CN104593131A - 一种原位制备二硫化钨纳米片水基润滑剂的方法 - Google Patents

Abstract

一种原位制备二硫化钨纳米片水基润滑剂的方法，它有六大步骤：一、将表面活性剂按比例溶于去离子水得到溶液；二、将二硫化钨粉末均匀分散至溶液中；三、将二硫化钨分散液作超声空化处理；四、将溶液静置一定时间，并取其上层溶液；五、对得到溶液进行离心分离处理；六、收集离心后溶液的上层清液，即得到所述含原位制备二硫化钨纳米片的水基润滑剂。本发明简便易行，二硫化钨纳米片的分散稳定性好。摩擦实验结果表明，二硫化钨纳米片能够以极少的添加量(0.001％～1％)实现润滑剂抗磨减摩性能的极大提升，而不影响水基润滑剂固有的冷却性好、加工性好等优异特性。

Description

一种原位制备二硫化钨纳米片水基润滑剂的方法

技术领域：

本发明涉及一种原位制备二硫化钨纳米片水基润滑剂的方法，具体是一种在表面改性剂水溶液中原位制备二硫化钨纳米片并用作润滑剂的技术。属于二维纳米材料作为水基润滑添加剂的新应用技术领域。

背景技术：

在金属材料加工工业领域，为提高效率及加工精度、改善产品质量、减少磨损、降低摩擦，要选用适当的润滑剂，具体分为油基型与水基型两种。两者相比，水基润滑剂因其冷却性好、适合高速加工条件、加工表面光洁度好、环境兼容性好等优点而被广泛应用。但同时由于其自身润滑性及抗磨性较差，所以只能适用于轻加工负荷的场合。目前，水基润滑剂润滑及抗磨性能的提高主要依赖于增加其中乳化油的含量，形成乳化液，从而提高润滑薄膜的强度，而这必然会导致水基润滑剂各项优势性能的降低。因此，有必要开发出新型的水基润滑添加剂，使能够在保证水基润滑剂独特性能的同时，提高其润滑及抗磨性能，拓宽其应用范围。

近些年，随着石墨烯研究热潮的掀起，其他类石墨烯结构的二维纳米材料也引起了科技工作者的广泛关注。二硫化钨即为其中的一员，是典型无机层状化合物代表材料之一。二硫化钨拥有优异的润滑性能，作为润滑剂摩擦系数较低，抗压强度较大，并且适用于高温、高压、高真空、高负荷、高辐射、强腐蚀、超低温等各种苛刻条件下的润滑场合。相应地，二硫化钨作为固体润滑添加剂增强油脂类润滑剂性能的应用已经比较成熟。但在作为水基润滑添加剂方面，由于二硫化钨难以在水中进行稳定地分散，从而限制了其应用范围。目前，一种简易高效制备二维纳米材料的方法——液相直接剥离法的研究成果为拓展与开发二硫化钨在水基润滑剂方面的应用提供了新的思路与技术支持。方法的机理如下：首先在液相中将层状材料颗粒破碎剥离成类石墨烯结构的二维纳米片层，之后溶液中的表面改性剂再对其形成包覆，从而有效防止其团聚和沉降，提高了其在溶液中的分散稳定性。剥离后产生的二硫化钨纳米片在厚度取向上可以达到原子级别，使其容易在摩擦过程中进入摩擦副间，而独特的层状结构又使其易于沉积在摩擦副表面，因此阻止摩擦件表面的直接接触，使摩擦转而发生在沉积于表面的二硫化钨纳米片之间，因而达到降低摩擦、减小磨损的效果。

发明内容：

1、目的：本发明的目的在于提供一种原位制备二硫化钨纳米片水基润滑剂的方法，所述润滑剂以原位制备的二硫化钨纳米片作为润滑添加剂，分散稳定性好，具有很好的抗磨减摩性能，而且制备方法简单，操作方便。

2、技术方案：上述发明目的是通过如下的技术方案予以实现的：

一种原位制备二硫化钨纳米片水基润滑剂的方法，所述润滑剂由二硫化钨纳米片、表面改性剂和纯水组成，其中，二硫化钨纳米片占润滑剂总质量的0.001％～1％。

本发明所述一种原位制备二硫化钨纳米片水基润滑剂的方法，具体步骤如下：

步骤一：将表面改性剂以预定比例添加至去离子水中，并强力搅拌2-24小时，使表面改性剂充分溶于水中，得到用于制备水基润滑剂的溶液；

步骤二：将二硫化钨粉末以预定比例添加至步骤一制备的溶液中，搅拌至其分散均匀，得到二硫化钨分散液；

步骤三：将步骤二中得到的二硫化钨分散液在超声空化发生装置中处理2-48小时；

步骤四：将步骤三中超声空化处理后的溶液静置12-48小时，之后取上层溶液；

步骤五：将步骤四中取得的上层溶液分装入离心管中，进行离心分离处理，离心转速为500转/分至5000转/分(离心加速度35g至3555g)；离心处理时间为30分钟至180分；

步骤六：对步骤五中离心处理后的溶液，取其上层清液，即得到含原位制备二硫化钨纳米片的水基润滑剂。

其中，步骤一中所述的表面改性剂是指以下所列改性剂中的一种：Triton X-100(聚氧乙烯辛基苯基醚)、十二烷基硫酸钠、十二烷基苯磺酸钠、十二烷基硫酸锂、胆酸钠、牛磺脱氧胆酸钠、十六烷基三甲基溴化铵、聚氧代乙烯(40)壬基苯基醚、Tween 80(失水山梨醇单油酸酯聚氧乙烯醚)等，溶液中表面改性剂的最佳质量比例为0.01％-1％。

其中，步骤一中所用去离子水也可以是普通纯净水、蒸馏水等。

其中，步骤二中所述的二硫化钨粉末的粒度小于325目。

其中，步骤二中所述添加二硫化钨粉末与溶液的质量比为0.1％-10％。

其中，步骤三中所述的超声空化处理是把二硫化钨分散液装入锥形瓶(但不限于锥形瓶)，然后将其浸浴在超声空化发生装置的容器(容器中预先盛有水)中进行超声空化处理，期间通过循环冷却的方式保持容器中的水温低于40℃。

3、有益效果

(1)利用表面改性剂水溶液原位制备含二硫化钨纳米片水基润滑剂的工艺及方法非常简单，易于实验室及工业化生产实现。

(2)该方法制备的水基润滑剂中，二硫化钨纳米片的分散稳定性很好。这是由于在超声空化过程中表面改性剂分子对空化剥离后形成的二硫化钨纳米片进行有效地包覆，从而防止了其团聚及沉降。

(3)含二硫化钨纳米片的水基润滑剂有极佳的抗磨减摩性能，与无添加二硫化钨纳米片的润滑剂相比，摩擦系数急剧降低，磨损量大幅减小。这是由于在摩擦过程中，二硫化钨纳米片的片层结构及厚度方向的纳米级尺寸使其容易进入到摩擦副间并沉积于摩擦件表面形成保护膜，进而避免了摩擦件之间的直接接触，使摩擦主要发生在二硫化钨纳米片层之间，从而提高了摩擦副的承载能力，同时也使摩擦系数明显降低且更加稳定。

(4)该方法制备的水基润滑剂中二硫化钨纳米片的含量很低(0.001％～1％)，因此在提高润滑剂抗磨减摩性能的同时，也保持了水基润滑剂的固有优点，如冷却性好、加工性能好等。

附图说明

图1a为本发明方法制备水基润滑剂中所含二硫化钨纳米片的原子力显微镜照片；

图1b为本发明方法制备水基润滑剂中所含二硫化钨纳米片的透射电镜照片；

图2为实施例1～3中所述含原位制备二硫化钨纳米片水基润滑剂及无添加二硫化钨纳米片润滑剂(只含水和表面改性剂)的摩擦系数曲线图；其中，0.000％-无添加二硫化钨纳米片的润滑剂，0.008％-实施例1，0.014％-实施例2，0.026％-实施例3；2N和15N指不同的实验负荷。

图3为实施例1～3中所述含原位制备二硫化钨纳米片水基润滑剂及无添加二硫化钨纳米片润滑剂(只含水和表面改性剂)的钢球磨斑直径柱状图；其中，0.000％-无添加二硫化钨纳米片的润滑剂，0.008％-实施例1，0.014％-实施例2，0.026％-实施例3；2N和15N指不同的实验负荷。

图4a为实验负载2N，润滑剂中二硫化钨纳米片含量为0.000％时，摩擦实验后钢球磨斑光学显微镜图片；

图4b为实验负载2N，润滑剂中二硫化钨纳米片含量为0.000％时，摩擦实验后钢盘划痕光学显微镜图片；

图4c为实验负载2N，润滑剂中二硫化钨纳米片含量为0.000％时，摩擦实验后钢盘划痕的扫描电镜图片；

图4d为实验负载2N，润滑剂中二硫化钨纳米片含量为0.000％时，摩擦实验后钢盘划痕的3D轮廓图；

图4e为实验负载2N，润滑剂中二硫化钨纳米片含量为0.000％时，摩擦实验后钢盘划痕的截面轮廓图。

图5a为实验负载2N润滑剂中二硫化钨纳米片含量为0.008％(实施例1)时，摩擦实验后钢球磨斑光学显微镜图片；

图5b为实验负载2N润滑剂中二硫化钨纳米片含量为0.008％(实施例1)时，摩擦实验后钢盘划痕光学显微镜图片；

图5c为实验负载2N润滑剂中二硫化钨纳米片含量为0.008％(实施例1)时，摩擦实验后钢盘划痕的扫描电镜图片；

图5d为实验负载2N润滑剂中二硫化钨纳米片含量为0.008％(实施例1)时，摩擦实验后钢盘划痕的3D轮廓图；

图5e为实验负载2N润滑剂中二硫化钨纳米片含量为0.008％(实施例1)时，摩擦实验后钢盘划痕的截面轮廓图。

图6为本发明流程框图。

具体实施方式：

下面结合附图和具体实施例来详述本发明，但不限于此。

见图6，本发明,一种原位制备二硫化钨纳米片水基润滑剂的方法，具体步骤如下：

实施例1

步骤一：称取0.3g表面改性剂Triton X-100，加入300mL去离子水中，强力搅拌12小时，使表面改性剂充分溶于水中，得到用于制备水基润滑剂的溶液(Triton X-100质量比为0.1％)；

步骤二：称取1.5g二硫化钨粉末(粒度小于325目)添加到配制的溶液中，搅拌至其分散均匀，得到二硫化钨分散液(二硫化钨质量比0.5％)，并将其装入带有盖子的锥形瓶中；

步骤三：将装有二硫化钨分散液的锥形瓶浸浴在超声空化发生装置的容器(预先盛有水)中，进行超声空化处理8小时，期间通过循环冷却的方式保持容器中的水温低于40℃；超声空化发生装置功率为120W，频率40KHz；

步骤四：经过超声处理后，将盛有二硫化钨分散液的锥形瓶静置12小时，之后取出上层溶液；

步骤五：将取出的上层溶液分装入离心管中，放入离心机进行离心分离处理；离心转速为1500rpm(317g)，离心时间为1小时；

步骤六：经过离心处理后，收集溶液的上层清液，即得到含原位制备二硫化钨纳米片的水基润滑剂；通过测定其吸光度(与二硫化钨纳米片的浓度成正比)，确定二硫化钨纳米片的含量为82.3μg/mL(～0.008％)。

实施例2

步骤一：称取0.3g表面改性剂Triton X-100，加入300mL去离子水中，强力搅拌12小时，使表面改性剂充分溶于水中，得到用于制备水基润滑剂的溶液(Triton X-100质量比为0.1％)；

步骤二：称取3g二硫化钨粉末(粒度小于325目)添加到配制的溶液中，搅拌至其分散均匀，得到二硫化钨分散液(二硫化钨质量比1％)，并将其装入带有盖子的锥形瓶中；

步骤三：将装有二硫化钨分散液的锥形瓶浸浴在超声空化发生装置的容器(预先盛有水)中，进行超声空化处理8小时，期间通过循环冷却的方式保持容器中的水温低于40℃；超声空化发生装置功率为120W，频率40KHz；

步骤四：经过超声处理后，将盛有二硫化钨分散液的锥形瓶静置12小时，之后取出上层溶液；

步骤五：将取出的上层溶液分装入离心管中，放入离心机进行离心分离处理；离心转速为1500rpm(317g)，离心时间为1小时；

步骤六：经过离心处理后，收集溶液的上层清液，即得到含原位制备二硫化钨纳米片的水基润滑剂；通过测定其吸光度(与二硫化钨纳米片的浓度成正比)，确定二硫化钨纳米片的含量为141.7μg/mL(～0.014％)。

实施例3

步骤一：称取0.3g表面改性剂Triton X-100，加入300mL去离子水中，强力搅拌12小时，使表面改性剂充分溶于水中，得到用于制备水基润滑剂的溶液(Triton X-100质量比为0.1％)；

步骤二：称取6g二硫化钨粉末(粒度小于325目)添加到配制的溶液中，搅拌至其分散均匀，得到二硫化钨分散液(二硫化钨质量比2％)，并将其装入带有盖子的锥形瓶中；

步骤三：将装有二硫化钨分散液的锥形瓶浸浴在超声空化发生装置的容器(预先盛有水)中，进行超声空化处理8小时，期间通过循环冷却的方式保持容器中的水温低于40℃；超声空化发生装置功率为120W，频率40KHz；

步骤四：经过超声处理后，将盛有二硫化钨分散液的锥形瓶静置12小时，之后取出上层溶液；

步骤五：将取出的上层溶液分装入离心管中，放入离心机进行离心分离处理；离心转速为1500rpm(317g)，离心时间为1小时；

步骤六：经过离心处理后，收集溶液的上层清液，即得到含原位制备二硫化钨纳米片的水基润滑剂；通过测定其吸光度(与二硫化钨纳米片的浓度成正比)，确定二硫化钨纳米片的含量为255.6μg/mL(～0.026％)。

实施例1～3中所制备润滑剂的摩擦特性采用UMT-3型摩擦实验机进行检测，摩擦形式为钢球-钢盘(球、盘的材质均为GCr15，钢球直径为9.53mm)旋转式摩擦，实验结果如图2～5所示。摩擦实验条件为：旋转半径5mm、转速120r/m、实验负荷2N/15N、摩擦循环次数为2000次。

图1a-b为本发明方法制备水基润滑剂中所含二硫化钨纳米片的原子力显微镜照片和透射电镜照片。

图2显示了各实施例中二硫化钨纳米片含量不同的水基润滑剂在不同实验载荷下的摩擦系数曲线图。与无添加二硫化钨的润滑剂(0.000％)相比，含二硫化钨纳米片的润滑剂使摩擦系数均大幅降低。在低载(2N)时，平均摩擦系数最高降低69％(0.449→0.139，实施例3)；在高载(15N)时，平均摩擦系数降低量为78.1％(0.366→0.080，实施例3)。这说明在高低负载情况下，二硫化钨纳米片的添加都可有效提高润滑剂的润滑性能。

图3显示了各实施例中二硫化钨纳米片含量不同的水基润滑剂在不同实验载荷下钢球磨斑直径柱状图。与无添加二硫化钨的润滑剂(0.000％)相比，含二硫化钨纳米片的润滑剂使磨损量明显降低。在低载(2N)时，钢球磨斑直径最高降低62.4％(503.3→189.2μm，实施例3)；在高载(15N)时，钢球磨斑直径降低量为67.2％(682.1→223.7μm，实施例3)。这说明在高低负载情况下，二硫化钨纳米片的添加均可有效提高润滑剂的抗磨损性能。

图4a-e和图5a-e分别为实验载荷2N时，在无添加二硫化钨(0.000％)及二硫化钨纳米片含量为0.008％(实施例1)润滑剂条件下，摩擦实验后摩擦副表面的微观表征。对比光学显微镜图片(a、b)，可以直观看出，含二硫化钨纳米片润滑剂润滑条件下，球-盘摩擦副的磨损量大幅降低；从电镜图片(c)和表面3D(d)及1D(e)轮廓图可以看出，含二硫化钨纳米片润滑剂润滑条件下，摩擦副表面更加平整，犁沟明显变浅。由此得出结论，二硫化钨纳米片的添加可以有效改善摩擦副磨损及其表面粗糙度情况。

显然，本发明的上述实施案例仅仅是为了清楚说明本发明所作的举例，而并非对本发明的实施方式的限定。对于所述领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其他不同形式的变化或变动。这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

Claims (6)

1.一种原位制备二硫化钨纳米片水基润滑剂的方法，其特征在于：所述润滑剂由二硫化钨纳米片、表面改性剂和纯水组成，二硫化钨纳米片占润滑剂总质量的0.001％～1％，该方法具体步骤如下：

步骤一：将表面改性剂以预定比例添加至去离子水中，并强力搅拌2-24小时，使表面改性剂充分溶于水中，得到用于制备水基润滑剂的溶液；

步骤二：将二硫化钨粉末以预定比例添加至步骤一制备的溶液中，搅拌至其分散均匀，得到二硫化钨分散液；

步骤三：将步骤二中得到的二硫化钨分散液在超声空化发生装置中处理2-48小时；

步骤四：将步骤三中超声空化处理后的溶液静置12-48小时，之后取上层溶液；

步骤五：将步骤四中取得的上层溶液分装入离心管中，进行离心分离处理，离心转速为500转/分至5000转/分，离心加速度35g至3555g；离心处理时间为30分钟至180分；

步骤六：对步骤五中离心处理后的溶液，取其上层清液，即得到含原位制备二硫化钨纳米片的水基润滑剂。

2.根据权利要求1所述的一种原位制备二硫化钨纳米片水基润滑剂的方法，其特征在于：步骤一中所述的表面改性剂是指以下所列改性剂中的一种：聚氧乙烯辛基苯基醚TritonX-100、十二烷基硫酸钠、十二烷基苯磺酸钠、十二烷基硫酸锂、胆酸钠、牛磺脱氧胆酸钠、十六烷基三甲基溴化铵、聚氧代乙烯(40)壬基苯基醚、失水山梨醇单油酸酯聚氧乙烯醚Tween80，溶液中表面改性剂的最佳质量比例为0.01％-1％。

3.根据权利要求1所述的一种原位制备二硫化钨纳米片水基润滑剂的方法，其特征在于：步骤一中所用去离子水也能是普通纯净水、蒸馏水。

4.根据权利要求1所述的一种原位制备二硫化钨纳米片水基润滑剂的方法，其特征在于：步骤二中所述的二硫化钨粉末的粒度小于325目。

5.根据权利要求1所述的一种原位制备二硫化钨纳米片水基润滑剂的方法，其特征在于：步骤二中所述添加二硫化钨粉末与溶液的质量比为0.1％-10％。

6.根据权利要求1所述的一种原位制备二硫化钨纳米片水基润滑剂的方法，其特征在于：步骤三中所述的超声空化处理是把二硫化钨分散液装入锥形瓶，然后将其浸浴在超声空化发生装置预先盛有水的容器中进行超声空化处理，期间通过循环冷却的方式保持容器中的水温低于40℃。