CN105419907B - 自修复溶液、其制备及使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供自修复溶液、其制备及使用方法。一种自修复溶液，其质量百分比含量组成为：2％～30％的纳米凹凸棒石粉体，1％～30％的纳米铜合金，0.5～5％的纳米氧化镧，0.5％～5％的油酸，1％～10％的分散剂以及50％～95％的基础油，其中，所述分散剂是双稀基丁二酰亚胺、单丁二酰亚胺以及多丁二酰亚胺中的一种，所述基础油是合成酯类基础油或矿物基础油，并且所述纳米凹凸棒石粉体是以天然凹凸棒石为原料并经过工业提纯的，纯度为75％以上。本发明的自修复溶液具有高的抗磨减摩性能，能够大幅降低零件表面粗糙度、减少摩擦阻力，从而达到节能降耗以及延长设备使用寿命的目的。

Description

自修复溶液、其制备及使用方法

技术领域

本发明涉及自修复溶液，具体地，涉及一种应用于油润滑条件下的金属零部件以降低金属零部件的磨擦表面磨损的自修复溶液、其制备及使用方法。

背景技术

随着现代工业的发展，机械设备的设计运行条件越来越苛刻，使用性能要求越来越高。这些装备在使用过程中都存在大量的摩擦、磨损失效等技术难题，磨损失效已成为制约装备安全性、可靠性、使用寿命的技术瓶颈之一。

磨损一般起始于早期的轻度表面微损伤，而后发展成为严重的表面损伤。因此，避免早期磨损表面的轻微磨损或防止轻度微损伤转变为严重的表面损伤，是解决磨损的重要途径之一。

目前，减少摩擦磨损，除合理的摩擦学设计外，还可通过以下几种途径来实现。一种途径是通过合理的成分设计和成形工艺优化，制备新型减摩抗磨材料，例如，通过添加SiC或TiC等硬质颗粒制备铁、铝或树脂基复合材料，增强减摩抗磨性能。另一种途径是借助先进的表面技术，改善摩擦副的表面状态或性能。如采用渗碳、渗氮或离子注入等方法在摩擦副表面制备功能涂层，提高其减摩抗磨性能。还有一种途径是通过合理的改善润滑条件来降低摩擦磨损。除润滑介质自身的优化设计外，将微纳米颗粒作为添加剂添加至润滑剂中，通过复杂的理化作用，在摩擦界面形成具有减摩抗磨功能的边界润滑膜或保护层，从而实现减摩抗磨及自修复功能。

微纳米自修复技术是指在不停机、不解体状况下，以润滑介质为载体将纳米材料输送到摩擦副表面，并通过机械摩擦作用、摩擦-化学作用、摩擦-电化学作用等，使纳米材料在磨损表面沉积、结晶、渗透、铺展成膜，从而对摩擦损伤进行一定程度的填补和修复，以补偿所产生的磨损。通过磨损和修复的动态平衡，使微纳米材料与摩擦副材料、润滑油之间产生复杂的物质交换和能量交换。甚至在零部件磨损表面原位生成一层具有耐磨、耐腐蚀、耐高温或超润滑等特点的保护层，从而实现磨损表面的动态自修复。

近年来随着微纳米粉体材料制备技术和表面改性技术发展，新型微纳米粉体材料不断出现。目前开发的微纳米自修复材料主要包括微纳米单质粉体、硫属化合物、氢氧化物、氧化物、稀土化合物、硼酸盐、蛇纹石等自修复材料。

目前上述纳米自修复材料主要采用化学合成或超微粉碎的方法制备，利用按现有技术制得的纳米自修复材料的优点是粒度可控、表面活性高，但将其制成添加剂加入润滑介质(例如润滑油)中后存在如下的缺点：一方面是，微纳米材料在润滑介质中的分散稳定性较差，导致微纳米材料易于团聚沉淀，从而失去减摩自修复功能，甚至还会引起严重的磨粒磨损；另一方面，微纳米自修复材料的制备工艺复杂、成本昂贵，导致利用该微纳米自修复材料制备的自修复溶液成本昂贵，难以大规模推广应用。

鉴于这种情况，在微纳米自修复技术领域，存在对具有高的抗磨减摩性能、并且所添加的纳米自修复材料具有良好的分散稳定性且制备方法简单的自修复溶液的需求。

发明内容

鉴于现有技术中的上述问题，开发了本发明。本发明的目的在于提供一种制备方法简单、所添加的纳米自修复材料具有良好分散稳定性且成本低廉的自修复溶液，该自修复溶液具有高的抗磨减摩性能、能够实现机械金属零部件摩擦表面微损伤的动态自修复、降低摩擦表面粗糙度、减少设备工作能耗的抗磨减摩。

根据本发明的第一方面，提供一种自修复溶液，其质量百分比含量组成为：2％～30％的纳米凹凸棒石粉体，1％～30％的纳米铜合金，0.5～5％的纳米氧化镧，0.5％～5％的油酸，1％～10％的分散剂以及50％～95％的基础油，其中，所述纳米凹凸棒石粉体是以天然凹凸棒石为原料并经过工业提纯的，纯度为75％以上，所述纳米铜合金为采用原位合成法经DDP(二烷基二硫代磷酸)修饰的油溶性纳米铜合金，所述分散剂是双稀基丁二酰亚胺、单丁二酰亚胺以及多丁二酰亚胺中的一种，并且所述基础油是合成酯类基础油或矿物基础油。

由于根据本发明的自修复溶液使用的纳米凹凸棒石粉体以天然凹凸棒石为原料，该纳米凹凸棒石粉体比表面积大、密度低，在润滑介质中的分散稳定性好，且制备方法简单，因此该自修复溶液的成本低廉，便于推广应用。

优选的是，所述分散剂是双稀基丁二酰亚胺，所述基础油是合成酯类基础油。

优选的是，所述纳米凹凸棒石粉体的纯度为95％以上，并且所述纳米凹凸棒石粉体的单根分散纤维的直径≤100nm，长径比≤50:1。

优选的是，所述纳米铜合金是锌和镍中的至少一者与铜的组合，并且所述纳米铜合金的铜合金粒径≤100nm。

优选的是，所述纳米铜合金的铜合金粒径≤50nm。

优选的是，所述纳米氧化镧的纯度≥90％，所述纳米氧化镧的粉体粒径≤100nm。

此外，根据本发明的第二方面，提供一种自修复溶液的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括：

配比步骤，按照2％～30％的纳米凹凸棒石粉体，1％～30％的纳米铜合金，0.5～5％的纳米氧化镧，0.5％～5％的油酸，1％～10％的分散剂以及50％～95％的基础油的质量百分比，

研磨步骤，将经过所述配比步骤配比的纳米凹凸棒石粉体、纳米铜合金添加剂、纳米氧化镧、油酸、分散剂和基础油的混合物，加入纳米砂磨机中研磨5～8小时后获得自修复溶液，

其中，所述分散剂是双稀基丁二酰亚胺、单丁二酰亚胺以及多丁二酰亚胺中的一种，所述基础油是合成酯类基础油或矿物基础油，并且所述纳米凹凸棒石粉体是以天然凹凸棒石原料并经过工业提纯的，纯度为75％以上。

优选的是，该制备方法还包括在配比步骤之前进行的如下煅烧冷却步骤：将纳米凹凸棒石粉体放入马弗炉中在300～500℃温度下进行煅烧，并保温大于2小时，之后随炉冷却。

优选的是，在该制备方法的配比步骤中使用的所述分散剂是双稀基丁二酰亚胺，所述基础油是合成酯类基础油，所述纳米凹凸棒石粉体的纯度为95％以上，并且所述纳米凹凸棒石粉体的单根分散纤维的直径≤100nm且长径比≤50:1。

另外，根据本发明的另一方面，提供一种自修复溶液的使用方法：将根据本发明第一方面的自修复溶液直接添加到机器设备的润滑系统中。

由于根据本发明的纳米硅酸盐矿物自修复溶液中的自修复材料(纳米凹凸棒石粉体和纳米铜合金)以润滑油脂为介质，能够将纳米自修复材料带入摩擦副表面，从而提高了添加有根据本发明的自修复溶液的润滑油品的抗磨减摩性能，显著延长了机械零部件的使用寿命，并降低了摩擦功率损失。

根据本发明的自修复溶液至少具有如下优点：

(1)所添加的自修复材料(纳米凹凸棒石粉体、纳米铜合金添加剂和/或纳米氧化镧)具有良好的分散稳定性，且成本低廉；

(2)能够显著提高添加有该自修复溶液的润滑油品的抗磨减摩性能，并对摩擦接触表面进行优化，在磨损表面形成摩擦改性层，能够大幅降低零件表面粗糙度、减少摩擦阻力，从而达到节能降耗，延长设备使用寿命目的；

(3)自修复溶液的制备工艺简单，使用方法简便。

附图说明

图1是示出添加了根据本发明的自修复溶液后摩擦因数变化的对比图。

图2是示出添加了根据本发明的自修复溶液后下试样磨损体积变化的对比图。

具体实施方式

下面参照附图，结合实施例对本发明作进一步详细说明。除非另有说明，下述实施例中原料的百分含量为质量百分比含量。

[根据本发明的自修复溶液的组分]

根据本发明的自修复溶液，添加有纳米硅酸盐(纳米凹凸棒石和纳米氧化镧)和纳米金属材料(纳米铜合金)作为自修复材料，以基础油为溶剂，并且添加有少量催化剂、表面改性剂、分散剂等材料而制备。

具体地说，根据本发明的自修复溶液的质量百分比含量组成为：2％～30％的纳米凹凸棒石粉体，1％～30％的纳米铜合金，0.5～5％的纳米氧化镧，0.5％～5％的油酸，1％～10％的分散剂以及50％～95％的基础油。

其中，纳米凹凸棒石粉体是以天然凹凸棒石为原料并经过工业提纯的，纯度为75％以上。优选的是，所述纳米凹凸棒石粉体的纯度为95％以上，并且所述纳米凹凸棒石粉体的单根分散纤维的直径≤100nm，长径比≤50:1。

由于本发明的自修复溶液使用的纳米凹凸棒石粉体以天然凹凸棒石为原料，该纳米凹凸棒石粉体比表面积大、密度低，在润滑介质中的分散稳定性好，且制备方法简单，因此该自修复溶液的成本低廉。

在根据本发明的自修复溶液中，纳米铜合金是采用原位合成法经DDP(二烷基二硫代磷酸)修饰的油溶性纳米铜合金。作为优选的方案，可以是锌铜合金、镍铜合金或者锌镍铜合金，并且铜合金粒径≤100nm。更优选的方案是，纳米铜合金的铜合金粒径≤50nm。

在根据本发明的自修复溶液中，分散剂主要作用是提高诸如纳米凹凸棒石粉体和纳米氧化镧的粉体材料在油性介质中的分散稳定性，可以是双稀基丁二酰亚胺、单丁二酰亚胺以及多丁二酰亚胺中的一种。优选的方案是，分散剂采用双稀基丁二酰亚胺，能够使粉体材料的分散稳定性更好。

基础油作为溶剂，可以是矿物基础油，例如150SN、300SN、500SN、650SN中的一种或多种，也可以是酯类基础油。由于酯类合成油具有很好的极性，与多种油品及添加剂之间的相容性较好，因此，优选的方案是，基础油采用合成酯类基础油。

在根据本发明的自修复溶液中，添加有0.5～5％的纳米氧化镧，该纳米氧化镧主要起催化剂作用，用来降低反应温度条件，能够在摩擦条件下加速凹凸棒石与金属磨损表面的反应。

根据本发明的自修复溶液中，添加有0.5％～5％的油酸，油酸起表面改性剂的作用，能够对粉体(纳米凹凸棒石粉体和纳米氧化镧)进行表面改性，从而提高纳米凹凸棒石粉体和纳米氧化镧粉体在油性介质中的分散性。此外，油酸还具有一定的抗磨减摩作用，其他表面改性剂也可以改善粉体在润滑油中的分散稳定性，但不一定有减摩抗磨效果。现有技术中替代油酸可以使用其他改性剂，例如六偏磷酸钠、硅烷偶联剂KH560等，但在本发明中，通过使用油酸作为表面改性剂，能够实现在基础油中的同步改性，从而不需要脱水、洗涤等工艺步骤，使得制备工艺简单。

由于根据本发明的自修复溶液能够显著减少磨损，延长设备使用寿命，并可以优化零件表面形貌，大幅降低摩擦因数，减少摩擦功率损失，实现节能降耗的功效。

根据本发明的自修复溶液对润滑油品的闪点、运动粘度、抗氧化性、腐蚀性等理化性能无影响，适应性好，使用方法简单，可广泛推广应用于冶金、矿山、车辆、机床等机械设备。

以下结合表1和表2以及图1和图2，基于根据本发明具体实施例的自修复溶液的修复效果进行说明。其中，表1示出了根据本发明示例1至示例6的自修复溶液的百分含量组成；表2示出了添加有根据本发明的自修复溶液后的摩擦学性能变化；图1是示出使用了根据本发明的自修复溶液后摩擦因数变化的对比图；图2是示出使用了根据本发明的自修复溶液后下试样磨损体积变化的对比图。

表1

组分/质量百分比

示例1

示例2

示例3

示例4

示例5

示例6

纳米凹凸棒石粉体

2％

30％

20％

10％

15％

5％

纳米铜合金添加剂

30％

1％

5％

20％

15％

10％

氧化镧

0.5％

5％

4％

2％

2％

1％

油酸

0.5％

5％

4％

3％

5％

2％

双稀基丁二酰亚胺

1％

10％

8％

5％

5％

2％

基础油

66％

49％

59％

60％

58％

80％

将表1中示出的示例1至示例6的自修复溶液分别按照5％的添加量加入500SN基础油中，采用SRV摩擦磨损试验机进行摩擦学试验。试验方式为球盘式接触，上试样为直径10mm的GCr15钢球，下试样为Gcr15钢盘。试验条件为：载荷100N、频率50Hz、温度50℃以及时间60min(分钟)。摩擦系数由试验机在线记载，磨损体积由三维轮廓仪测得。

表2

参照图1和图2以及表2所示的试验结果表明：500SN基础油润滑条件下，摩擦因数波动较大，在平均摩擦因数约为0.19，下试样磨损严重，磨损体积约为0.02mm³；添加根据本发明示例1至6的自修复溶液后，润滑油的摩擦学性能均显著提高，特别是添加示例4的自修复溶液后，摩擦因数显著降低，平均摩擦因数约为0.10，较500SN基础油降低约48％，下试样磨损体积约为0.005mm³，较500SN基础油降低约75％。实验表明，本发明的自修复溶液对金属摩擦副有着优异的抗磨减摩性能，可显著提高润滑油品性能，具有很好的工业应用前景。

[根据本发明的自修复溶液的制备方法]

以下对根据本发明的制备自修复溶液的方法进行说明。

根据本发明第一实施例的自修复溶液制备方法包括如下步骤：配比步骤，按照2％～30％的纳米凹凸棒石粉体，1％～30％的纳米铜合金，0.5～5％的纳米氧化镧，0.5％～5％的油酸，1％～10％的分散剂以及50％～95％的基础油的质量百分比，配比原料；研磨步骤，将经过所述配比步骤配比的纳米凹凸棒石粉体、纳米铜合金、纳米氧化镧、油酸、分散剂和基础油的混合物，加入纳米砂磨机中研磨5～8小时后获得根据本发明的自修复溶液。

其中，在所述配比步骤中使用的所述纳米铜合金为采用原位合成法经DDP修饰的油溶性纳米铜合金，所述分散剂是双稀基丁二酰亚胺、单丁二酰亚胺以及多丁二酰亚胺中的一种，所述基础油是合成酯类基础油或矿物基础油，并且所述纳米凹凸棒石粉体是以天然凹凸棒石为原料并经过工业提纯的，纯度为75％以上。

根据本发明第二实施例的制备自修复溶液的方法，可以在所述配比步骤之前进行如下的煅烧冷却步骤：将纳米凹凸棒石粉体放入马弗炉中在300～500℃温度下进行煅烧，并保温大于2小时，之后随炉冷却。

作为优选的方案，在根据本发明第一实施例或第二实施例的制备自修复溶液的方法中，在所述配比步骤中，所使用的分散剂是双稀基丁二酰亚胺，基础油是合成酯类基础油，纳米凹凸棒石粉体的纯度为95％以上，并且纳米凹凸棒石粉体的单根分散纤维的直径≤100nm且长径比≤50:1。

作为优选的方案，在根据本发明第一实施例或第二实施例的制备自修复溶液的方法中，在所述配比步骤中使用的纳米铜合金可以是锌铜合金、镍铜合金或者锌镍铜合金，并且铜合金粒径≤100nm。更优选的方案是，纳米铜合金的铜合金粒径≤50nm。

[根据本发明的自修复溶液的使用方法]

以下对根据本发明的自修复溶液的使用方法进行说明。

根据本发明的自修复溶液的使用方法简单易行，具体地说，将根据本发明的自修复溶液直接添加到机器设备的润滑系统中即可。

[工业适用性]

凹凸棒石是天然的一维纳米材料，在我国其矿床的储量丰富，具有比表面积大，吸附性强、制备方法简单、生产成本低等特点，在微纳米自修复技术开发领域具有非常大的应用前景。因此，基于天然纳米凹凸棒石的特殊的理化性能而开发的金属磨损自修复溶液，能够解决机械设备运行中的摩擦磨损问题，对我国走新型工业化道路，建设循环经济，实现节能减排的发展战略具有十分重要的现实意义。

此外，根据本发明的自修复溶液对润滑油品的闪点、运动粘度、抗氧化性、腐蚀性等理化性能无影响，适应性好，制备及使用方法简单，可广泛应用于冶金、矿山、车辆、机床等机械设备。

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让本领域的普通技术人员了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所做的等效变换或变型，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种自修复溶液，其质量百分比含量组成为：

2％～30％的纳米凹凸棒石粉体，1％～30％的纳米铜合金，0.5～5％的纳米氧化镧，0.5％～5％的油酸，1％～10％的分散剂以及50％～95％的基础油，

其中，所述纳米凹凸棒石粉体是以天然凹凸棒石为原料并经过工业提纯的，纯度为75％以上，

所述纳米铜合金为采用原位合成法经DDP修饰的油溶性纳米铜合金，

所述分散剂是双稀基丁二酰亚胺、单丁二酰亚胺以及多丁二酰亚胺中的一种，并且

所述基础油是合成酯类基础油或矿物基础油。

2.根据权利要求1所述的自修复溶液，其特征在于，所述分散剂是双稀基丁二酰亚胺，并且所述基础油是合成酯类基础油。

3.根据权利要求1或2所述的自修复溶液，其特征在于，

所述纳米凹凸棒石粉体的纯度为95％以上，并且所述纳米凹凸棒石粉体的单根分散纤维的直径≤100nm，且长径比≤50:1。

4.根据权利要求1或2所述的自修复溶液，其特征在于，

其中，所述纳米铜合金是锌和镍中的至少一者与铜的组合，并且铜合金粒径≤100nm。

5.根据权利要求4所述的自修复溶液，其特征在于，其中，所述纳米铜合金的铜合金粒径≤50nm。

6.根据权利要求1或2所述的自修复溶液，其特征在于，所述纳米氧化镧的纯度≥90％，所述纳米氧化镧的粉体粒径≤100nm。

7.一种自修复溶液的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括：

配比步骤，按照2％～30％的纳米凹凸棒石粉体，1％～30％的纳米铜合金，0.5～5％的纳米氧化镧，0.5％～5％的油酸，1％～10％的分散剂以及50％～95％的基础油的质量百分比，配比原料；

研磨步骤，将经过所述配比步骤配比的纳米凹凸棒石粉体、纳米铜合金、纳米氧化镧、油酸、分散剂和基础油的混合物，加入纳米砂磨机中研磨5～8小时后获得自修复溶液，

其中，在所述配比步骤中，使用的所述纳米铜合金为采用原位合成法经DDP修饰的油溶性纳米铜合金，所述分散剂是双稀基丁二酰亚胺、单丁二酰亚胺以及多丁二酰亚胺中的一种，所述基础油是合成酯类基础油或矿物基础油，并且所述纳米凹凸棒石粉体是以天然凹凸棒石为原料并经过工业提纯的，纯度为75％以上。

8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述制备方法还包括在所述配比步骤之前进行的如下煅烧冷却步骤：

将所述纳米凹凸棒石粉体放入马弗炉中在300～500℃温度下进行煅烧，并保温大于2小时，之后随炉冷却。

9.根据权利要求7或8所述的制备方法，其特征在于，

在所述配比步骤中，所使用的所述分散剂是双稀基丁二酰亚胺，所述基础油是合成酯类基础油，所述纳米凹凸棒石粉体的纯度为95％以上，并且所述纳米凹凸棒石粉体的单根分散纤维的直径≤100nm且长径比≤50:1。

10.一种自修复溶液的使用方法，其特征在于，

将根据权利要求1到6中的任一项所述自修复溶液直接添加到机器设备的润滑系统中。