CN107164019A - 一种耐磨剂及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种耐磨剂及其制备方法。该耐磨剂的原料包括下述重量份的组分：硅酸盐矿物100份、纳米二氧化硅5～15份、氧化石墨烯0.1～1份、硅烷偶联剂10～20份、树脂25～45份。本发明的耐磨剂可以在金属摩擦磨损的表面形成15微米厚度以上的耐磨层，且与原铁基表面的结合良好，耐磨层不易脱落；而且形成的磨斑直径较小，具有较高的承载能力和烧结负荷，说明含有该耐磨剂的润滑油脂极压性能较好，可以起到有效的抗磨减磨作用。

Description

一种耐磨剂及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种耐磨剂及其制备方法。
背景技术
耐磨、减摩、抗磨是机械动力领域一个永恒的话题，摩擦损耗越低，机械动力就越强，产品效益也会大大增加。目前世界上解决金属的磨损失效问题主要采用三种技术途径，即抗磨技术、减磨技术和修复技术。其中磨损修复技术是人们对已经发生磨损的金属部件，采用多种技术途径进行修复，使部件的尺寸恢复到磨损前的状态：传统的磨损修复技术途径包括涂镀层技术(对轻微磨损的金属部件复)、补焊、堆焊、脉冲、镶嵌等局部补偿后再加工的修复技术(对一些严重磨损的部件)等。但传统的磨损修复技术是一种“事后”的修补技术，并不能解决部件磨损失效所带来的各种问题，且修补本身也受到技术可行性和成本等多种因素的制约。在金属摩擦磨损表面形成耐磨修复层是一种有效技术途径，但必须具备一定覆盖厚度才能起到修复作用，一般金属部件磨损量都会超过微米级甚至毫米级，如活塞、曲轴、轴承、齿轮的摩擦副等，如出现摩擦副擦伤、划痕则更难修复。但现有技术中报道的耐磨剂在金属摩擦表面仅能形成5微米以下的耐磨层，这对大部分摩擦磨损金属表面的修复作用有限；而且现有的耐磨剂也很少能够适用于高速、高压和高负荷等工作环境。
纳米材料由于其具有优异的物理化学性质，在材料领域中有着广泛的应用，而且近年来石墨烯的研究引起了越来越多人的兴趣，其由于在纳米尺度也展现出很好的物理化学性质，有很好的应用前景。但由于含有纳米粒子的体系在稳定性、分散性等方面有待解决，因此亟需开发出一种既能在金属摩擦表面形成更高厚度的耐磨层、又有很好的分散稳定性的耐磨剂。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于克服现有的耐磨剂在金属摩擦磨损的表面形成的耐磨层的厚度低、不适用于高温高压的缺陷，提供了一种耐磨剂及其制备方法。本发明的耐磨剂可以在金属摩擦磨损的表面形成15微米厚度以上的耐磨层，且与原铁基表面的结合良好，耐磨层不易脱落；而且形成的磨斑直径较小，具有较高的承载能力和烧结负荷，说明含有该耐磨剂的润滑油脂极压性能较好，可以起到有效的抗磨减磨作用。
本发明是通过以下技术方案解决上述技术问题的：
本发明提供了一种耐磨剂，其原料包括下述重量份的组分：硅酸盐矿物100份、纳米二氧化硅5～15份、氧化石墨烯0.1～1份、硅烷偶联剂10～20份、树脂25～45份。
其中，所述的硅酸盐矿物较佳地为蛇纹石、滑石、海泡石和阳起石中的一种或多种，更佳地为蛇纹石与阳起石的混合物，最佳地为蛇纹石与阳起石按质量比为(1～4)：1的混合物。所述的蛇纹石的主要成分的化学式为Mg6Si4O10(OH)8，所述的滑石的主要成分的化学式为Mg3(Si4O10)(OH)2，所述的海泡石的主要成分的化学式为Mg8Si12O30(OH)4(OH2)4·8H2O，所述的阳起石的主要成分的化学式为Ca2(Mg,Fe)5Si8O22(OH)2。
其中，所述的纳米二氧化硅的粒径较佳地为50～100nm，更佳地为70～80nm。
其中，所述的氧化石墨烯可为本领域常规方法制得的氧化石墨烯，较佳地通过下述步骤制得：①预氧化：将石墨、浓硫酸和硝酸倒入水中，过滤，烘干；重复上述预氧化过程2～3次，得到预氧化石墨；②热膨胀：将步骤①的预氧化石墨在400～900℃条件下热膨胀10～30s，得到热膨胀氧化石墨；③将步骤②的热膨胀氧化石墨与浓硫酸、K2S2O8和五氧化二磷的混合物在80～90℃条件下加热，加入水过滤洗涤，干燥，得到预氧化热膨胀石墨；④将步骤③的预氧化热膨胀石墨与浓硫酸在0～5℃条件下混合，加入高锰酸钾，反应，再加入双氧水，静置，离心，即得氧化石墨烯。
其中，所述的硅烷偶联剂可为本领域常规使用的各种硅烷偶联剂，较佳地为3-氨基丙基三乙氧基硅烷、3-氨基丙基三甲氧基硅烷、γ-缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷、γ-缩水甘油醚氧丙基三乙氧基硅烷、γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷和γ-甲基丙烯酰氧基丙基三乙氧基硅烷中的一种或多种。
其中，所述的树脂可为本领域常规使用的各种树脂，较佳地为环氧树脂、酚醛树脂、呋喃树脂和糠醛树脂中的一种或多种，更佳地为环氧树脂和/或酚醛树脂。
其中，所述的纳米二氧化硅的用量较佳地为8～11份。
其中，所述的氧化石墨烯的用量较佳地为0.6～0.7份。
其中，所述的硅烷偶联剂的用量较佳地为15～18份。
其中，所述的树脂的用量较佳地为30～35份。
本发明还提供了上述耐磨剂的制备方法，其包括下述步骤：
(1)将纳米二氧化硅和氧化石墨烯的混合物加入到无水乙醇中，超声分散，然后加入硅烷偶联剂和树脂，搅拌，然后加入水合肼溶液进行反应，离心，得到载体；
(2)将步骤(1)所述的载体与硅酸盐矿物混合，研磨，即可。
步骤(1)中，所述的超声分散的时间较佳地为2～4小时。
步骤(1)中，所述的纳米二氧化硅与所述的无水乙醇的质量比较佳地为1：(10～20)。
步骤(1)中，所述的搅拌的时间较佳地为30min～100min，所述的搅拌的转速较佳地为800～1500转/分。
步骤(1)中，所述的水合肼溶液的质量百分比浓度较佳地为8％～12％；所述的水合肼溶液与所述的氧化石墨烯的体积质量比较佳地为(20～40)mL/g。
步骤(1)中，所述的反应的时间较佳地为3～10小时；所述的反应的温度较佳地为60～90℃，更佳地为70～80℃。
步骤(2)中，所述的研磨的时间较佳地以研磨后粉体的粒径范围100nm～800nm为止。
在符合本领域常识的基础上，上述各优选条件，可任意组合，即得本发明各较佳实例。
本发明所用试剂和原料均市售可得。
本发明的积极进步效果在于：
(1)本发明的耐磨剂油溶性好，在润滑油脂中具有很好的分散稳定性，不易沉淀。
(2)本发明的耐磨剂可以在金属摩擦磨损的表面形成15微米厚度以上的耐磨层，且与原铁基表面的结合良好，耐磨层不易脱落。
(3)采用本发明的耐磨剂后，形成的磨斑直径较小，具有较高的承载能力和烧结负荷，说明含有该耐磨剂的润滑油脂极压性能较好，可以起到有效的抗磨减磨作用。
具体实施方式
下面通过实施例的方式进一步说明本发明，但并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。下列实施例中未注明具体条件的实验方法，按照常规方法和条件，或按照商品说明书选择。
下述实施例中的氧化石墨烯通过下述步骤制得：①预氧化：将石墨、浓硫酸和硝酸倒入水中，过滤，烘干；重复上述预氧化过程2～3次，得到预氧化石墨；②热膨胀：将步骤①的预氧化石墨在400～900℃条件下热膨胀10～30s，得到热膨胀氧化石墨；③将步骤②的热膨胀氧化石墨与浓硫酸、K2S2O8和五氧化二磷的混合物在80～90℃条件下加热，加入水过滤洗涤，干燥，得到预氧化热膨胀石墨；④将步骤③的预氧化热膨胀石墨与浓硫酸在0～5℃条件下混合，加入高锰酸钾，反应，再加入双氧水，静置，离心，即得氧化石墨烯。
实施例1
本实施例所采用的原料配方如下(按重量份，克)：
制备方法：(1)将纳米二氧化硅和氧化石墨烯的混合物加入到100g无水乙醇中，超声分散2小时，然后加入硅烷偶联剂和环氧树脂，900转/分的转速搅拌50min，然后加入30mL质量百分比浓度为10％的水合肼溶液进行反应4小时(反应温度为70℃)，离心，得到载体；
(2)将步骤(1)所述的载体与蛇纹石混合，研磨至粉体的粒径范围为100nm～800nm，即可得到耐磨剂。
实施例2
本实施例所采用的原料配方如下(按重量份，克)：
制备方法：(1)将纳米二氧化硅和氧化石墨烯的混合物加入到100g无水乙醇中，超声分散3小时，然后加入硅烷偶联剂和呋喃树脂，1200转/分的转速搅拌100min，然后加入4mL质量百分比浓度为12％的水合肼溶液进行反应3小时(反应温度为80℃)，离心，得到载体；
(2)将步骤(1)所述的载体与蛇纹石混合，研磨至粉体的粒径范围为100nm～800nm，即可得到耐磨剂。
实施例3
本实施例所采用的原料配方如下(按重量份，克)：
制备方法：(1)将纳米二氧化硅和氧化石墨烯的混合物加入到225g无水乙醇中，超声分散4小时，然后加入硅烷偶联剂和糠醛树脂，1500转/分的转速搅拌100min，然后加入32mL质量百分比浓度为8％的水合肼溶液进行反应10小时(反应温度为70℃)，离心，得到载体；
(2)将步骤(1)所述的载体与蛇纹石混合，研磨至粉体的粒径范围为100nm～800nm，即可得到耐磨剂。
实施例4
本实施例所采用的原料配方如下(按重量份，克)：
制备方法：(1)将纳米二氧化硅和氧化石墨烯的混合物加入到144g无水乙醇中，超声分散3小时，然后加入硅烷偶联剂和环氧树脂，800转/分的转速搅拌30min，然后加入36mL质量百分比浓度为10％的水合肼溶液进行反应6小时(反应温度为70℃)，离心，得到载体；
(2)将步骤(1)所述的载体与蛇纹石混合，研磨至粉体的粒径范围为100nm～800nm，即可得到耐磨剂。
实施例5
本实施例所采用的原料配方如下(按重量份，克)：
制备方法：(1)将纳米二氧化硅和氧化石墨烯的混合物加入到100g无水乙醇中，超声分散2小时，然后加入硅烷偶联剂和环氧树脂，900转/分的转速搅拌50min，然后加入30mL质量百分比浓度为10％的水合肼溶液进行反应4小时(反应温度为70℃)，离心，得到载体；
(2)将步骤(1)所述的载体与蛇纹石、阳起石混合，研磨至粉体的粒径范围为100nm～800nm，即可得到耐磨剂。
实施例6
本实施例所采用的原料配方如下(按重量份，克)：
制备方法：(1)将纳米二氧化硅和氧化石墨烯的混合物加入到100g无水乙醇中，超声分散2小时，然后加入硅烷偶联剂和酚醛树脂，900转/分的转速搅拌50min，然后加入30mL质量百分比浓度为10％的水合肼溶液进行反应4小时(反应温度为70℃)，离心，得到载体；
(2)将步骤(1)所述的载体与蛇纹石、阳起石混合，研磨至粉体的粒径范围为100nm～800nm，即可得到耐磨剂。
实施例7
本实施例所采用的原料配方如下(按重量份，克)：
制备方法：(1)将纳米二氧化硅和氧化石墨烯的混合物加入到100g无水乙醇中，超声分散2小时，然后加入硅烷偶联剂和呋喃树脂，900转/分的转速搅拌50min，然后加入30mL质量百分比浓度为10％的水合肼溶液进行反应4小时(反应温度为70℃)，离心，得到载体；
(2)将步骤(1)所述的载体与蛇纹石、阳起石混合，研磨至粉体的粒径范围为100nm～800nm，即可得到耐磨剂。
实施例8
本实施例所采用的原料配方如下(按重量份，克)：
制备方法：(1)将纳米二氧化硅和氧化石墨烯的混合物加入到150g无水乙醇中，超声分散4小时，然后加入硅烷偶联剂和糠醛树脂，1500转/分的转速搅拌100min，然后加入28mL质量百分比浓度为8％的水合肼溶液进行反应10小时(反应温度为70℃)，离心，得到载体；
(2)将步骤(1)所述的载体与蛇纹石混合，研磨至粉体的粒径范围为100nm～800nm，即可得到耐磨剂。
实施例9
本实施例所采用的原料配方如下(按重量份，克)：
制备方法：(1)将纳米二氧化硅和氧化石墨烯的混合物加入到150g无水乙醇中，超声分散4小时，然后加入硅烷偶联剂和糠醛树脂，1500转/分的转速搅拌100min，然后加入24mL质量百分比浓度为8％的水合肼溶液进行反应10小时(反应温度为70℃)，离心，得到载体；
(2)将步骤(1)所述的载体与蛇纹石混合，研磨至粉体的粒径范围为100nm～800nm，即可得到耐磨剂。
对比例1(不添加树脂)
本例所采用的原料配方如下(按重量份，克)：
制备方法：(1)将纳米二氧化硅和氧化石墨烯的混合物加入到100g无水乙醇中，超声分散2小时，然后加入硅烷偶联剂，900转/分的转速搅拌50min，然后加入30mL质量百分比浓度为10％的水合肼溶液进行反应4小时(反应温度为70℃)，离心，得到载体；
(2)将步骤(1)所述的载体与蛇纹石混合，研磨至粉体的粒径范围为100nm～800nm，即可得到耐磨剂。
对比例2(纳米二氧化硅的用量过多)
本例所采用的原料配方如下(按重量份，克)：
制备方法：(1)将纳米二氧化硅和氧化石墨烯的混合物加入到300g无水乙醇中，超声分散2小时，然后加入硅烷偶联剂和环氧树脂，900转/分的转速搅拌50min，然后加入30mL质量百分比浓度为10％的水合肼溶液进行反应4小时(反应温度为70℃)，离心，得到载体；
(2)将步骤(1)所述的载体与蛇纹石混合，研磨至粉体的粒径范围为100nm～800nm，即可得到耐磨剂。
对比例3(氧化石墨烯的用量过多)
本实施例所采用的原料配方如下(按重量份，克)：
制备方法：(1)将纳米二氧化硅和氧化石墨烯的混合物加入到100g无水乙醇中，超声分散2小时，然后加入硅烷偶联剂和环氧树脂，900转/分的转速搅拌50min，然后加入45mL质量百分比浓度为10％的水合肼溶液进行反应4小时(反应温度为70℃)，离心，得到载体；
(2)将步骤(1)所述的载体与蛇纹石混合，研磨至粉体的粒径范围为100nm～800nm，即可得到耐磨剂。
对比例4(氧化石墨烯的用量过少)
本实施例所采用的原料配方如下(按重量份，克)：
制备方法：(1)将纳米二氧化硅和氧化石墨烯的混合物加入到100g无水乙醇中，超声分散2小时，然后加入硅烷偶联剂和环氧树脂，900转/分的转速搅拌50min，然后加入1.5mL质量百分比浓度为10％的水合肼溶液进行反应4小时(反应温度为70℃)，离心，得到载体；
(2)将步骤(1)所述的载体与蛇纹石混合，研磨至粉体的粒径范围为100nm～800nm，即可得到耐磨剂。
对比例5(硅烷偶联剂的用量过多)
本实施例所采用的原料配方如下(按重量份，克)：
制备方法：(1)将纳米二氧化硅和氧化石墨烯的混合物加入到100g无水乙醇中，超声分散2小时，然后加入硅烷偶联剂和环氧树脂，900转/分的转速搅拌50min，然后加入30mL质量百分比浓度为10％的水合肼溶液进行反应4小时(反应温度为70℃)，离心，得到载体；
(2)将步骤(1)所述的载体与蛇纹石混合，研磨至粉体的粒径范围为100nm～800nm，即可得到耐磨剂。
效果实施例1
分散稳定性效果试验
将上述实施例制得的耐磨剂按5wt％的比例加入到长城牌锂基通用润滑油脂中，超声分散30min，静置3个月后观察是否有沉淀现象，结果如下表所示。
由上表可以看出，本发明的实施例中制得的耐磨剂的油溶性好，在润滑油脂中具有很好的分散稳定性；而对比例1中不添加树脂制得的耐磨剂在润滑油脂中分散稳定性不佳，而对比例2制得的耐磨剂在润滑油脂中3个月后有少量沉淀，表明其分散稳定性仍差于本发明的实施例，同样，对比例3、5制得的耐磨剂的分散稳定性也较差。
效果实施例2
形成耐磨层
将上述实施例制得的耐磨剂按5wt％的比例加入到长城牌锂基通用润滑油脂中，超声分散30min，形成含有耐磨剂的磨合油脂，用灰口铸铁试样在摩擦磨损试验机上作浸油磨合试验，试验力加载负荷5kg，转速1200转/分钟，经30小时磨合后，将上试样、下试样接触摩擦磨损部位作线切割后制成小样，通过电子材料分析中心检测形成耐磨层的厚度，结果如下表所示：
由上表可以看出，本发明的实施例中制得的耐磨剂分散在润滑油脂中，可以在金属摩擦表面形成15微米以上的耐磨层，尤其是实施例5～9制得的产品可以形成20微米以上的耐磨层，可以对试样的表面缺陷进行修复，且与原铁基表面的结合状态良好，不易脱落；而对比例1～5制得的耐磨剂仅可以形成10微米以下的耐磨层，且与原铁基表面的结合状态不佳，易脱落。
效果实施例3
测量磨斑直径
采用厦门实验机厂生产的MS-800型四球实验机测定。测试条件：转速1450r/min，时间30min，室温。钢球磨斑直径采用光学显微镜测量3个底球磨斑直径(WSD)的算术平均值，结果如下表所示：
效果实施例4
极压性能检测
将上述实施例制得的耐磨剂按5wt％的比例加入到长城牌锂基通用润滑油脂中，超声分散30min，形成含有耐磨剂的磨合油脂，该磨合油脂的承载能力和极压性能由济南实验厂机生产的MRS-10A四球摩擦实验机测定。测试条件：转速1760r/min，时间10s，结果如下表所示：
编号 承载能力(N) 烧结负荷(N)
实施例1 1195 3985
实施例2 1109 3924
实施例3 1134 3915
实施例4 1117 3964
实施例5 1356 4495
实施例6 1324 4468
实施例7 1318 4424
实施例8 1316 4415
实施例9 1319 4419
对比例1 968 2968
对比例2 927 2646
对比例3 938 2667
对比例4 956 2795
对比例5 963 2994
从上表可以看出，由本发明制得的耐磨剂得到的磨合油，承载能力和烧结负荷均较高，承载能力达到1100N以上，烧结负荷达到3900N以上；尤其是实施例5～9制得的产品的性能更加优异，承载能力达到1300N以上，烧结负荷达到4400N以上。

Claims (10)

1.一种耐磨剂，其原料包括下述重量份的组分：硅酸盐矿物100份、纳米二氧化硅5～15份、氧化石墨烯0.1～1份、硅烷偶联剂10～20份、树脂25～45份。
2.如权利要求1所述的耐磨剂，其特征在于，所述的硅酸盐矿物为蛇纹石、滑石、海泡石和阳起石中的一种或多种，较佳地为蛇纹石与阳起石的混合物，更佳地为蛇纹石与阳起石按质量比为(1～4)：1的混合物。
3.如权利要求1所述的耐磨剂，其特征在于，所述的纳米二氧化硅的粒径为50～100nm，较佳地为70～80nm；
和/或，所述的氧化石墨烯通过下述步骤制得：①预氧化：将石墨、浓硫酸和硝酸倒入水中，过滤，烘干；重复上述预氧化过程2～3次，得到预氧化石墨；②热膨胀：将步骤①的预氧化石墨在400～900℃条件下热膨胀10～30s，得到热膨胀氧化石墨；③将步骤②的热膨胀氧化石墨与浓硫酸、K2S2O8和五氧化二磷的混合物在80～90℃条件下加热，加入水过滤洗涤，干燥，得到预氧化热膨胀石墨；④将步骤③的预氧化热膨胀石墨与浓硫酸在0～5℃条件下混合，加入高锰酸钾，反应，再加入双氧水，静置，离心，即得氧化石墨烯。
4.如权利要求1所述的耐磨剂，其特征在于，所述的硅烷偶联剂为3-氨基丙基三乙氧基硅烷、3-氨基丙基三甲氧基硅烷、γ-缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷、γ-缩水甘油醚氧丙基三乙氧基硅烷、γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷和γ-甲基丙烯酰氧基丙基三乙氧基硅烷中的一种或多种；
和/或，所述的纳米二氧化硅的用量较佳地为8～11份；
和/或，所述的氧化石墨烯的用量较佳地为0.6～0.7份；
和/或，所述的硅烷偶联剂的用量较佳地为15～18份；
和/或，所述的树脂的用量较佳地为30～35份。
5.如权利要求1所述的耐磨剂，其特征在于，所述的树脂为环氧树脂、酚醛树脂、呋喃树脂和糠醛树脂中的一种或多种，较佳地为环氧树脂和/或酚醛树脂。
6.如权利要求1～5中任意一项所述的耐磨剂的制备方法，其特征在于，其包括下述步骤：
(1)将纳米二氧化硅和氧化石墨烯的混合物加入到无水乙醇中，超声分散，然后加入硅烷偶联剂和树脂，搅拌，然后加入水合肼溶液进行反应，离心，得到载体；
(2)将步骤(1)所述的载体与硅酸盐矿物混合，研磨，即可。
7.如权利要求6所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述的超声分散的时间为2～4小时；
和/或，步骤(1)中，所述的搅拌的时间为30min～100min，所述的搅拌的转速为800～1500转/分。
8.如权利要求6所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述的纳米二氧化硅与所述的无水乙醇的质量比为1：(10～20)。
9.如权利要求6所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述的水合肼溶液的质量百分比浓度为8％～12％；所述的水合肼溶液与所述的氧化石墨烯的体积质量比为(20～40)mL/g。
10.如权利要求6所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述的反应的时间为3～10小时；所述的反应的温度为60～90℃，较佳地为70～80℃；
和/或，步骤(2)中，所述的研磨的时间以研磨后粉体的粒径范围100nm～800nm为止。
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