置，待纳米锡粉完全沉降后，将润湿分散介质倒出，得到表面润湿的纳米锡粉；(2)将分散剂加入到润滑油中，机械搅拌10～30分钟，并超声震荡1～5分钟，使分散剂完全溶解后，将表面润湿的纳米锡粉加入润滑油中，采用机械搅拌与超声振荡交替使用的分散方法进行分散，即得到油溶性纳米锡；所述步骤（1）中机械搅拌与超声振荡交替使用的分散方法为：先采用800～2000转/分的转速机械搅拌5～10分钟，再采用功率为150～600W的超声波清洗机超声振荡30秒～2分钟，此时完成1次分散循环，重复此分散循环3～5次；所述步骤（2）中分散剂各组分的含量以纳米锡粉的质量百分数计量：12-羟基硬脂酸0.1%～0.5%，油酸0.5%～2.0%，硫醇0.1%～1.0%，超级分散剂0.1～1.0%，其中硫醇采用辛硫醇、十二硫醇、十八硫醇中的一种或几种的任意组合；润滑油的用量不小于步骤（1）中纳米锡粉质量的100倍。
2.如权利要求1所述的油溶性纳米锡制备方法，其特征在于：步骤（1）中纳米锡粉粒径≤100nm；润湿分散介质为乙醇、正丙醇、异丙醇、正丁醇中的一种或几种的任意组合，纳米锡粉与润湿分散介质的质量比为1:10～50。
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