CN109679724B - 润滑剂及其制备方法，以及降低流体粘度的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种润滑剂，包括润滑剂基体以及零维碳材料，所述润滑剂基体与所述零维碳材料均匀物理混合，所述润滑剂基体为液体，所述润滑剂基体的分子之间能够通过氢键连接，所述零维碳材料用于使所述润滑剂基体的分子之间的所述氢键断裂。本发明还公开了一种所述的润滑剂的制备方法，包括以下步骤：提供所述润滑剂基体；提供所述零维碳材料；以及将所述润滑剂基体与所述零维碳材料混合均匀。本发明还公开了一种降低流体粘度的方法，包括以下步骤：提供流体基体，所述流体基体的分子之间能够通过氢键连接；提供零维碳材料；以及将所述流体基体与所述零维碳材料均匀物理混合，使所述润滑剂基体的分子之间的所述氢键断裂。

Description

润滑剂及其制备方法，以及降低流体粘度的方法
技术领域
本发明涉及摩擦技术领域，特别是涉及一种润滑剂及其制备方法，以及降低流体粘度的方法。
背景技术
润滑剂是用以降低摩擦副的摩擦阻力、减缓其磨损的润滑介质。在使用过程中，润滑剂会在摩擦面间形成一种薄膜，隔离或部分隔离相互接触的摩擦接触面，实现减少摩擦，延长机械部件使用寿命，降低摩擦能耗。而粘度则是润滑剂质量鉴别及用途确定的重要的评价指标之一。润滑剂的粘度不宜过高，在机械启动之初，润滑剂粘度过高，会带来较大的能耗。
目前普遍采用化学法降粘，各种化学降粘剂也应运而生。但化学法降粘会改变润滑剂的化学成分及组成结构，改变其酸碱性，在使用过程中对机械部件产生不同程度的腐蚀，降低部件的使用寿命，并附带对环境有害的化学物质。
发明内容
基于此，有必要提供一种低粘度且不改变润滑剂原有的化学性质的润滑剂及其制备方法，以及降低流体粘度的方法。
一种润滑剂，包括润滑剂基体以及零维碳材料，所述润滑剂基体与所述零维碳材料均匀物理混合，所述润滑剂基体为液体，所述润滑剂基体的分子之间能够通过氢键连接，所述零维碳材料用于使所述润滑剂基体的分子之间的所述氢键断裂。
一种润滑剂，包括润滑剂基体以及零维碳材料，所述润滑剂基体与所述零维碳材料均匀物理混合，所述润滑剂基体包括碳原子数为3-8的多羟基醇。
在其中一个实施例中，所述润滑剂基体包括丙三醇、1，3-丙二醇、2-甲基丙二醇、季戊四醇、乙二醇、甘露醇中的一种或多种。
在其中一个实施例中，所述零维碳材料包括富勒烯。
在其中一个实施例中，所述润滑剂基体和所述零维碳材料的质量比为400～2800。
一种所述的润滑剂的制备方法，包括以下步骤：
提供所述润滑剂基体；
提供所述零维碳材料；以及
将所述润滑剂基体与所述零维碳材料混合均匀。
在其中一个实施例中，所述润滑剂基体与所述零维碳材料通过超声振荡混合。
在其中一个实施例中，所述超声振荡的功率为50W～150W。
在其中一个实施例中，所述超声振荡的时间为2小时～12小时。
在其中一个实施例中，所述混合时的环境温度为20℃～40℃。
一种降低流体粘度的方法，包括以下步骤：
提供流体基体，所述流体基体的分子之间能够通过氢键连接；
提供零维碳材料；以及
将所述流体基体与所述零维碳材料均匀物理混合，使所述润滑剂基体的分子之间的所述氢键断裂。
本发明所述润滑剂基体或流体基体的分子之间能够通过氢键连接，形成分子间相互作用力，在分子间相互作用力的作用下分子之间形成团簇。所述零维碳材料能够物理吸附所述润滑剂基体或流体基体的分子，从而能够利用所述零维碳原子的吸附作用在分子团簇中形成空间间隔，将所述分子之间的氢键断裂，从而将团簇破坏为多个小分子或降低团簇的尺寸，从而使所述润滑剂基体的粘度降低，得到低粘度的润滑剂或流体。
附图说明
图1为本发明实施例1-9的润滑剂的粘度随剪切速率变化的测试数据图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下通过实施例，并结合附图，对本发明的润滑剂及其制备方法，以及降低流体粘度的方法进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明实施例提供一种润滑剂，包括润滑剂基体以及零维碳材料，所述润滑剂基体与所述零维碳材料均匀物理混合，所述润滑剂基体为液体，所述润滑剂基体的分子之间能够通过氢键连接，所述零维碳材料用于使所述润滑剂基体的分子之间的所述氢键断裂。
本发明实施例所述润滑剂基体的分子之间能够通过氢键连接，形成分子间相互作用力，在分子间相互作用力的作用下分子之间形成团簇。所述零维碳材料能够物理吸附所述润滑剂基体的分子，从而能够利用所述零维碳原子的吸附作用在分子团簇中形成空间间隔，将所述分子之间的氢键断裂，从而将团簇破坏为多个小分子或降低团簇的尺寸，从而使所述润滑剂基体的粘度降低，得到低粘度的润滑剂。所述润滑剂基体为液体指所述润滑剂工作时的温度和压力条件下，所述润滑剂基体为液体。
粘度是鉴别润滑剂质量及确定润滑剂用途的重要的评价指标。氢键是一种特殊的分子间作用力，当润滑剂基体的分子之间能够形成氢键时，使得润滑剂分子形成分子团簇，粘度变大。因此，润滑剂基体的分子间由氢键形成的网络结构和氢键的数量影响着润滑剂的粘度高低。本发明实施例通过物理方法调控润滑剂基体的分子间氢键的数量，降低润滑剂的粘度。相对于化学方法降粘，本发明实施例的所述零维碳材料的加入不与所述润滑剂基体发生化学反应，在不改变所述润滑剂基体本身的化学成分及组成结构，不改变所述润滑剂基体的酸碱性的条件下降低所述润滑剂基体的粘度。
同时，一些其他物理降粘方法，例如加热、外加磁场和外加电场，当停止加热、撤掉外加磁场和电场后，润滑剂的粘度在一定的时间内会得到恢复，无法达到永久降粘及对润滑剂粘度的主动调控。由于在降粘调控时需要外加热源、电场及磁场的干预，实际应用具有一定的困难。本发明优选实施例中，加入零维碳材料降低润滑剂基体的粘度，并调控所述零维碳材料和所述润滑剂基体的比例，能够主动调控所述润滑剂的粘度，并且在降粘时不需加热、加电场或磁场，实用性更强。
在一实施例中，所述润滑剂基体的分子中包括氢原子以及与所述氢原子以共价键结合的X原子，所述X原子的电负性较大，所述X原子可以包括O、N、F。所述润滑剂基体的分子与电负性大、半径小的原子Y接近，在X与Y之间以氢为媒介，生成X-H…Y形式的一种特殊的分子间或分子内相互作用，称为氢键。所述Y原子可以包括O、N、F。X与Y可以是同种原子，也可以是不同种原子。
在一实施例中，所述润滑剂基体的分子中可以包括氢原子以及与所述氢原子以共价键结合的氧原子，相邻的所述润滑剂基体的分子之间能够生成O-H…O的氢键。所述氢键在相邻的所述润滑剂基体的分子之间形成分子间作用力，多个所述润滑剂基体的分子以氢键的分子间相互作用力连接，形成团簇，氢键连接的团簇使所述润滑剂基体的分子之间的流动形成一定制约，使所述润滑剂的粘度变大。
在一实施例中，所述润滑剂基体可以包括羟基，所述润滑剂基体的羟基在相邻的所述润滑剂基体分子之间形成氢键。所述润滑剂基体的分子的所述羟基可以为一个或多个，所述相邻润滑剂基体的分子之间形成的氢键可以为一个或多个。在一实施例中，所述润滑剂基体可以包括碳原子数为3-8的多羟基醇。所述碳原子数为3-8的多羟基醇分子的分子量小，润滑作用好。相邻的所述多羟基醇分子通过多个羟基形成多个氢键，所述多羟基醇分子之间通过多个氢键形成团簇。
在一实施例中，所述多羟基醇可以包括丙三醇、1，3-丙二醇、2-甲基丙二醇、季戊四醇、乙二醇及甘露醇等具有润滑作用的醇类。
本发明实施例所述的零维碳材料是指在三个维度上均为纳米尺寸的碳材料，优选的，所述碳材料为石墨类碳材料，具有碳六元环结构。所述零维碳材料具有物理吸附作用，在本发明实施例中，所述零维碳材料用于吸附所述润滑剂基体的分子，由于所述润滑剂基体的分子之间形成的氢键是一种较弱的分子间作用力，物理吸附作用将所述润滑剂基体分子束缚在所述零维碳材料的表面，通过空间作用打破所述润滑剂基体的分子之间的氢键，使所述润滑剂基体形成的团簇破坏，所述零维碳材料物理混合在所述润滑剂基体中，将所述团簇分隔为多个尺寸更小的团簇或者多个润滑剂基体的分子，从而降低所述润滑剂的粘度。
在一实施例中，所述零维碳材料的形状可以为球状、椭球状、块状等。优选的，所述零维碳材料为球状或椭球状。球状或椭球状的零维碳材料能够更加均匀的混合在所述润滑剂基体中。
在一实施例中，所述零维碳材料的直径可以为0.1nm～100nm。优选的，所述零维碳材料的直径可以为0.5nm～10nn。在该直径范围内，所述零维碳材料能够在降低所述润滑剂的粘度的同时兼顾润滑剂基体的流动性。
在一实施例中，所述零维碳材料包括富勒烯。所述富勒烯由碳一种元素组成。富勒烯的结构以五边形和六边形面组成凸多面体。所述富勒烯的化学式可以为C20以及C2n，所述n为大于等于12的整数。在一实施例中，所述富勒烯为C60，C60的分子结构为球形32面体，C60的60个碳原子通过20个六元环和12个五元环连接形成的具有30个碳碳双键的足球状空心对称结构。
可以理解，本发明实施例利用的是所述零维碳材料中碳原子对润滑剂基体的分子产生的物理吸附作用，所述零维碳材料优选是未经功能化处理的材料，即所述零维碳材料基本只含有碳，而未接枝其他化学基团。
在一实施例中，所述润滑剂基体和所述零维碳材料的质量比可以为400～2800。所述零维碳材料在所述润滑剂基体中的加入量过小，使降粘效果较不明显；所述零维碳材料在所述润滑剂基体中的加入量过大则会使所述零维碳材料在所述润滑剂中的体积和浓度过大，降低所述润滑剂的润滑效果。优选的，所述润滑剂基体和所述零维碳材料的质量比可以为900～1600，使得所述润滑剂的粘度更低且润滑性更好。
在一实施例中，所述零维碳材料在所述润滑剂中可以以单分散形式存在，或者多个零维碳材料团聚。优选以单分散形式存在，使得所述零维碳材料在所述润滑剂中的分散更均匀。
本发明实施例还提供一种所述的润滑剂的制备方法，包括以下步骤：
提供所述润滑剂基体；
提供所述零维碳材料；以及
将所述润滑剂基体与所述零维碳材料混合均匀。
所述润滑剂基体与所述零维碳材料的混合方法可以包括机械搅拌、超声振荡等方式。在一实施例中，所述润滑剂基体与所述零维碳材料通过超声振荡混合。超声振荡方法利用超声波使固体形态的零维碳材料在液体形态的润滑剂基体中均匀分散，不破坏所述润滑剂基体及所述零维碳材料自身结构和性质的条件下，使得混合更均匀。
在一实施例中，所述超声振荡的功率可以为50W～150W。
在一实施例中，所述超声振荡的时间可以与所述超声振荡的功率配合，根据所述混合效率进行调整，使得所述混合均匀性更好，混合效率更高。所述混合时间可以为2小时～12小时。
在一实施例中，所述混合时的环境温度为20℃～40℃。所述混合温度不宜过高，高温的超声波作用可能会破坏所述润滑剂基体或所述零维碳材料的结构。
本发明实施例还提供一种降低流体粘度的方法，包括以下步骤：
提供流体基体，所述流体基体的分子之间能够通过氢键连接；
提供零维碳材料；以及
将所述流体基体与所述零维碳材料均匀物理混合，使所述润滑剂基体的分子之间的所述氢键断裂。
本发明实施例利用所述零维碳材料的物理吸附作用，将流体基体的分子通过物理吸附在所述零维碳材料的表面，从而将所述流体基体分子间的氢键破坏，在不改变所述流体基体的化学组成的条件下达到降低所述流体基体的粘度的目的。
本发明所述的流体基体与上述的润滑剂基体可以相同，降低流体粘度的方法与所述润滑剂的制备方法可以相同，这里不再赘述。
实施例1
按照润滑剂基体与零维碳材料的质量比为m(丙三醇)/m(C60)＝500，称取0.01g的C60和5g的丙三醇，置于密闭的玻璃瓶中。将密闭玻璃瓶放置在水温25℃的超声波清洗仪中超声处理6小时，超声功率设置为100W，获得均匀混合的润滑剂。
实施例2
本实施例与实施例1的区别仅在于润滑剂基体与零维碳材料的质量比为m(丙三醇)/m(C60)＝750，加入的C60为0.01g，丙三醇为7.5g。
实施例3
本实施例与实施例1的区别仅在于润滑剂基体与零维碳材料的质量比为m(丙三醇)/m(C60)＝1000，加入的C60为0.01g，丙三醇为10g。
实施例4
本实施例与实施例1的区别仅在于润滑剂基体与零维碳材料的质量比为m(丙三醇)/m(C60)＝1250，加入的C60为0.01g，丙三醇为12.5g；超声功率为90W。
实施例5
本实施例与实施例1的区别仅在于润滑剂基体与零维碳材料的质量比为m(丙三醇)/m(C60)＝1500，加入的C60为0.01g，丙三醇为15g；超声功率为90W。
实施例6
本实施例与实施例1的区别仅在于润滑剂基体与零维碳材料的质量比为m(丙三醇)/m(C60)＝1750，加入的C60为0.01g，丙三醇为17.5g；超声功率为90W。
实施例7
本实施例与实施例1的区别仅在于润滑剂基体与零维碳材料的质量比为m(丙三醇)/m(C60)＝2000，加入的C60为0.01g，丙三醇为20g；超声功率为80W，超声处理4小时。
实施例8
本实施例与实施例1的区别仅在于润滑剂基体与零维碳材料的质量比为m(丙三醇)/m(C60)＝2250，加入的C60为0.01g，丙三醇为22.5g；超声功率为80W，超声处理4小时。
实施例9
本实施例与实施例1的区别仅在于润滑剂基体与零维碳材料的质量比为m(丙三醇)/m(C60)＝2500，加入的C60为0.01g，丙三醇为25g；超声功率为80W，超声处理4小时。
实验例
采用奥地利安东帕MCR301旋转流变仪分别对实施例1-9制备的润滑液进行检测，未掺杂C60的丙三醇作为对照组。检测润滑剂的粘度随剪切速率的变化。检测温度为25℃，检测模块为CP50-1。剪切速率的测定点分别为117、153、201、265、348、457、600及788。
请参阅图1，流变性检测结果显示，与丙三醇对照组相比，实施例1-9的润滑剂的粘度均表现出一定程度的降低。说明C60掺杂能够降低丙三醇的粘度。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (9)

1.一种润滑剂，其特征在于，包括润滑剂基体以及零维碳材料，所述润滑剂基体与所述零维碳材料均匀物理混合，所述润滑剂基体为液体，所述润滑剂基体的分子之间能够通过氢键连接，所述零维碳材料用于使所述润滑剂基体的分子之间的所述氢键断裂，所述润滑剂基体为碳原子数为3-8的多羟基醇，所述零维碳材料为富勒烯，所述零维碳材料为球状或椭球状，所述零维碳材料的直径为0.1nm～100nm。
2.根据权利要求1所述的润滑剂，其特征在于，所述润滑剂基体包括丙三醇、1，3-丙二醇、2-甲基丙二醇、季戊四醇、甘露醇中的一种或多种。
3.根据权利要求1所述的润滑剂，其特征在于，所述润滑剂基体和所述零维碳材料的质量比为400～2800。
4.一种根据权利要求1-3任一项所述的润滑剂的制备方法，包括以下步骤：
提供所述润滑剂基体；
提供所述零维碳材料；以及
将所述润滑剂基体与所述零维碳材料混合均匀。
5.根据权利要求4所述的润滑剂的制备方法，其特征在于，所述润滑剂基体与所述零维碳材料通过超声振荡混合。
6.根据权利要求5所述的润滑剂的制备方法，其特征在于，所述超声振荡的功率为50W～150W。
7.根据权利要求5所述的润滑剂的制备方法，其特征在于，所述超声振荡的时间为2小时～12小时。
8.根据权利要求4所述的润滑剂的制备方法，其特征在于，所述混合时的环境温度为20℃～40℃。
9.一种降低流体粘度的方法，包括以下步骤：
提供流体基体，所述流体基体的分子之间能够通过氢键连接，所述流体基体包括碳原子数为3-8的多羟基醇；
提供零维碳材料，所述零维碳材料为富勒烯，所述零维碳材料为球状或椭球状，所述零维碳材料的直径为0.1nm～100nm；以及
将所述流体基体与所述零维碳材料均匀物理混合，使所述流体基体的分子之间的所述氢键断裂。
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