CN108602670A - 水基纳米颗粒分散体 - Google Patents

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Abstract

一种包括润滑纳米颗粒的水基分散体。可以通过处于具有水基底的分散体中的至少一种金属硫族化物的插层纳米颗粒提供润滑纳米颗粒。至少一种插层纳米颗粒可以具有以下几何形状：富勒烯样、管样结构或基本球形，或者插层纳米颗粒可以包括具有上述几何形状中的每一种的颗粒。用水溶性且包含极性官能团的分散剂表面处理插层纳米颗粒。

Description

水基纳米颗粒分散体
相关申请的交叉引用
本申请主张2016年1月5日提交的标题是“水基纳米颗粒分散体”的美国临时专利申请号62/274,933的权益，其以全部内容作为参考并入本文。
技术领域
本发明公开涉及在应用如金属加工、液压油等中使用的水基(基于水的，waterbased)纳米颗粒分散体，并且在一些实施方式中，涉及水基或水溶性(完全或部分)润滑剂。
背景技术
金属加工液(MWF)是当金属加工件在机械加工、研磨、磨铣等时，用于使其冷却和/或润滑的一系列油剂及其它液体的名称。MWF降低切割工具和加工件之间的热和摩擦，并且有助于防止灼烧和冒烟。应用MWF还通过从正在使用的工具以及加工件表面连续除去粉末、细屑和切屑(切屑是通过切割工具从加工件上除去的小块金属)有助于改善加工件的质量。
发明内容
在一个实施方式中，提供了水基纳米颗粒分散体，其包括水基底(基础水，水基，water base)和分散体中金属硫族化物的至少一种插层(嵌入，夹杂，夹层，intercalation)纳米颗粒。用至少一种完全或部分可溶于水并且包含极性官能团的分散剂表面处理该插层纳米颗粒。该插层纳米颗粒可以具有以下几何形状：薄片形几何形状、球形几何形状、类球形几何形状、多层富勒烯样(fullerene-like)几何形状、管样(类管形，tubular-like)几何形状或它们的组合。
在一些实施方式中，金属硫族化物插层纳米颗粒由具有分子式MX的金属硫族化物组成，其中M是金属元素，其选自由以下组成的组：钛(Ti)、钒(V)、铬(Cr)、锰(Mn)、铁(Fe)、钴(Co)、镍(Ni)、铜(Cu)、锌(Zn)、锆(Zr)、铌(Nb)、钼(Mo)、锝(Tc)、钌(Ru)、铑(Rh)、钯(Pd)、银(Ag)、镉(Cd)、铪(Hf)、钽(Ta)、钨(W)、铼(Re)、锇(Os)、铱(Ir)、铂(Pt)、金(Au)、汞(Hg)以及它们的组合，并且X是硫族元素，其选自由以下组成的组：硫(S)、硒(Se)、碲(Te)、氧(O)以及它们的组合。金属硫族插层化合物的一些实例可以包括二硫化钨(WS2)和二硫化钼(MoS2)。该插层化合物以大于0.1wt％的量存在于所述分散体中。
在一些实施方式中，将多层富勒烯样纳米结构或类球样纳米结构的外层官能化的分散剂/表面活性剂是乙氧基化磷酸酯，如聚氧乙烯壬基苯基醚磷酸酯、聚乙二醇支化壬基苯基醚磷酸酯、聚氧乙烯磷酸三癸酯、复合磷酸烷基酯(complex alkyl phosphate ester)或它们的组合。在另一个实施方式中，将多层富勒烯样纳米结构或类球形几何形状纳米颗粒的外层官能化的分散剂/表面活性剂是异丙醇胺，如二异丙醇胺、三异丙醇胺、一异丙醇胺以及它们的组合。在另一个实施方式中，将多层富勒烯样纳米结构或类球形几何形状纳米颗粒的外层官能化的分散剂/表面活性剂是烷基烷醇胺化合物，如二甲基乙醇胺、N-甲基二乙醇胺、单甲基乙醇胺、丁基乙醇胺、氨基甲基丙醇、双(羟乙基)甲胺、N,N-二甲基-2-(2-氨基乙氧基)乙醇以及它们的组合。在另一个实施方式中，将多层富勒烯样纳米结构或类球形几何形状纳米颗粒的外层官能化的分散剂/表面活性剂是乙醇胺，如单乙醇胺、二乙醇胺、三乙醇胺以及它们的组合。
还可以用分散剂官能化富勒烯样纳米结构，该分散剂包括硫醇和有机酸的极性基团，如11-巯基十一酸、有机聚硅氧烷、油酸钠皂、油酸三乙醇胺(triethanolamineoleate)、脂肪醇聚乙二醇醚、聚乙二醇辛基苯醚、二醇如5-癸炔-4,7-二醇、2,4,7,9-四甲基。表面活性剂可以是离子、阴离子、阳离子的和/或非离子的共聚物、聚合物、单体以及它们的组合。
在一些实施方式中，可以将工业润滑剂用作金属加工液、冷却液、钻探泥浆、齿轮油(吸湿性)、液压油(吸湿性)、涡轮机油(吸湿性)、灭火液、半导体材料或它们的组合。
在另一个方面，本发明公开提供了使用如上所述的工作流体的金属加工方法。该金属加工方法可以包括提供金属基板(衬底，基片，基底，substrate)，并向金属基板施加工业润滑油。工业润滑剂组合物可以包括水基底和分散体中至少一种金属硫族化物的插层化合物，其中用至少部分可溶于水并且包括极性官能团的分散剂表面处理该插层化合物。金属基板可以是用于车削螺纹的预制毛坯形、金属片材、金属板材或它们的组合。插层化合物可以具有多层富勒烯样几何形状、管样几何形状、球形几何形状、类球形几何形状或它们的组合。在将工业润滑剂施加于金属基板后，金属基板可以被加工。加工可以包括切割、切屑、灼烧、钻凿、镟屑(turning)、磨铣(milling)、研磨、锯割、车削螺纹、锉(filing)、拉拽、成形、切槽、模冲、平刨(planning)、开槽口(rabbeting)、打槽(routing)、钻孔(broaching)或它们的组合。
在另一个方面，包括金属硫族化物的至少一种插层纳米颗粒的水基分散体的生产方法。该插层纳米颗粒可以具有以下几何形状：薄片形几何形状、球形几何形状、类球形几何形状、多层富勒烯样几何形状、管样几何形状或它们的组合。在一些实施方式中，形成分散体可以包括将分散剂与水基底混合，其中该分散剂是至少部分可溶于水的并且包括极性官能团。然后，将具有富勒烯样几何形状、管样几何形状、球形几何形状、近球形几何形状或它们的组合的金属硫族化物的插层纳米颗粒加入水基底和分散剂的混合物中，并混合以使得分散剂与插层纳米颗粒的外层反应并将其包封从而提供具有表面电荷的插层纳米颗粒，该表面电荷在相邻颗粒之间产生斥力并且维持基本消除分散体中插层纳米颗粒的聚集的颗粒间距离。
附图说明
结合附图将更好地理解通过实例方式提供并且不意欲将本发明公开仅限于此的以下详细说明，其中类似的参考编号表示类似的元件和部件，其中：
图1是显示根据本发明公开的一个实施方式，用于形成金属硫族插层化合物的一些实例，如富勒烯样纳米颗粒的化学反应器的一个实施方式的示意图。
图2是根据本发明公开的一个实施方式，具有分子式MX2和球形富勒烯样几何形状的金属硫族插层化合物的透射电子显微镜(TEM)图像。
图3是根据本发明公开的一个实施方式，富勒烯样MoS2纳米颗粒的化学结构的图示。
图4是根据本发明公开的一个实施方式，具有分子式MX2和管样几何形状的金属硫族插层化合物的透射电子显微镜(TEM)图像。
图5是根据本发明公开的一个实施方式，具有分子式MX2和富勒烯样几何形状的金属硫族插层化合物的透射电子显微镜(TME)图像，其中多层富勒烯样几何形状的外层具有纳米颗粒尺寸并且包含至少一个截面部分(sectioned portion)，其中该截面部分可以沿远离纳米颗粒曲率的方向延伸。
图6是根据本发明公开的一个实施方式，具有分子式MX2和薄片样几何形状的金属硫族化物的透射电子显微镜(TEM)图像。
图7是根据本发明公开的一个实施方式，显示具有富勒烯样几何形状的金属硫族化物的插层纳米颗粒的图示，其中分散剂与插层纳米颗粒的外层反应并将其包封，从而提供具有表面电荷的插层纳米颗粒，该表面电荷具有基本消除分散体中插层纳米颗粒聚集的斥力。
图8是根据本发明公开的一个实施方式，显示通过插层化合物的滚动作用同时与正在润滑的两个表面接触的插层化合物的示图。
图9是根据本发明公开的另一个实施方式，显示通过插层化合物的滚动作用同时与正在润滑的两个表面接触的插层化合物的示图。
图10是根据本发明公开的一个实施方式，显示粘附至正在被插层化合物润滑的表面的插层化合物的层的示图。
图11是根据本发明公开的一个实施方式，用于将工业润滑剂施加至金属加工装置的系统的示意图。
图12是根据本发明公开的一个实施方式，水基润滑剂组合物的四球极端压力(EP)烧结(熔接，weld)表现的图。
图13是根据本发明公开的一个实施方式，水基润滑剂组合物的摩擦系数(CoF)的图。
图14是根据本发明公开的一个实施方式，水基润滑剂组合物的四球磨损表现的图。
图15是根据本发明公开的一个实施方式，水基润滑剂组合物的V型块上Falex销测试的图。
具体实施方式
在此描述了本发明公开的详细实施方式；然而，应理解所公开的实施方式仅是可以以多种形式体现的本发明公开的组合物、结构和方法的说明。另外，结合多个实施方式所提供的每个实施例旨在是说明性的，而不是限制性的。另外，附图不必需是按比例的，一些特征可能会放大以显示特定部分的细节。因此，本文所公开的特定结构和功能细节不应理解为限制性的，而仅是作为教导本领域技术人员不同地使用本文所公开的组合物、结构和方法的代表性基础。在说明书中对“一个实施方式”、“实施方式”、“实例实施方式”等的提及表示该实施方式可以包括特定特征、结构或特性，但是每个实施方式可以不必需包括特定特征、结构或特性。此外，这些短语不必须表示相同的实施方式。
在一个实施方式中，提供了工业润滑剂组合物，其包括水基底和分散体中的至少一种金属硫族化物的插层纳米颗粒，其中插层纳米颗粒用至少部分水溶性的分散剂表面处理，该分散剂在一些实施方式中是完全水溶性的并且包括极性官能团。插层纳米颗粒可以具有以下几何形状：薄片形几何形状、球形几何形状、类球形几何形状、多层富勒烯样几何形状、管样几何形状或它们的组合。
水基分散体的插层纳米颗粒具有至少一些润滑性能。例如，工业润滑剂可以适合于金属加工液、钻探泥浆、齿轮油(吸湿性)、液压油(吸湿性)、涡轮机油(吸湿性)、机械油(吸湿性)、轻质机械油(吸湿性)以及它们的组合。在一些实施方式中，本文所公开的组合物还可以适合于冷却液和半导体材料。
本文所公开的工业润滑剂组合物是水基的。如本文所使用的术语“水基”表示润滑剂组合物包含水作为介质/溶剂。例如，水可以是本文所公开的工业润滑剂组合物的主要成分。在一些实施方式中，该组合物可以包含大于50wt.％的水。在其它实施方式中，该组合物可以包含大于75wt.％的水。在其它实施方式中，本发明公开的组合物可以包含大于90wt.％的水。在一些实例中，本文所公开的水基润滑剂组合物的水组分可以等于90wt.％、91wt.％、92wt.％、93wt.％、94wt.％、95wt.％、95.25wt.％、95.5wt.％、95.75wt.％、96wt.％、96.25wt.％、96.5wt.％、96.75wt.％、97wt.％、97.25wt.％、97.5wt.％、97.75wt.％、98wt.％、98.25wt.％、98.5wt.％、98.75wt.％、99wt.％、99.25wt.％、99.50wt.％.、99.75wt.％、99.8wt.％、99.85wt.％、99.875wt.％和99.9wt.％，以及上述值之间的任何值，以及包含通过任何以上实例所提供的上限值和最大限度值的任何范围。
在一些实施方式中，工业润滑剂是胶体分散体，它是由分散相和分散介质(媒介，medium)组成的非均相系统。在本发明公开的胶体分散体中，一种物质作为纳米级颗粒，即金属硫族化物的插层纳米颗粒分散在称为分散介质的另一种物质，即水基液体介质中。
在一些实施方式中，工业润滑剂已与插层纳米颗粒表面上的分散剂反应，其中表面反应的插层纳米颗粒的尾部可以是亲水性的。本文所公开的工业润滑剂包含与纳米级颗粒，即金属硫族化物的插层纳米颗粒反应的分散剂，从而产生相对于相邻纳米颗粒，即相邻的金属硫族化物的插层纳米颗粒用作斥力的表面电荷。例如，分散剂可以用作表面活性剂以调节分散的纳米级颗粒，即金属硫族化物的插层纳米颗粒的外层的电荷。例如，分散剂可以在金属硫族化物的插层纳米颗粒，例如，二硫化钨WS2富勒烯样层状纳米颗粒的外表面层上产生负电荷。如果每个纳米级颗粒，即金属硫族化物的插层纳米颗粒具有相同的静电电荷，则纳米级颗粒，即金属硫族化物的插层纳米颗粒将彼此排斥。该斥力通过阻碍聚集来维持纳米颗粒在溶液中的分散，从而将分散的纳米级颗粒，即分散的金属硫族化物的插层纳米颗粒维持在纳米级尺寸。
插层纳米颗粒可以由具有分子式MX的金属硫族化物组成，其中M是金属元素，其选自由以下组成的组：钛(Ti)、钒(V)、铬(Cr)、锰(Mn)、铁(Fe)、钴(Co)、镍(Ni)、铜(Cu)、锌(Zn)、锆(Zr)、铌(Nb)、钼(Mo)、锝(Tc)、钌(Ru)、铑(Rh)、钯(Pd)、银(Ag)、镉(Cd)、铪(Hf)、钽(Ta)、钨(W)、铼(Re)、锇(Os)、铱(Ir)、铂(Pt)、金(Au)、汞(Hg)以及它们的组合，并且X是硫族元素，其选自由以下组成的组：硫(S)、硒(Se)、碲(Te)、氧(O)以及它们的组合。插层纳米颗粒通常具有富勒烯样或管样几何形状或者球形/近球形几何形状，但是还可以具有薄片样几何形状。插层纳米颗粒可以具有以下几何形状：薄片形几何形状、球形几何形状、类球形几何形状、多层富勒烯样几何形状、管样几何形状或它们的组合。金属硫族化物插层纳米颗粒的一些实例可以包括二硫化钨(WS2)和二硫化钼(MoS2)。
如本文所使用的，术语“富勒烯样”表示基本球形几何形状。在一些情况下，富勒烯样结构可以是完美球形，即具有球形形式。本文所提供的金属硫族化物富勒烯样结构的球形性质不同于可以是长方形、椭圆形(例如，开口椭圆形)、足球形、柱形、板样性状或任何不规则形状颗粒的金属硫族化物纳米结构，该不规则形状颗粒偏离球形，这通常是由物理减小颗粒尺寸的方法，如将颗粒从大颗粒和微米级磨铣至纳米级所造成的。或者，将颗粒从较大纳米级尺寸磨铣至较小纳米级尺寸。
通过本发明公开所提供的金属硫族化物组分富勒烯样结构的球形性质是由使用化学法在纳米尺寸范围内合成所得到的。例如，无机富勒烯样二硫化钼(IF-MoS2)的合成可以基于无定形MO3，例如，MO3薄膜在升高的温度(例如，约850℃)下在还原气氛中的硫化。注意到还可以使用在高于650℃发生的高温法合成金属硫族化物IF，如IF-MoS2。这些方法通常包括如从气相生长的这些技术，例如，其中载体中的H2S接触汽相中的MoO3，如图1所示的装置中所使用的。可以与图1所示装置一致的方法的一个实施方式包括置于可以加热至约780℃的温度的反应器(a)内部部分中的MoO3粉剂的使用。可以形成分子簇(MoO3)3并通过N2气体携带下降穿过反应器。氢气从外部反应器(b)扩散通过喷嘴(c)并开始与分子簇反应。温和的还原条件获得还原的MoO3簇，其不太挥发并且在(a)的下部形成MoO3纳米尺寸颗粒。在硫化步骤之前，低价氧化物纳米颗粒达到小于5nm的尺寸。通过反应器(a)之外的载气吹扫涂覆的氧化物纳米颗粒。由于纳米颗粒表面钝化，因此它们落在陶瓷过滤器(d)上，并且氧化物-向-硫化物的转化在核心内继续而不会发生纳米颗粒的团聚。气相反应器合成法产生纯IF-MoS2相，并且可以控制纳米颗粒的尺寸和形状。在其它实施方式中，可以通过氧化钨纳米颗粒在流化床反应器中在还原气氛中硫化产生具有金属硫族化物组分，例如，WS2和富勒烯样几何形状和/或管样几何形状的无机材料。
还可以根据在美国专利申请公开号2006/0120947、美国专利号7,524,481、美国专利号6,217,843、美国专利号7,641,869、美国专利申请公开号2010/0172823、美国专利号6,710,020、美国专利号6,841,142、美国专利号7,018,606、美国专利号8,513,364、美国专利号8,329,138、美国专利号7,959,891、美国专利号7,018,606、美国专利申请公开号2013/0109601、美国专利申请公开号2010/0227782和美国专利号7,641,886中所公开的方法中的至少一种形成具有金属硫族化物组分和富勒烯样几何形状和/或管样几何形状的无机材料，即插层纳米颗粒，以上专利各自以其全部内容并入本文。使用以上所提供的描述范围内的方法形成的具有金属硫族化物组分和富勒烯样几何形状和/或管样几何形状的无机材料，即插层纳米颗粒可以具有非常小的粒径分布。注意到上述专利中所公开的方法仅是适合于形成具有金属硫族化物组分和富勒烯样和/或管样几何形状和/或球形和类球形几何形状的无机材料的方法的一些实例。任何方法可以用于形成上述具有金属硫族化物组分的无机材料，只要所形成的化合物具有富勒烯样和/或管样几何形状。
注意到插层纳米颗粒具有至少一个尺度处于纳米级范围，这是术语“纳米颗粒”所表示的内容。例如，当插层纳米颗粒具有球形几何形状时，它们的直径可以是纳米级的。在其中插层纳米颗粒不是球形的其它实例中，例如，纳米管，在一个尺寸处于纳米级的同时，允许至少第二尺度是大于纳米级的。例如，术语“纳米级”表示小于250nm。大于250nm的尺寸可以称为具有“亚微米级”。在一些实施方式中，插层纳米颗粒的纳米级尺寸小于100nm。例如，在一些实施方式中，插层纳米颗粒的纳米级尺寸可以等于1nm、2nm、5nm、10nm、15nm、20nm、25nm、30nm、35nm、40nm、45nm、50nm、55nm、60nm、65nm、70nm、75nm、80nm、85nm、97nm、99nm和100nm，以及上述值之间的任何值，以及包含通过任何以上实例所提供的上限值和最大限度值的任何范围。注意到这些尺寸适合于描述如水基分散体中所存在的插层纳米颗粒。如上所述，应用于插层纳米颗粒的分散剂产生阻碍聚集的表面电荷。
在图2和图3中显示了在以上已描述的气相反应器中产生的无机富勒烯(IF)纳米颗粒，即插层纳米颗粒的特征图像。图2显示根据本发明，富勒烯样结构的一个实施方式可以是完美的球形。图3是富勒烯样MoS2纳米颗粒的化学结构的图示，它是通过黑色圆圈所表示的钼和通过白色圆圈所表示的硫的笼样球形几何形状。图3显示具有笼形基本球形结构的无机金属硫族化物，即插层纳米颗粒类似于显示富勒烯样布置的碳60的笼形结构。如以上所讨论的，金属硫族化物，即插层纳米颗粒的富勒烯样结构可以是完美的球形。通过本发明公开所获得的颗粒可以具有比使用本文所公开的那些以外的方法所获得的那些更完美的球形。根据本发明公开的一些实施方式，这基于以下事实：反应在气相中发生，其中反应的各向同性环境占主导。因此，当在气流中流动时，大得多的氧化物纳米颗粒可以转化为无机富勒烯。
对于插层纳米颗粒的一些实施方式，富勒烯样几何形状的核心可以是中空、实心、无定形的或中空、实心、无定形部分的组合。富勒烯样几何形状还可以称为具有笼形几何形状。在一个实例中，具有金属硫族化物组分和富勒烯样几何形状的无机材料可以是在其核心中空且在其外周成层状的笼形几何形状。在另一个实例中，具有金属硫族化物组分和富勒烯样几何形状的无机材料可以是在其核心为实心且在其外周成层状的笼形几何形状。例如，具有金属硫族化物组分和富勒烯样几何形状的无机材料可以是单层或双层结构。具有金属硫族化物组分和富勒烯样几何形状的无机材料不仅限于单层或双层结构，这是因为无机材料可以具有许多层。例如，金属硫族化物组分，即插层纳米颗粒可以成层以包括可以从颗粒剥离的5层至100层金属硫族化物材料。在另一个实施方式中，金属硫族化物组分可以成层以包括可以从颗粒剥离的10层至50层金属硫族化物材料。在另一个实施方式中，金属硫族化物组分可以成层以包括可以从颗粒剥离的15层至20层金属硫族化物材料。这些结构在本领域中还称为“嵌套层结构(nested layer structures)”。
图2-图3中显示了具有金属硫族化物组分和富勒烯样几何形状的无机材料的一个实例。图2显示了具有二硫化钨(WS2)组分和富勒烯样几何形状的无机材料的透射电子显微镜(TEM)图像。在另一个实例中，具有金属硫族化物组分和无机富勒烯样几何形状的无机材料由二硫化钼(MoS2)组成。注意到具有图2所示的富勒烯样几何形状的无机材料不仅限于二硫化钨(WS2)和二硫化钼(MoS2)。具有金属硫族化物组分并且具有富勒烯样几何形状的无机材料可以具有满足式MX2的任何无机组成，其中M是金属元素，其选自由以下组成的组：钛(Ti)、钒(V)、铬(Cr)、锰(Mn)、铁(Fe)、钴(Co)、镍(Ni)、铜(Cu)、锌(Zn)、锆(Zr)、铌(Nb)、钼(Mo)、锝(Tc)、钌(Ru)、铑(Rh)、钯(Pd)、银(Ag)、镉(Cd)、铪(Hf)、钽(Ta)、钨(W)、铼(Re)、锇(Os)、铱(Ir)、铂(Pt)、金(Au)、汞(Hg)以及它们的组合，并且X是硫族元素，其选自由以下组成的组：硫(S)、硒(Se)、碲(Te)、氧(O)以及它们的组合。
可以提供插层纳米颗粒的具有金属硫族化物组分和富勒烯样几何形状的无机材料可以具有范围在1nm至15微米的直径。在另一个实施方式中，具有金属硫族化物组分和富勒烯样几何形状的无机材料可以具有范围在2nm至10微米的直径。在另一个实施方式中，具有金属硫族化物组分和富勒烯样几何形状的无机材料可以具有范围在5nm至5微米的直径。具有金属硫族化物组分和富勒烯样几何形状的无机材料可以具有作为以上范围内任何值的直径。注意到仅出于说明性目的提供了以上尺寸，并且它们不意欲限制本发明公开。在一些实施方式中，大部分纳米颗粒将具有20nm至500nm范围内的直径，并且更通常地，将具有30nm至200nm之间的直径。在一个实例中，具有金属硫族化物组分和富勒烯样几何形状的无机材料可以具有范围在5nm至999nm的直径。
通过具有金属硫族化物组分的无机材料所提供的涂层组分还可以具有管样几何形状。如本文所使用的，术语“管样几何形状”表示柱或圆柱形几何形状，其中插层化合物的一个轴。在一些实施方式中，具有金属硫族化物组分和管样几何形状的无机材料可以是在其核心中空且在其外周成层状的笼形几何形状。在其它实施方式中，具有金属硫族化物组分和管样几何形状的无机材料可以是在其核心为实心和/或在其核心为无定形且在其外周成层状的笼形几何形状。例如，具有金属硫族化物组分和管样几何形状的无机材料可以是单层或双层结构。这些结构在本领域中还称为“嵌套层结构”。具有金属硫族化物组分和管样几何形状的无机材料中层的数目可以类似于具有金属硫族化物组分和富勒烯样几何形状的无机材料中层的数目。在一些实例中，具有管样几何形状的无机材料的最小层数为约2层。
图4中显示了具有金属硫族化物组分和管样几何形状的无机材料的一个实例。图4显示了具有二硫化钨(WS2)组分和无机管样几何形状的插层化合物的透射电子显微镜(TEM)图像。在另一个实例中，具有金属硫族化物组分和管样几何形状的无机材料由二硫化钼(MoS2)组成。注意到图4所示的具有金属硫族化物组分和管样几何形状的无机材料不仅限于二硫化钨(WS2)和二硫化钼(MoS2)。具有管样几何形状的无机材料可以具有满足式MX2的任何无机组成，其中M是金属元素，其选自由以下组成的组：钛(Ti)、钒(V)、铬(Cr)、锰(Mn)、铁(Fe)、钴(Co)、镍(Ni)、铜(Cu)、锌(Zn)、锆(Zr)、铌(Nb)、钼(Mo)、锝(Tc)、钌(Ru)、铑(Rh)、钯(Pd)、银(Ag)、镉(Cd)、铪(Hf)、钽(Ta)、钨(W)、铼(Re)、锇(Os)、铱(Ir)、铂(Pt)、金(Au)、汞(Hg)以及它们的组合，并且X是硫族元素，其选自由以下组成的组：硫(S)、硒(Se)、碲(Te)和氧(O)。
具有金属硫族化物组分和管样几何形状的无机材料，即插层纳米颗粒可以具有范围在1nm至300nm的直径，即垂直于管样几何形状最长轴的距离。在另一个实施方式中，具有金属硫族化物组分和管样几何形状的无机材料可以具有范围在5nm至125nm的直径。在另一个实施方式中，具有金属硫族化物组分和管样几何形状的无机材料具有范围在10nm至100nm的直径。具有金属硫族化物组分和管样几何形状的无机材料可以具有范围在1nm至20cm的长度，即管样几何形状的最长轴。在另一个实施方式中，具有金属硫族化物组分和管样几何形状的无机材料可以具有范围在5nm至15cm的长度，即管样几何形状的最长轴。在另一个实施方式中，具有金属硫族化物组分和管样几何形状的无机材料可以具有范围在100nm至10cm的长度，即管样几何形状的最长轴。具有金属硫族化物组分和管样几何形状的无机材料可以具有作为以上范围内任何值的长度或直径。注意到仅出于说明性目的提供了以上尺寸，并且它们不意欲限制本发明公开。
图5显示了具有分子式MX2和富勒烯样几何形状的金属硫族化物插层化合物，即插层纳米颗粒，其中多层富勒烯样几何形状的外层具有纳米颗粒尺寸并且包含至少一个截面部分2，其中截面部分2可以沿远离纳米颗粒曲率的方向延伸。图5显示了通过包含多个层1的多层富勒烯样纳米结构所提供的插层纳米颗粒的一个实施方式，多个层1各自包含具有分子式MX2的金属硫族化物组成，其中M是金属元素，其选自由以下组成的组：钛(Ti)、钒(V)、铬(Cr)、锰(Mn)、铁(Fe)、钴(Co)、镍(Ni)、铜(Cu)、锌(Zn)、锆(Zr)、铌(Nb)、钼(Mo)、锝(Tc)、钌(Ru)、铑(Rh)、钯(Pd)、银(Ag)、镉(Cd)、铪(Hf)、钽(Ta)、钨(W)、铼(Re)、锇(Os)、铱(Ir)、铂(Pt)、金(Au)、汞(Hg)以及它们的组合，并且X是硫族元素，其选自由以下组成的组：硫(S)、硒(Se)、碲(Te)、氧(O)以及它们的组合。图5所示结构的两种实例组成包括MoS2和WS2。多层富勒烯样结构的外层包含至少一个截面部分2。至少一个截面部分2沿远离多层富勒烯样纳米结构曲率的方向延伸。至少一个截面部分2与外层剩余的截面接合。
多层富勒烯样纳米结构，即插层纳米颗粒可以是基本球形的，并且在一些情况下可以包括完美球形的层。具有截面外层的多层富勒烯样纳米结构的核心可以是中空、实心、无定形的或中空、实心和无定形部分的组合。在一些实施方式中，沿远离多层富勒烯样纳米结构曲率的方向延伸的至少一个截面部分2沿多层富勒烯样纳米结构的曲率表面的切线方向延伸。沿远离多层富勒烯样纳米结构曲率的方向延伸的至少一个截面部分2可以沿可以接近于基本垂直于多层富勒烯样纳米结构的曲率表面的方向延伸。
具有金属硫族化物组分以及具有截面外层的富勒烯样几何形状的无机材料，即插层纳米颗粒不仅限于单层或双层结构，这是因为无机材料可以具有许多层。例如，金属硫族化物组分可以成层以包括可以从颗粒剥离的5层至100层金属硫族化物材料。在另一个实施方式中，金属硫族化物组分可以成层以包括可以从颗粒剥离的10层至50层金属硫族化物材料。在另一个实施方式中，金属硫族化物组分可以成层以包括可以从颗粒剥离的15层至20层金属硫族化物材料。这些结构在本领域中还称为“嵌套层结构”。
具有如图5所示的截面外层的具有金属硫族化物组分和富勒烯样几何形状的无机材料，即插层纳米颗粒可以具有范围在1nm至15微米的直径。在另一个实施方式中，具有金属硫族化物组分和富勒烯样几何形状的无机材料可以具有范围在2nm至10微米的直径。在另一个实施方式中，具有如图5所示的截面外层的具有金属硫族化物组分和富勒烯样几何形状的无机材料可以具有范围在5nm至5微米的直径。具有金属硫族化物组分和富勒烯样几何形状的无机材料可以具有作为以上范围内任何值的直径。注意到仅出于说明性目的提供了以上尺寸，并且它们不意欲限制本发明公开。在一些实施方式中，大部分纳米颗粒将具有10nm至500nm范围内的直径，并且更通常地，将具有30nm至200nm之间的直径。在一个实例中，具有截面外层的具有金属硫族化物组分和富勒烯样几何形状的无机材料可以具有范围在5nm至999nm的直径。
外层的截面部分可以出现在基本球形的纳米颗粒的整个外表面周围。包括多个截面部分的外层包括悬空键(悬垂键，dangled bonds)，其提供多层富勒烯样纳米结构外层的带电表面。在一个实施方式中，外层的截面部分2具有范围在多层富勒烯样纳米结构直径的1％至80％，例如，多层富勒烯样纳米结构的1％至70％的长度。
多层富勒烯样结构包括图5所示的至少一个截面部分，其可以从使用用于形成基本球形富勒烯样的上述方法形成的多层富勒烯样结构开始形成。从不包括截面外层的多层富勒烯样结构开始，施加作用力以打开外层中的截面，其将一部分外层从多层富勒烯样结构的曲率上剥离。可以使用将物理作用力施加于颗粒的任何方式施加作用力，如磨铣，例如，干磨和/或湿磨、声波处理(sonification)、超声处理以及它们的组合。时间和作用力取决于外层中优选的截面程度。
除上述富勒烯样和管样结构之外，在工业润滑剂中使用的金属硫族化物的插层纳米颗粒还可以具有薄片样几何形状。术语“薄片样”表示厚度尺寸(z-轴)显著小于宽度(x-轴)和高度尺寸(z-轴)的盘状形状。图6是具有分子式MX2和薄片样几何形状的金属硫族化物的透射电子显微镜(TEM)图像。在一些实例中，具有薄片样几何形状的金属硫族化物包含二硫化钨(WS2)和/或二硫化钼(MoS2)。注意到图6所示的具有金属硫族化物组分和板样几何形状的无机材料不仅限于二硫化钨(WS2)和二硫化钼(MoS2)。具有管样几何形状的无机材料可以具有满足式MX2的任何无机组成，其中M是金属元素，其选自由以下组成的组：钛(Ti)、钒(V)、铬(Cr)、锰(Mn)、铁(Fe)、钴(Co)、镍(Ni)、铜(Cu)、锌(Zn)、锆(Zr)、铌(Nb)、钼(Mo)、锝(Tc)、钌(Ru)、铑(Rh)、钯(Pd)、银(Ag)、镉(Cd)、铪(Hf)、钽(Ta)、钨(W)、铼(Re)、锇(Os)、铱(Ir)、铂(Pt)、金(Au)、汞(Hg)以及它们的组合，并且X是硫族元素，其选自由以下组成的组：硫(S)、硒(Se)、碲(Te)和氧(O)。在一些实例中，当插层化合物是具有薄片几何形状的纳米颗粒时，薄片可以具有范围在5nm至990nm的宽度和范围在5nm至990nm的高度。在另一个实例中，当插层化合物是微米级颗粒时，薄片几何形状可以具有范围在0.1微米至5微米的宽度，范围在0.1微米至5微米的高度并且可以具有范围在5nm至200nm的厚度。
具有多层富勒烯样结构、管样结构、球形几何形状结构、近球形几何形状结构、薄片样几何形状或它们的组合的插层纳米颗粒，例如，金属硫族化物可以以范围在组合物的0.1wt.％至5wt.％的量存在于水基工业润滑剂中。在另一个实例中，具有多层富勒烯样结构、管样结构、薄片样几何形状或它们的组合的插层纳米颗粒，例如，金属硫族化物可以以范围在组合物的0.2wt.％至1wt.％的量存在于水基工业润滑剂中。在其它实例中，具有多层富勒烯样结构、管样结构、薄片样几何形状或它们的组合的插层纳米颗粒，例如，金属硫族化物可以以等于0.1wt.％、0.2wt.％、0.3wt.％、0.4wt.％、0.5wt.％、0.6wt.％、0.7wt.％、0.8wt.％、0.9wt.％、1wt.％、1.1wt.％、1.2wt.％、1.3wt.％、1.4wt.％、1.5wt.％、1.6wt.％、1.7wt.％、1.8wt.％、1.9wt.％和2.0wt.％，以及包含通过任何以上实例所提供的上限值和最大限度值的任何范围的量存在。水基底与插层纳米颗粒，例如，多层富勒烯样结构、管样结构、薄片样几何形状或它们的组合的比值在约1:1.5至约48:1的范围内。
插层纳米颗粒通常具有已被分散剂官能化的外表面。例如，至少部分可溶于水并且包含极性官能团的分散剂提供插层纳米颗粒的表面具有产生来自任何相邻插层纳米颗粒的斥力的电荷，如图7所示。在图7中，通过参考编号10所示的插层纳米颗粒包括被具有带有极性官能团X的尾部部分的分散剂/表面活性剂官能化的外表面层。如本文所使用的，术语“极性官能团”表示对水具有亲合力并且在它们的结构中通常带电或具有极性侧基的基团。除多种亲水键，如醚(即C-O-C)、酯键(如存在将脂质结合在一起，即甘油三酯)、磷酸二酯键(核酸)、糖苷键(二糖和多糖)和肽键(多肽/蛋白)之外，可以适合于官能化插层纳米颗粒10的外层的极性官能团X的实例包括羟基、羰基、羧基、氨基、巯基、磷酸基。随着在颗粒，即插层纳米颗粒10之间产生斥力以防止聚集，表面活性剂/分散剂的尾部部分还起一些其它作用，如它有助于将插层纳米颗粒10分散和悬浮在介质，即水基底中。
适合于通过本发明公开使用的分散剂的一个实施方式包括含有乙氧基化磷酸酯的化合物。在一些实例中，提供分散剂的含有乙氧基化磷酸酯的化合物可以包括以下中的至少一种：聚氧乙烯壬基苯基醚磷酸酯、聚乙二醇支化壬基苯基醚磷酸酯、聚氧乙烯磷酸三癸酯、复合磷酸烷基酯以及它们的组合。
适合于通过本发明公开使用的分散剂的另一个实施方式包括含有异丙醇胺的化合物。在一些实例中，提供分散剂的含有异丙醇胺的化合物可以包括以下中的至少一种：二异丙醇胺、三异丙醇胺、一异丙醇胺以及它们的组合。
在另一个实施方式中，分散剂是含有烷基烷醇胺的化合物。在一些实例中，提供分散剂的含有烷基烷醇胺的化合物可以包括以下中的至少一种：二甲基乙醇胺、N-甲基二乙醇胺、单甲基乙醇胺、丁基乙醇胺、氨基甲基丙醇、双(羟乙基)甲胺、N,N-二甲基-2-(2-氨基乙氧基)乙醇以及它们的组合。
在另一个实施方式中，可以通过含有乙醇胺的化合物提供分散剂。例如，提供分散剂的含有乙醇胺的化合物可以包括单乙醇胺、二乙醇胺、三乙醇胺以及它们的组合。
注意到仅出于说明的目的提供了分散剂的以上实例，并且它们不意欲将本发明公开仅限于以上所列实例。如图7所示，可以与插层纳米颗粒10反应并且可以提供具有极性官能团X的尾部部分的其它分散剂/表面活性剂适合于通过本发明公开使用。
在一些实施方式中，水基工业润滑剂还可以包括含碳材料的分散相，如碳纳米管，例如，单壁碳纳米管(CNT)或多壁碳纳米管(SWNT)，或者石墨材料，如炭黑(CB)、石墨纤维、类金刚石(DLC)和石墨薄片。
在本发明公开的另一个方面，提供了产生水基分散体的方法，其从将分散剂/表面活性剂(如上所述)与水基底混合开始，其中分散剂是至少部分或完全水溶性的并且包括极性官能团，例如，羟基(OH-)。适合于通过该方法使用的任何上述分散剂包括分散剂，如含有乙氧基化磷酸酯的化合物、含有异丙醇胺的化合物、含有异丙醇胺的化合物、含有烷基烷醇胺的化合物、含有烷基烷醇胺的化合物、含有乙醇胺的化合物以及它们的组合。
可以将分散剂/表面活性剂以旨在加入混合物中的插层纳米颗粒，例如，无机富勒烯样和/或管样颗粒的0.1wt％至50wt.％范围内的量加入水基底中。例如，当官能化试剂是含有乙氧基化磷酸酯的化合物，如聚氧乙烯壬基苯基醚磷酸酯时，在100克液体介质，例如，水基底中，对于1克具有分子式MX2的插层纳米颗粒(无机富勒烯样和/或管样颗粒)，例如，1克富勒烯样二硫化钨(WS2)，最少的官能化试剂将是0.1g。
在以下处理步骤中，可以将具有富勒烯样几何形状、管样几何形状、球形几何形状、近球形几何形状或它们的组合的金属硫族化物的插层纳米颗粒加入水基底和分散剂的混合物以提供分散剂与插层纳米颗粒的外层的反应并将其包封以提供具有表面电荷的插层纳米颗粒，表面电荷在相邻颗粒之间产生斥力并且维持基本消除分散体中插层纳米颗粒的聚集的颗粒间距离。
注意到加入水基底和分散剂的混合物中的插层纳米颗粒开始作为具有它们一次粒径(初级粒径，primary size)的颗粒的聚集体。“聚集体”是结块的一次颗粒的组合。在一些实施方式中，具有分子式MX2的无机富勒烯样和/或管样颗粒，插层纳米颗粒的团块首先机械分解成它们的一次粒径，即结块前一次颗粒的粒径。
在插层纳米颗粒加入至水基底和分散剂的混合物中之前进行机械减小，例如，干磨，或者插层纳米颗粒的机械减小可以是在与分散剂和水基底的混合物混合后尺寸的减小，例如，通过湿磨或声波处理。以下说明描述了使用湿法的粒径减小，其中将聚集的插层纳米颗粒加入至水基底和分散剂的混合物中，然后减小粒径，例如，粒径减小至基本单个颗粒(这被称为一次粒径)。
在一些实施方式中，在将插层纳米颗粒加入至水基底和分散剂的混合物中之后，可以将混合物湿混合、磨铣和/或超声处理以将插层纳米颗粒的聚集体减小至基本上它们的一次粒径。在一些实施方式中，磨铣过程可以从粒径范围在5微米至20微米的结块开始。可以使用高剪切混合器、双辊或三辊混合器、匀浆器、球磨机、超声粉碎机以及它们的组合来减小结块的粒径。高剪切混合器将单相或成分(液体、固体、气体)分散或输送至主连续相(液体)，连续相通常将是与之不混溶的。在含有要混合的溶液的罐中或者在溶液通过的管中使用转子或叶轮以及被称为定子的固定组件或者一系列转子和定子来产生剪切力。在一些实施方式中，高剪切混合器可以是分批高剪切混合器、在线粉末诱导(powderinduction)、高剪切造粒机、超高剪切在线混合器以及它们的组合。还可以使用超声波仪减小结块的粒径。
将结块粒径减小至具有分子式MX2的无机富勒烯样和/或管样颗粒的一次粒径的其它方式包括磨碎机、搅拌器、球磨机、珠磨机、篮式砂磨机、胶体磨、高速分散器、碾磨机、缸式磨机、低速浆式混合器、变速混合器、调浆机、带式掺合器、拌泥机、诺塔混合器、辗砂机/砂磨机(sand/perl mill)、三辊破碎机、双辊破碎机、行星式混合器、慢速度混合器、高速混合器、双螺旋混合机、多轴混合器、sigma捏和机、转子-定子混合器、匀浆机/乳化器、高剪切混合器、锥形混合机、V-混合机、双锥鼓混合机、悬浮混合器以及它们的组合。混合可以在室温下或在高温下进行。
在一些实施方式中，在其中将具有分子式MX2的无机富勒烯样和/或管样颗粒团块机械分解成它们的一次粒径的磨铣步骤期间，将用于润滑剂的液体介质与具有分子式MX2的无机富勒烯样和/或管样颗粒混合。具有分子式MX2的无机富勒烯样和/或管样颗粒可以以按体积计0.1％至60％范围内的量与液体介质混合。在另一个实施方式中，具有分子式MX2的无机富勒烯样和/或管样颗粒可以以按体积计0.5％至40％范围内的量与液体介质混合。在另一个实施方式中，具有分子式MX2的无机富勒烯样和/或管样颗粒可以以按体积计0.5％至20％范围内的量与液体介质混合。
在一些实施方式中，对于富勒烯样几何形状，在磨铣步骤期间，将具有分子式MX2的插层纳米颗粒，即无机富勒烯样和/或管样颗粒的团块减小至1nm至100nm范围内的直径。在另一个实施方式中，对于富勒烯样几何形状，在磨铣步骤期间，将具有分子式MX2的插层纳米颗粒，即无机富勒烯样和/或管样颗粒的团块减小至10nm至90nm范围内的直径。在另一个实施方式中，对于富勒烯样几何形状，在磨铣步骤期间，将具有分子式MX2的无机富勒烯样和/或管样颗粒的团块减小至30nm至50nm范围内的直径。在磨铣之后，具有无机富勒烯样几何形状的无机富勒烯样和/或管样颗粒可以具有作为以上范围内任何值的直径。注意到仅出于说明性目的提供了以上尺寸，并且它们不意欲限制本发明公开。在一个实施方式中，磨铣将插层纳米颗粒减小至5nm至999nm范围的粒径。
施加至水基介质和具有分子式MX2的插层纳米颗粒，即无机富勒烯样和/或管样颗粒的混合物的表面活性剂/分散剂提供在可以在3小时至5年范围内的一段时间内不结块或沉降的插层纳米颗粒分散体。在另一个实施方式中，施加至液体介质和具有分子式MX2的无机富勒烯样和/或管样颗粒的混合物的表面活性剂/分散剂提供在可以在5小时至3年范围内的一段时间内不结块或沉降的分散体。在另一个实施方式中，施加至液体介质和具有分子式MX2的无机富勒烯样和/或管样颗粒的混合物的表面活性剂/分散剂提供在可以在24小时至1年范围内的一段时间内不结块或沉降的分散体。
参考图8-图10描述了水基工业润滑剂组合物的功能性的一些方面。图8显示了当同时接触正在被润滑的相对表面15、20时，具有分子式MX2的插层纳米颗粒10，即无机富勒烯样颗粒的一个实施方式的球形几何形状如何提供滚轴效应(滚轮效应，滚动效应，rollereffect)。更具体地，无机富勒烯样颗粒10的球形几何形状的滚动作用在被润滑的相对表面15、20之间提供低摩擦滑动。无机富勒烯样颗粒10的球形几何形状用作减摩剂，从而提高液体润滑剂的有效性。具有分子式MX2的管样颗粒的柱形状提供类似于无机富勒烯样颗粒10的球形几何形状所提供的表现的滚轴效应。
图9和图10还显示了通过包含含有具有分子式MX2的无机富勒烯样和/或管样颗粒10和官能化试剂的液体介质的润滑剂所提供的表面再修整作用。更具体地，具有分子式MX2的无机富勒烯样和/或管样颗粒10是层状结构，其中当外层接触正在被润滑的表面时，外层11从无机富勒烯样和/或管样颗粒上剥落(也称为剥离)并粘附至被润滑的表面16，如图10所示。二硫化钨(WS2)的无机富勒烯样和/或管样颗粒可以具有钨(W)和硫(S)的交替的层。二硫化钼(MoS2)的无机富勒烯样和/或管样颗粒可以具有钼(Mo)和硫(S)的交替的层。一个钼(Mo)原子夹在两个六方堆积的硫原子之间。Mo和两个S之间的键是共价的，然而每个MoS2夹心之间的键合是弱的(范德华力)。以这种方式，具有分子式MX2的无机富勒烯样和/或管样颗粒，如二硫化钼(MoS2)和二硫化钨(WS2)可以在正在被润滑的腐蚀表面上沉积金属-硫族元素(例如，金属-硫化物)层，如钼(MoS2)或钨(WS2)。因此，无机富勒烯样和/或管样颗粒可以修整腐蚀表面，即光滑粗糙和受损表面并润滑以保护不受其它磨损。在一些实施方式中，无机富勒烯样和/或管样颗粒的中空特征提供增强的耐冲击性。
参考图11，在本发明公开的另一个方面，提供了工业润滑方法，其包括提供金属基板并将工业润滑剂组合物20施加至金属基板。以上已详细描述了工业润滑剂组合物20。例如，提供包括水基底和分散体中的至少一种金属硫族化物的插层纳米颗粒的工业润滑剂组合物，其中用至少部分水溶性的并且包括极性官能团的分散剂表面处理插层化合物。插层纳米颗粒可以具有以下几何形状：薄片形几何形状、球形几何形状、多层富勒烯样几何形状、管样几何形状或它们的组合。
在一些实施方式中，在通过提供金属加工功能的机床25加工前，可以将工业润滑剂20施加于金属基板。金属基板可以是用于车削螺纹的预制毛坯形、金属片材、金属板材或它们的组合。金属基板可以包含钢、不锈钢、铝、铜、黄铜、钛、铂、铁、铸铁、镍或合金或它们的组合。
图11所示的金属工具25可以通过切割、切屑、灼烧、钻凿、镟屑、磨铣、研磨、锯割、车削螺纹、锉、拉拽、深拉、成形、切槽、模冲、平刨、开槽口、打槽、钻孔或它们的组合来加工金属基板。
工业润滑剂组合物20的施加可以包括淹没(flooding)、喷涂、浸渍、雾涂(misting)、刷涂、通过工具冷却剂系统(through-tool coolant systems)或它们的组合。在图11所示的实例中，可以使用喷涂和/或雾涂涂覆器24施加工业润滑剂组合物20。喷涂和/或雾涂涂覆器24可以连接至用于包含工业润滑剂组合物20的储罐21。泵22可以将工业润滑剂20从储罐21输送穿过至少一条管线23至喷涂和/或雾涂涂覆器24。在一些实施方式中，金属工具25可以包括用于将从金属工具和/或金属基板溢出的过量工业润滑剂，例如，溢流的工业润滑剂27返回至储罐21的返回装置26。
尽管图11中已显示了在金属加工应用中应用的工业润滑剂，但是本发明公开的工业润滑剂组合物不仅限于这种应用。例如，工业润滑剂还可以用作齿轮油、液压油、涡轮机油或它们的组合。
本文所公开的组合物和方法提供接触组件的极低磨损，工具的保护，即延长工具寿命，出色的超高压保护和加工件焊接的保护。本文所公开的组合物和方法还在金属加工应用中提供了出色的冷却和润滑以提供高质量的表面精整。在一些实施方式中，本文所公开的润滑剂组合物适合于一些金属，易于去除，快速散热，具有轻度-无臭味并且不会冒烟。另外，在一些实施方式中，本文所公开的润滑剂组合物不会对钢、铜、黄铜或铜锡合金材料或其合金染色。
在一些实例中，可以将工业润滑剂用作金属加工液、齿轮(吸湿性)油、液压(吸湿性)油、涡轮机(吸湿性)油或它们的组合。
通常就V型块上的Falex销测试(Falex Pin-on Vee block test)、四球EP LWI(极端压力负荷磨损指数)、四球烧结点、四球ISL(初始咬粘负荷)测量润滑剂的性能特征。
Falex销和V型块测试方法包括以290正负10rpm对浸没在润滑剂样品中的两个固定V型块运行旋转钢轴颈(rotating steel journal)。通过棘轮机构将负荷(磅-力)施加于V型块。持续施加不断升高的负荷直至破损(失效，failure)。所获得的破损负荷值用于区分具有低、中和高水平极端压力性质的液体。在一些实施方式中，本文所公开的工业润滑剂组合物可以赋予1800lbs或更高，并且在一些实例中至少4000lbs，优选地4150lbs的V型块上Falex销测试破损负荷。
在一些实施方式中，本文所公开的工业润滑剂组合物具有提高的极端压力水平，如使用四球测试极端压力(最大无卡咬负荷)测试所测量的。如本文所使用的，短语“四球测试极端压力(最大无卡咬负荷)”或“四球烧结点”是指旋转球卡住，然后焊在三个固定球上时的最低施加负荷(千克-力)。这表示已超过润滑剂的极端压力水平(ASTM D2783)。该测试显示了80、100、160、200、250、315、400、500、620和800的步阶水平。如本文所定义的高性能金属加工润滑剂是具有至少620kg，优选地800kg或者超过800kg(800+)的烧结点的润滑剂。
在一些实施方式中，本文所公开的工业润滑剂组合物具有改善的磨损预防性质，如使用四球磨损测试所测量的。术语“四球磨损测试”是根据ASTM D4172，在规定测试条件下，用于确定滑动接触的润滑液的相关磨损预防性质的测试方法。在一些实施方式中，根据本发明，在升高的温度(即75℃)包括以1200rpm施加于用组合物润滑的金属表面1小时的40kg负荷的4-球抗磨损测试提供了1mm或更低的值。
还使用四球摩擦系数(COF)测量表征了本文所公开的润滑剂组合物。本文所公开的水基润滑剂组合物具有0.095或更低的所测量的摩擦系数表现。例如，0.2％的IF-WS2分散体产生0.092或更低的摩擦系数表现。在另一个实例中，0.3％的IF-WS2分散体产生0.083或更低的摩擦系数表现。在另一个实例中，0.5％的IF-WS2分散体产生0.067或更低的摩擦系数表现。
注意到，例如具有多层富勒烯样结构、球形几何形状、近球形几何形状、管样结构、薄片样几何形状或它们的组合的本文所述的金属硫族化物插层纳米颗粒的添加将水的传热性质改善约20％。这使得本文所公开的水分散体组合物不但成为用于金属加工应用的优良加工液，而且还适合于冷却应用。这提供本文所公开的水分散体组合物可以在高压、高速和高温下使用。
如本文所使用的具有“优良稳定性”的润滑剂组合物是指在通常为至少一个月并且优选地至少三个月或至少六个月的持续时间段内，不会显示出任何分离迹象、颜色或透明度变化的均相组合物。
提供以下实施例以进一步描述本发明并显示由此产生的一些优势。不意欲将本发明限制于所公开的具体实施例。
实施例
根据本发明制备了工业润滑剂组合物，在下表1中列出了组合物。
表1：测试样品和表征
图12是如表1所列的水基润滑剂组合物的四球极端压力(EP)烧结表现的图。图13是如表1所列的水基润滑剂组合物的摩擦系数(CoF)图。图14是如表1所列的水基润滑剂组合物的四球磨损表现的图。图15是表1所列的水基润滑剂组合物的V型块上Falex销测试图。
还注意还分析了表1所列的0.75(0.3％IF-WS2颗粒)(“测试样品”)的水基润滑剂组合物的热传递性质。例如，对于测试，测试样品的平均导热系数(Wm-1K-1)是0.727，标准偏差是0.030。相比之下，对于测试，蒸馏水的平均导热系数(Wm-1K-1)是0.610，标准偏差是0.010。
尽管已参考其优选实施方式具体显示和描述了所请求保护的方法和结构，但是本领域技术人员将理解在不偏离本发明所请求保护的方法和结构的精神和范围的情况下，可以在其中做出形式和细节的上述及其它变化。

Claims (15)

1.一种纳米颗粒的水基分散体，包含：
水基底；和
在所述水基底中处于分散体中的至少一种金属硫族化物的插层纳米颗粒，其中至少一种插层纳米颗粒具有以下几何形状：富勒烯样、管样或基本球形，或者所述至少一种插层纳米颗粒包含富勒烯样颗粒、管样颗粒和基本球形颗粒的组合，其中用至少部分或完全水溶性的并且包括极性官能团的分散剂表面处理所述插层纳米颗粒。
2.根据权利要求1所述的水基分散体，其中所述至少一种插层纳米颗粒由具有分子式MX的金属硫族化物组成，其中M是选自由以下组成的组的金属元素：钛(Ti)、钒(V)、铬(Cr)、锰(Mn)、铁(Fe)、钴(Co)、镍(Ni)、铜(Cu)、锌(Zn)、锆(Zr)、铌(Nb)、钼(Mo)、锝(Tc)、钌(Ru)、铑(Rh)、钯(Pd)、银(Ag)、镉(Cd)、铪(Hf)、钽(Ta)、钨(W)、铼(Re)、锇(Os)、铱(Ir)、铂(Pt)、金(Au)、汞(Hg)以及它们的组合，并且X是选自由以下组成的组的硫族元素：硫(S)、硒(Se)、碲(Te)、氧(O)以及它们的组合。
3.根据权利要求1所述的水基分散体，其中所述至少一种插层纳米颗粒包括二硫化钨(WS2)和二硫化钼(MoS2)。
4.根据权利要求1所述的水基分散体，其中所述分散剂是选自由以下组成的组的乙氧基化磷酸酯：聚氧乙烯壬基苯基醚磷酸酯、聚乙二醇支化壬基苯基醚磷酸酯、聚氧乙烯磷酸三癸酯、复合磷酸烷基酯以及它们的组合。
5.根据权利要求1所述的水基分散体，其中所述分散剂是选自由以下组成的组的异丙醇胺：二异丙醇胺、三异丙醇胺、一异丙醇胺以及它们的组合。
6.根据权利要求1所述的水基分散体，其中所述分散剂是选自由以下组成的组的烷基烷醇胺：二甲基乙醇胺、N-甲基二乙醇胺、单甲基乙醇胺、丁基乙醇胺、氨基甲基丙醇、双(羟乙基)甲胺、N,N-二甲基-2-(2-氨基乙氧基)乙醇以及它们的组合。
7.根据权利要求1所述的水基分散体，其中所述分散剂包括选自由以下组成的组的乙醇胺：单乙醇胺、二乙醇胺、三乙醇胺以及它们的组合。
8.一种工业润滑方法，包括：
提供金属基板；
向所述金属基板施加工业润滑剂组合物，所述工业润滑剂包含水基底和处于具有所述水基底的分散体中的至少一种金属硫族化物的插层化合物，其中至少一种插层纳米颗粒具有以下几何形状：富勒烯样、管样结构或基本球形，或者所述至少一种插层纳米颗粒包含富勒烯样颗粒、管样颗粒和基本球形颗粒的组合，其中用至少部分水溶性的并且包括极性官能团的分散剂表面处理所述插层纳米颗粒；以及
加工所述金属基板。
9.根据权利要求8所述的方法，其中所述加工包括切割、切屑、灼烧、钻凿、镟屑、磨铣、研磨、锯割、车削螺纹、锉、拉拽、成形、切槽、模冲、平刨、开槽口、打槽、钻孔或它们的组合。
10.根据权利要求9所述的方法，其中所述至少一种插层纳米颗粒由具有分子式MX的金属硫族化物组成，其中M是选自由以下组成的组的金属元素：钛(Ti)、钒(V)、铬(Cr)、锰(Mn)、铁(Fe)、钴(Co)、镍(Ni)、铜(Cu)、锌(Zn)、锆(Zr)、铌(Nb)、钼(Mo)、锝(Tc)、钌(Ru)、铑(Rh)、钯(Pd)、银(Ag)、镉(Cd)、铪(Hf)、钽(Ta)、钨(W)、铼(Re)、锇(Os)、铱(Ir)、铂(Pt)、金(Au)、汞(Hg)以及它们的组合，并且X是选自由以下组成的组的硫族元素：硫(S)、硒(Se)、碲(Te)、氧(O)以及它们的组合。
11.根据权利要求10所述的方法，其中所述分散剂是选自由以下组成的组的乙氧基化磷酸酯：聚氧乙烯壬基苯基醚磷酸酯、聚乙二醇支化壬基苯基醚磷酸酯、聚氧乙烯磷酸三癸酯、复合磷酸烷基酯以及它们的组合，或者所述分散剂是选自由以下组成的组的异丙醇胺：二异丙醇胺、三异丙醇胺、一异丙醇胺以及它们的组合，或者所述分散剂是选自由以下组成的组的烷基烷醇胺：二甲基乙醇胺、N-甲基二乙醇胺、单甲基乙醇胺、丁基乙醇胺、氨基甲基丙醇、双(羟乙基)甲胺、N,N-二甲基-2-(2-氨基乙氧基)乙醇以及它们的组合，或者所述分散剂包括选自由以下组成的组的乙醇胺：单乙醇胺、二乙醇胺、三乙醇胺以及它们的组合。
12.一种生产水基分散体的方法，包括：
将分散剂与水基底混合，其中所述分散剂是至少部分水溶性的并且包括极性官能团；以及
将具有富勒烯样几何形状、管样几何形状或基本球形几何形状的金属硫族化物的插层纳米颗粒，或者包含富勒烯样颗粒、管样颗粒和基本球形颗粒的组合的至少一种插层纳米颗粒混合至所述水基底和所述分散剂的混合物中以提供所述分散剂与所述插层纳米颗粒的外层反应并将其包封，从而提供具有表面电荷的插层纳米颗粒，所述表面电荷具有基本消除所述分散体中所述插层纳米颗粒聚集的斥力。
13.根据权利要求12所述的方法，其中所述至少一种插层纳米颗粒由具有分子式MX的金属硫族化物组成，其中M是选自由以下组成的组的金属元素：钛(Ti)、钒(V)、铬(Cr)、锰(Mn)、铁(Fe)、钴(Co)、镍(Ni)、铜(Cu)、锌(Zn)、锆(Zr)、铌(Nb)、钼(Mo)、锝(Tc)、钌(Ru)、铑(Rh)、钯(Pd)、银(Ag)、镉(Cd)、铪(Hf)、钽(Ta)、钨(W)、铼(Re)、锇(Os)、铱(Ir)、铂(Pt)、金(Au)、汞(Hg)以及它们的组合，并且X是选自由以下组成的组的硫族元素：硫(S)、硒(Se)、碲(Te)、氧(O)以及它们的组合。
14.根据权利要求13所述的方法，其中所述分散剂是选自由以下组成的组的乙氧基化磷酸酯：聚氧乙烯壬基苯基醚磷酸酯、聚乙二醇支化壬基苯基醚磷酸酯、聚氧乙烯磷酸三癸酯、复合磷酸烷基酯以及它们的组合，或者所述分散剂是选自由以下组成的组的异丙醇胺：二异丙醇胺、三异丙醇胺、一异丙醇胺以及它们的组合，或者所述分散剂是选自由以下组成的组的烷基烷醇胺：二甲基乙醇胺、N-甲基二乙醇胺、单甲基乙醇胺、丁基乙醇胺、氨基甲基丙醇、双(羟乙基)甲胺、N,N-二甲基-2-(2-氨基乙氧基)乙醇以及它们的组合，或者所述分散剂包含选自由以下组成的组的乙醇胺：单乙醇胺、二乙醇胺、三乙醇胺以及它们的组合。
15.根据权利要求13所述的方法，其中所述插层纳米颗粒与所述水基底和所述分散剂的混合物之间的混合包括珠磨、高剪切混合、超声或高压均质。
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