CN109722323A - 一种聚醚水滑石混合溶液的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可实现超低摩擦系数(低于0.01)的聚醚水滑石混合溶液的制备方法，属于润滑材料领域。采用水热法制备得到的超薄纳米水滑石薄片表面带有亲水基团，按0.5％～2％比例在水中均匀分散后，可制备得到一种均匀半透明的胶体溶液，随后以20～50％的比例与聚醚润滑液进行混合。本发明的聚醚水滑石混合溶液中超薄纳米水滑石片的纵向尺寸相较于润滑膜的厚度而言极小，该水滑石样品的加入使得摩擦副表面在跑合阶段能够得到平坦化以及抛光，从而可以快速地完成跑合过程，与聚醚水溶液结合，实现超低摩擦系数，并且提高其最终承载能力。

Description

一种聚醚水滑石混合溶液的制备方法

技术领域

本发明属于润滑添加剂材料技术领域，具体涉及一种超薄纳米水滑石片和聚醚混合水溶液的制备方法。

背景技术

在人类的日常生活和工业化进程中，不必要的摩擦磨损现象造成了巨大的能源损耗和材料损失。因此，在众多科学研究中最吸引人关注的话题莫过于如何将不必要的摩擦力降到最低甚至是实现“零摩擦”的状态。在人们无限追求“零摩擦”状态的过程中，一个全新的概念在1990年被提出并且被越来越多专家学者所推崇，那就是超滑。利用此类润滑剂可以提高能量转化效率、减少摩擦副材料磨损和提升传动效率，对于节约能源和延长设备使用寿命具有重要意义。目前开发环境友好的具有超滑性能的润滑液成为广大研发机构的重要研究方向。

聚醚是一种在实际生产中十分常用的工业合成润滑液。通常情况下聚醚分子是由几种不同的环氧烷烃任意组合，并在端基的作用下聚合而成。其中最典型的环氧烷烃为环氧乙烷和环氧丙烷。聚醚具有高温稳定性良好、倾点低以及粘度指数高等特点，非常适合用于机械设备(矿石破碎机、水泥回转窑、钢滚子轴承等)的正常运行。此外，大多数的聚醚分子链可生物降解，有的甚至能达到食品级认证。这意味着聚醚材料可满足绝大多数农业、林业、矿业甚至食品制造加工行业应用过程中的需求。

此前相关研究报道了聚醚可以与水以任意比例互溶并且在较宽的速度和浓度范围内(30—60wt％)以滴加(40μL)或全浸泡的状态都能实现超低的摩擦系数(最低可达0.0023)。通过对于实验前后摩擦副表面磨痕区域以及聚醚水溶液的表征，发现能够实现超滑现象的主要原因是聚合物通过氢键作用生成的水合层以及聚醚在适中浓度(30—60wt％)的水溶液中存在的部分自由水分子。水合层的存在能有效降低润滑过程中流体的剪切强度；而自由水分子的存在则能有效减弱聚合物链之间的分子相互作用。在两者的协同作用下，从而产生超低摩擦系数这一现象。

然而，在日常的长期放置过程中，少部分聚醚分子由于在水中容易被氧化分解成带羧基的弱酸，使得其水溶液的pH值降低，从而最终呈现为酸性，对摩擦副材料以及实际运行的相关设备而言会造成对其表面的严重腐蚀，从而限制了聚醚更加广泛的应用。

水滑石又被称为层状双金属复合氢氧化物(Layered Double Hydroxide，LDH)，其化学组成通式可表达为：[M²⁺ _1-xM³⁺ _x(OH)₂]^x+(A^n-)_x/n·mH₂O，其中M²⁺和M³⁺分别代表二价和三价金属阳离子，位于主体层板六方晶体的中心位置，六方晶体的各个顶点则被氢氧根离子OH^-占据；A^n-代表层间阴离子；x为M³⁺/(M²⁺+M³⁺)的摩尔比值，一般情况下0.2<x<0.33时可得到单相的水滑石；m为层间水分子的个数。大部分的金属阳离子，如Mg²⁺、Al³⁺、Fe³⁺、Co²⁺、Ni^{2 +}、Cu²⁺、Zn²⁺等离子，均可以实现在水滑石主体层板中的原子级分散。

发明内容

针对现有的技术特点,本发明提供了一种可实现超低摩擦系数(低于0.01)的聚醚水滑石混合溶液的制备方法。

根据本发明的方法，该混合液的合成方法如下：

根据权利要求1所述的可实现超低摩擦系数的聚醚水滑石混合溶液的制备与应用方法，所述的水滑石制备方法及与聚醚混合的过程包括以下步骤：

1)将可溶性的二价及三价无机金属盐与弱碱性材料加入多羟基有机溶剂中，二价金属离子与三价金属离子的摩尔比为2～4。

2)二价金属阳离子浓度范围为0.01mol/L～1mol/L,三价金属阳离子浓度范围为0.005mol/L～0.5mol/L。弱碱性材料的浓度范围为0.2～0.4mol/L。

3)将1)中混合后溶液转移到自生压水热釜中，在80～120℃下水热20～30小时，当样品取出后冷却到室温，通过离心的方法收集反应产物的浆料。

4)使用无水有机试剂等对所得浆料进行清洗。取部分清洗后的产物浆料以固液比0.5％～2％比例分散入水中，即可得到透明无沉淀的胶体溶液。最终，将该胶体溶液以20～50％比例与聚醚润滑液进行混合。

进一步，步骤1)中的可溶性的二价金属盐溶液为Mg²⁺,Ni²⁺,Mn²⁺,Zn²⁺与CO₃ ^2-，NO₃ ^-，Cl^-，OH^-，SO₄ ^2-阴离子组成的可溶性盐中的一种；可溶性的三价金属盐溶液为Al³⁺,Cr³⁺,Fe³⁺,Co³⁺与CO₃ ^2-，NO₃ ^-，Cl^-，OH^-，SO₄ ^2-阴离子组成的可溶性盐中的一种。

进一步，步骤1)中所述弱碱性材料是一类在加热后可产生弱碱性环境的材料。

进一步，步骤1)中所述的弱碱性材料是尿素及其衍生物的一种或多种。

进一步，步骤1)中所述的多羟基有机溶剂为乙二醇及其衍生物和丙三醇及其衍生物的一种或多种。

进一步，步骤3)中所述的无水有机试剂为乙醇及其衍生物的一种或多种。

上述方法制备的聚醚水滑石混合溶液的应用方法，所述混合溶液的超低摩擦系数低于0.01。

本发明的有益效果：水滑石薄片是一种层状双金属氢氧化物，且在一定工况条件下能够提升摩擦副之间的润滑性能，因此在聚醚水溶液中加入少量的超薄纳米水滑石片，可以改善跑合阶段摩擦副表面的粗糙度，减少跑合时间，提升超滑阶段的承载压强。与此同时，还可避免聚醚水溶液久置后生成的大量氢离子对长期所接触材料造成的腐蚀。本发明聚醚水滑石混合溶液的制备方法简单，实际应用性强，摩擦学性能优越，具有很好的工业应用前景方法简单易操作，实用性强，性能优越，可靠性高。该水滑石样品的加入使得摩擦副表面在跑合阶段能够得到平坦化以及抛光，并且对接触区内的聚醚水溶液流体连续性以及水合层之间的剪切不会产生显著影响，从而大大缩短了从磨合初期到实现超滑的过程，并且提高了其最终的承载能力。

附图说明

图1为本发明制备的混合溶液中超薄纳米水滑石片显微镜图片及在水中的分散情况。

图2为本发明含不同种类水滑石添加剂的聚醚水溶液的摩擦系数图。

图3为本发明混合溶液摩擦实验后的磨斑直径图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进一步详细说明。

图1为本发明制备的混合溶液中超薄纳米水滑石片显微镜图片及在水中的分散情况，其中(a)为合成的超薄纳米水滑石片原子力显微镜图片；(b)为在水中的分散情况。

图2为本发明含不同种类水滑石添加剂的聚醚水溶液的摩擦系数图。

图3其中(a)为聚醚水溶液以及(b)为含0.5wt％超薄纳米水滑石片样品摩擦实验后的磨斑直径图。

本发明提供了一种可实现超低摩擦系数的聚醚水滑石混合溶液的制备与应用方法，下面结合具体的实施方案对本发明作进一步说明。

表1各个原料的配比及用量

按照表1所示的原料质量分数计量，按照本发明方法，可得到如图1所示的超薄纳米水滑石片(宽度60-100nm，高度1nm左右)并可在水中均匀分散。

将此配比得出的最终产物作为添加剂按固液比0.5wt％的比例加入到60wt％聚醚水溶液中，搅拌分散后，采用UMT3摩擦磨损实验机的球盘往复模式进行实验。上试样为直径4mm、表面粗糙度Sq＝16.5nm的氮化硅小球；下试样为表面粗糙度Sq＝10.9nm的氧化铝陶瓷基片。行程3mm，往复频率4Hz。施加载荷为3N，根据计算结果可知对应的初始赫兹接触应力为1.68GPa。实验温度为25℃，实验时间1小时。采用往复模式进行45分钟摩擦学实验。

与此同时，将纯聚醚水溶液以及含有相同质量分数的常规纳米水滑石添加剂(宽度20nm左右，高度10nm左右)作为对比。其实验结果如图2所示。

原聚醚水溶液在经过了约7000秒的跑合后摩擦系数降低至0.01以下，跑合过程中摩擦系数波动剧烈；在该聚醚水溶液中添加了0.5wt％的常规纳米水滑石后，从该摩擦系数中可以观察到，其数值几乎没有经历跑合过程直接稳定在0.04-0.05之间，并且在整个实验过程中都未进入超滑状态；在该聚醚水溶液中添加了0.5wt％的超薄纳米水滑石片后，摩擦系数在经历了短暂的跑合过程(约1000秒)后，摩擦系数进入了超滑区间并且保持的十分稳定，比未添加时的跑合时间减少了约85％。

通过比较实验后磨损的陶瓷小球可以看出，添加了超薄纳米水滑石片后的聚醚水溶液在抗磨损方面效果显著，其磨斑直径比未添加时的磨斑直径减少了将近一半，从而所承受的接触压强提升约为原来的4倍。

由此可见，超薄纳米水滑石片在聚醚水溶液中分散后可以在经历非常短暂的跑合过程后快速实现超低摩擦系数，对于有效减少能量损耗和保护摩擦副表面具有十分重要的积极作用。

Claims (9)

1.一种聚醚水滑石混合溶液的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)将可溶性的二价及三价无机金属盐与弱碱性材料加入多羟基有机溶剂中；

2)将步骤1)所得溶液转移到自生压水热釜中，加热20～30小时，然后冷却至室温，通过离心方法收集反应产物的浆料；

3)将步骤2)所得浆料使用无水有机试剂进行清洗，取清洗后的浆料以固液比0.5％～2％分散入水中，得到胶体溶液；

4)将步骤3)所得胶体溶液以20～50％比例与聚醚润滑液进行混合。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤1)中所述二价无机金属盐溶液为Mg²⁺,Ni²⁺,Mn²⁺,Zn²⁺与CO₃ ^2-，NO₃ ^-，Cl^-，OH^-，SO₄ ^2-阴离子组成的可溶性盐中的一种；所述三价金属盐溶液为Al³⁺,Cr³⁺,Fe³⁺,Co³⁺与CO₃ ^2-，NO₃ ^-，Cl^-，OH^-，SO₄ ^2-阴离子组成的可溶性盐中的一种。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤1)中所述弱碱性材料是在加热后可产生弱碱性环境的材料。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤1)中所述弱碱性材料是尿素及其衍生物的一种或多种。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤1)中所述多羟基有机溶剂为乙二醇及其衍生物和丙三醇及其衍生物的一种或多种。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤1)中所述二价无机金属盐的离子与三价无机金属盐的离子的摩尔比为2～4；所述二价无机金属盐的阳离子浓度范围为0.01mol/L～1mol/L,所述三价无机金属盐的阳离子浓度范围为0.005mol/L～0.5mol/L，所述弱碱性材料的浓度范围为0.2～0.4mol/L。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤2)中所述加热是在温度80～120℃下进行水加热。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤3)中所述无水有机试剂为乙醇及其衍生物的一种或多种。

9.权利要求1-8任一项所述方法制备的聚醚水滑石混合溶液的应用方法，其特征在于，所述混合溶液的超低摩擦系数低于0.01。