CN107723055A

CN107723055A - 一种基于颗粒表面处理的水基纳米液压液及其制备方法和应用

Info

Publication number: CN107723055A
Application number: CN201710803542.6A
Authority: CN
Inventors: 温小萍; 苏腾飞; 张素梅; 邓浩鑫; 王发辉; 丁浩青; 崔麟; 肖记军
Original assignee: Henan University of Technology
Current assignee: Henan University of Technology
Priority date: 2017-09-08
Filing date: 2017-09-08
Publication date: 2018-02-23

Abstract

本发明提供了一种基于颗粒表面处理的水基纳米液压液的制备方法，首先制备好硅烷溶液和纳米颗粒水溶液；其次将硅烷溶液和纳米颗粒水溶液混合依次进行加热均质处理，透析处理，冷冻处理，抽吸冻干处理，制得表面改性纳米颗粒；将表面改性纳米颗粒溶于纯水中，分散后即得水基纳米液压液。本发明通过对二氧化硅纳米颗粒表面处理制备了一种稳定性能优异的水基纳米颗粒，在纯水中添加这种新型的水基纳米颗粒，可以提高纯水的抗磨减摩性能，提高纳米颗粒在纯水中的分散均匀性，减少纳米颗粒的沉淀。本发明的水基纳米液压液可应用在液压传动系统中，具有广泛的应用前景。

Description

一种基于颗粒表面处理的水基纳米液压液及其制备方法和应用

技术领域

本发明属于流体传动及控制领域，具体涉及一种基于颗粒表面处理的水基纳米液压液及其制备方法和应用。

背景技术

在液压传动过程中，进行能量传递、交换和控制的工作介质称为液压液。矿物油液压液以其优异的润滑性能成为液压传动最主要的介质，但是，油液压液不仅耗费大量石油资源，还在很大程度上污染了环境以及存在易燃隐患。近几十年来，随着节能环保意识的提高，水压传动技术则重新被人们所重视。但是以纯水作为液压液体现出许多劣势，如成膜能力差、极限剪应力低、润滑性能不好等。人们采用工程塑料、陶瓷、高分子材料等来减小传动中的摩擦磨损问题，然而这些技术在实际的应用推广上有很大限制。后来人们又尝试在纯水中加入某些功能性的辅助添加剂来改善水的润滑性，现有的添加剂大部分基于薄膜润滑原理，但是其薄膜厚度在绝大多数情况下都小于或接近表面粗糙度，因此很难形成有效的薄膜润滑。

近些年，人们尝试在润滑剂中加入纳米颗粒添加剂，而含有纳米颗粒的润滑剂在使用中能同时起到固体润滑和流体润滑的双重作用，并在高载荷、高温等方面表现出优异的摩擦学性能。然而，在基液中添加的纳米颗粒容易发生自聚，经过长时间的静置会产生沉淀，为保持纳米颗粒的离散状态，主要通过以下两种方法来增强纳米颗粒添加剂的悬浮稳定性：（1）使用表面活性剂或分散剂；（2）使用超声振荡。方法（1）的目的在于增加颗粒间的排斥力，抑制颗粒团聚的发生；方法（2）通过机械手段打破颗粒团聚，以获得悬浮稳定的一种水基纳米液压液。但以上两种方法只能制备短期内稳定分散的一种水基纳米液压液，不能从根本上解决水基纳米液压液的稳定性问题。

发明内容

为解决现有技术中水基纳米液压液稳定性差的问题，本发明提供一种基于颗粒表面处理的水基纳米液压液及其制备方法。本发明通过对二氧化硅纳米颗粒表面处理制备了一种稳定性能优异的水基纳米颗粒，在纯水中添加这种新型的水基纳米颗粒，可以提高纯水的抗磨减摩性能，提高纳米颗粒在纯水中的分散均匀性，减少纳米颗粒的沉淀。本发明的水基纳米液压液可应用在液压传动系统中，具有广泛的应用前景。

为实现上述目的，本发明的技术方案为：

一种基于颗粒表面处理的水基纳米液压液的制备方法，包括以下步骤：

（1）硅烷溶液的制备：将3-(2,3-环氧丙氧)丙基三甲氧基硅烷与蒸馏水混合，用HCl溶液对溶液进行PH值滴定，直至PH值为2，室温下搅拌，然后用NaOH溶液将溶液PH值调节至10；

（2）纳米颗粒水溶液的制备：将二氧化硅纳米颗粒加入到蒸馏水中，超声分散制成纳米颗粒水溶液；

（3）表面改性纳米颗粒的制备：将步骤（1）制备的硅烷溶液滴加到步骤（2）制备的纳米颗粒水溶液中，并对混合液依次进行加热均质处理，透析处理，冷冻处理，抽吸冻干处理，制得表面改性纳米颗粒；

（4）水基纳米液压液的制备：将步骤（3）制得的表面改性纳米颗粒分散到纯水中，并在40℃~50℃下搅拌或静置10~12h，即制得所述水基纳米液压液。

优选的，所述步骤（1）中制备的硅烷溶液中3-(2,3-环氧丙氧)丙基三甲氧基硅烷的质量分数为2%~2.5%。

优选的，所述步骤（1）中在600~700r/min下搅拌，更优选为，在700r/min搅拌速率下搅拌5小时。

优选的，所述步骤（2）中制备的纳米颗粒水溶液中二氧化硅纳米颗粒的质量分数为2.3%~2.8%。

优选的，所述步骤（2）中超声分散时间为10~12h。

优选的，所述步骤（3）中硅烷溶液与纳米颗粒水溶液质量比为1∶3.6~1∶4.2。

优选的，所述步骤（3）中加热均质处理是指：在67℃~74℃的环境下对溶液进行超声搅拌45~50h；

所述透析处理是指：在室温条件下，将加热均质处理后的溶液放入到蛇皮式透析膜中用蒸馏水进行透析，每4~5h更换一次蒸馏水，透析共持续40~48h；

所述冰冻处理是指：将透析处理后的溶液置于零下5℃~零下20℃下放置，冷冻成冰块；

所述抽吸冻干处理是指：用冻干机将冰块进行在零下50℃~零下60℃，抽吸压力≤0.7Pa下抽吸制得表面改性纳米颗粒。

优选的，所述步骤（3）制得的表面改性纳米颗粒为白色膨松状。

一种根据上述制备方法制备出的基于颗粒表面处理的水基纳米液压液。

优选的，所述水基纳米液压液中表面改性纳米颗粒的质量分数为0.5%~10%。

所述基于颗粒表面处理的水基纳米液压液可作为液压系统中的液压液应用。

进一步，所述液压系统包括工业液压系统、移动液压传动系统、船用液压系统。

本发明有两方面的改进，一方面，首先利用3-(2,3-环氧丙氧)丙基三甲氧基硅烷对二氧化硅纳米颗粒表面处理制备出表面改性纳米颗粒，然后将表面改性纳米颗粒添加到纯水中，即可得到稳定性能优异的一种水基纳米液压液。本发明中纳米颗粒表面改性的机理为：在二氧化硅纳米颗粒表面嫁接3-(2,3-环氧丙氧)丙基三甲氧基硅烷，通过稳定的Si-O-Si共价键形成持续的空间位阻效应，从而使得二氧化硅纳米颗粒在纯水中可以长期均匀稳定分散；同时由于3-(2,3-环氧丙氧)丙基三甲氧基硅烷具有极性结构，由极性相容的原理，表面改性纳米颗粒可以很好地溶解于纯水中。另一方面，根据本发明的制备方法所制得的水基纳米液压液在室温下静置6个月后，没有任何沉淀从基液中析出，二氧化硅纳米颗粒均匀分散，水基纳米液压液稳定性能优异，并可以以最高10％的质量分数稳定存在于水溶液中。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

1、本发明有利地对二氧化硅纳米颗粒进行表面处理，打破其在水溶液中的团聚状态，使之成为单一分散的悬浮纳米颗粒，改良的水基纳米液压液不需要添加任何表面活性剂就可以得到非常稳定的悬浮性，解决了现有技术中水基纳米液压液稳定性差的问题。

2、本发明表面改性纳米颗粒的制备过程中，加热均质处理工艺中，温度对工艺有重大影响，温度过低或过高都将影响改性纳米颗粒的品质，因此本发明有利地将温度设定为67~74℃。对于搅拌时间是一个参考量，可在数小时和数十小时之间调节，主要根据具体的超声波发生器的功率、频率、搅拌方式来确定一个合适时间。

3、本发明所制备的水基纳米液压液中表面改性纳米颗粒的质量分数高达10%，并且长时间静置后，没有任何沉淀从液压液中析出，说明二氧化硅纳米颗粒在纯水中稳定存在。

4、本发明同时选用的3-(2,3-环氧丙氧)丙基三甲氧基硅烷具有极性结构，由极性相容的原理，改性纳米颗粒可以很好地溶解于水中（水分子为极性结构），改性纳米颗粒在乙二醇（乙二醇分子与水分子一样为极性结构）溶液中分散后也具备较好的分散性能。

附图说明

图1为不同分散方法对纳米二氧化硅水基液的透光率影响结果；

图2为不同质量分数的水基纳米液压液黏度随温度变化曲线；

图3为不同质量分数的水基纳米液压液摩擦性能试验结果；

图4为不同质量分数的水基纳米液压液磨斑直径曲线；

图5为不同质量分数的水基纳米液压液磨损量曲线；

图6为不同质量分数的水基纳米液压液温升曲线。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步的详细说明。

本发明提供一种水基纳米液压液，该水基纳米液压液主要包括表面改性的二氧化硅纳米颗粒和水，较现有液压液，本发明提供的水基液压液分散性及稳定性非常好，不会发生团聚和沉淀现象，可以应用于液压传动系统中，并且具有良好的应用前景。

该水基纳米液压液的制备方法包括以下步骤：硅烷溶液的制备，该步骤利用3-(2,3-环氧丙氧)丙基三甲氧基硅烷与蒸馏水制备硅烷溶液，制备过程中利用稀盐酸和稀氢氧化钠调节PH，用稀盐酸先将溶液PH调节到2，PH为2的环境下有利于3-(2,3-环氧丙氧)丙基三甲氧基硅烷在水中的水解，大于2或小于2均会对3-(2,3-环氧丙氧)丙基三甲氧基硅烷的水解有一定的影响，也就是说PH为2是3-(2,3-环氧丙氧)丙基三甲氧基硅烷水解的最佳条件，随后利用稀氢氧化钠溶液将溶液PH调节到10，并强烈搅拌，搅拌速率为600~700r/min，优选为700r/min下搅拌5小时，即制备硅烷溶液，上述所制备的硅烷溶液中3-(2,3-环氧丙氧)丙基三甲氧基硅烷的质量分数为2%~2.5%。

上述步骤中，所用稀盐酸（盐酸溶液）和稀氢氧化钠（氢氧化钠溶液）的质量分数为10%。

第二步是制备纳米颗粒水溶液，该步骤中，所用纳米颗粒为粒径为30nm的二氧化硅颗粒，利用超声将二氧化硅纳米颗粒均匀分散在蒸馏水中，制备的纳米颗粒水溶液中二氧化硅的质量分数为2.3%~2.8%，为使二氧化硅高强度分散在水中，超声分散时间控制在10~12h内。

第三步是将上述制备的硅烷溶液与纳米颗粒水溶液按照质量比为1∶3.6~1∶4.2进行混合，并对混合液依次进行加热均质处理，透析处理，冷冻处理，抽吸冻干处理，制得表面改性纳米颗粒。

其中，加热均质处理是指：在67℃~74℃的环境下对溶液进行超声搅拌45~50h，该过程是对二氧化硅纳米颗粒改性的关键步骤，温度对改良工艺有重大影响，温度过低或过高都将影响改良纳米颗粒的品质，通过研究证明将温度控制在67℃~74℃是最佳的温度范围；搅拌时间是一个参考量，可在数小时和数十小时之间调节，主要根据具体的超声波发生器的功率、频率、搅拌方式而确定一个合适时间，例如采用500W、输出频率20KHz的超声波发生器，超声搅拌时间控制在45~50h。

所述透析处理是指：在室温条件下，将加热均质处理后的溶液放入到蛇皮式透析膜中用蒸馏水进行透析，每4~5h更换一次蒸馏水，透析共持续40~48h。

所述冰冻处理是指：将透析处理后的溶液置于零下5℃~零下20℃下放置，冷冻成冰块。

所述抽吸冻干处理是指：用冻干机将冰块进行在零下50℃~零下60℃，抽吸压力≤0.7Pa下抽吸制得表面改性纳米颗粒，所制得的表面改性纳米颗粒为白色膨松状。

利用上述制备方法制备出的水基纳米液压液中表面改性纳米颗粒的质量分数为0.5%~10%。

实施例1

第一步：将23.7g的3-(2,3-环氧丙氧)丙基三甲氧基硅烷与1000g蒸馏水混合，用HCl对溶液进行PH值滴定，直至PH值为2，室温下在650r/min搅拌5小时，然后用NaOH溶液将溶液PH值调节至10；

第二步：将25.7g二氧化硅纳米颗粒与1000g蒸馏水混合，超声分散10小时，制成纳米颗粒水溶液；

第三步：将第一步制备的硅烷溶液滴加到第二步制备的纳米颗粒水溶液中并对混合液进行加热均质处理，然后依次进行透析处理，冷冻处理，抽吸冻干处理，制得表面改性纳米颗粒，其中硅烷溶液与纳米颗粒水溶液的质量比1∶4；

其中，加热均质处理是在69℃的环境下对溶液进行超声搅拌48小时，透析处理是在室温条件下，将加热均质处理后的溶液放入到蛇皮式透析膜中用蒸馏水进行透析，每4小时更换一次蒸馏水，透析共持续42小时，冰冻处理是将透析处理后的溶液置于零下10℃下放置，冷冻成冰块，抽吸冻干处理是用冻干机将冰块进行在零下50℃，抽吸压力在0.6Pa下抽吸制得白色蓬松状的表面改性纳米颗粒；

第四步：将第三步制得的表面改性纳米颗粒分散到纯水中，并在40℃下静置10小时，制得水基纳米液压液，其中，表面改性纳米颗粒的质量分数为2%。

实施例2

第一步：将25g的3-(2,3-环氧丙氧)丙基三甲氧基硅烷与1000g蒸馏水混合，用HCl对溶液进行PH值滴定，直至PH值为2，室温下在700r/min搅拌5小时，然后用NaOH溶液将溶液PH值调节至10；

第二步：将27g二氧化硅纳米颗粒与1000g蒸馏水混合，超声分散10小时，制成纳米颗粒水溶液；

第三步：将第一步制备的硅烷溶液滴加到第二步制备的纳米颗粒水溶液中并对混合液进行加热均质处理，然后依次进行透析处理，冷冻处理，抽吸冻干处理，制得表面改性纳米颗粒，其中硅烷溶液与纳米颗粒水溶液的质量比1∶3.8；

其中，加热均质处理是在72℃的环境下对溶液进行超声搅拌45小时，透析处理是在室温条件下，将加热均质处理后的溶液放入到蛇皮式透析膜中用蒸馏水进行透析，每4.5小时更换一次蒸馏水，透析共持续40小时，冰冻处理是将透析处理后的溶液置于零下15℃下放置，冷冻成冰块，抽吸冻干处理是用冻干机将冰块进行在零下55℃，抽吸压力在0.7Pa下抽吸制得白色蓬松状的表面改性纳米颗粒；

第四步：将第三步制得的表面改性纳米颗粒分散到蒸馏水中，并在45℃下静置11小时，制得水基纳米液压液，其中，表面改性纳米颗粒的质量分数为3%。

利用实施例2所制得的水基纳米液压液的分散试验采用了超声波分散法、加热分散法、化学分散法，及其二者或三者的复合分散方法。化学分散、加热分散及超声分散均对纳米二氧化硅水基液的透光率有较大影响。试验结果如附图1所示，其中，同时采用这三种分散方法时，透光率随时间变化最小，说明同时采用这三种分散方法的水基纳米液压液的分散稳定性最好。

利用本发明的制备方法制备出表面改性纳米颗粒的质量分数为0%、0.6%、1.2%、1.8%、2.4%、3.0%、3.6%、4.2%的水基纳米液压液，并进行以下测试。

选用0%、0.6%、1.2%、1.8%、2.4%、3.0%、3.6%、4.2%的水基纳米液压液进行黏度试验采用旋转式黏度计测量方法，试验结果如附图2所示。针对不同质量分数的水基纳米液压液，一方面，随着温度升高，水基纳米液压液的黏度有明显下降趋势；另一方面，当温度越高时，纳米颗粒浓度对纯水基纳米液压液黏度的影响越小。

选用0%、0.6%、1.2%、1.8%、2.4%、3.0%水基纳米液压液的摩擦磨损特性采用四球摩擦试验。线接触摩擦试验使用AW-3D型抗磨试验机。试验结果如附图3所示，质量分数为0.6%时，摩擦系数相对于纯水基础液降幅约为14.5%；随着质量分数增大，摩擦系数降幅持续减小，2.4%的摩擦系数约为0.077。但是，随着质量分数继续增大，摩擦系数不降反升，3.0%的摩擦系数约为0.084，与质量分数为1.2%、2.4%的摩擦系数相比，分别高出2.5%、9%，试验中的2.4%的水基纳米液压液性能最佳。

选用0%、0.6%、1.2%、1.8%、2.4%、3.0%水基纳米液压液的磨斑观察和直径测试采用J15型光学显微镜。试验结果如附图4所示，0%、0.6%、1.2%、1.8%、2.4%及3.0%的水基纳米液压液的磨斑直径分别为1023µm、882µm、826µm、754µm、584µm及787µm。在各组试验中，2.4%的水基纳米液压液摩擦试样磨斑直径最小，相比于纯水基础液的降幅为42.9%，抗磨效果最好；其余摩擦试样在不同纳米颗粒质量分数时的磨斑直径都比纯水基础液的磨斑直径小，但高于2.4%水基纳米液压液的磨斑试样的直径，均表现出了一定的抗磨效果。

选用0%、0.6%、1.2%、1.8%、2.4%、3.0%水基纳米液压液分别进行抗磨试验，不同质量分数的水基纳米液压液磨损量和温升曲线分别如附图5和6所示。未含二氧化硅纳米颗粒的纯水基础液在摩擦过程中的温升最快，10分钟后温度稳定在75℃左右；2.4%的纯水基纳米液压液的温升最慢，15分钟左右温度稳定在64℃附近，可见2.4%的水基纳米液压液的润滑效果最好，其余质量分数的纳米润滑液的温升介于这二者之间。

本发明制得的水基纳米液压液可以应用在以下方向：

1、工业液压系统

适用于各类机床的轴承箱、齿轮箱、低压循环系统或类似机械设备循环系统的润滑；也适用于重负荷、中压、高压的叶片泵、柱塞泵和齿轮泵的液压系统。

2、移动液压传动系统

适用于中压、高压工程机械、引进设备和车辆的液压系统，如电脑数控机床、隧道掘进机、履带式起重机、液压反铲挖掘机和采煤机等的液压系统。

3、船用液压系统

适用于船舶起重机等船舶液压系统。

在以上应用方向，这种基于颗粒表面处理的水基纳米液压液主要作为液压传动过程中的工作介质替代液压油适用于液压传动系统中。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims

1.一种基于颗粒表面处理的水基纳米液压液的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种基于颗粒表面处理的水基纳米液压液的制备方法，其特征在于，所述步骤（1）中制备的硅烷溶液中3-(2,3-环氧丙氧)丙基三甲氧基硅烷的质量分数为2%~2.5%。

3.根据权利要求1所述的一种基于颗粒表面处理的水基纳米液压液的制备方法，其特征在于，所述步骤（1）中在600~700r/min下搅拌。

4.根据权利要求1所述的一种基于颗粒表面处理的水基纳米液压液的制备方法，其特征在于，所述步骤（2）中制备的纳米颗粒水溶液中二氧化硅纳米颗粒的质量分数为2.3%~2.8%。

5.根据权利要求1所述的一种基于颗粒表面处理的水基纳米液压液的制备方法，其特征在于，所述步骤（2）中超声分散时间为10~12h。

6.根据权利要求1所述的一种基于颗粒表面处理的水基纳米液压液的制备方法，其特征在于，所述步骤（3）中硅烷溶液与纳米颗粒水溶液质量比为1∶3.6~1∶4.2。

7.根据权利要求1所述的一种基于颗粒表面处理的水基纳米液压液的制备方法，其特征在于，所述步骤（3）中加热均质处理是指：在67℃~74℃的环境下对溶液进行超声搅拌45~50h；

8.一种根据权利要求1~7任一项所述的制备方法制备出的基于颗粒表面处理的水基纳米液压液。

9.根据权利要求8所述的一种基于颗粒表面处理的水基纳米液压液，其特征在于，所述水基纳米液压液中表面改性纳米颗粒的质量分数为0.5%~10%。

10.根据权利要求9所述的基于颗粒表面处理的水基纳米液压液可作为液压系统中的液压液应用。