CN111440653A - 聚多巴胺纳米颗粒在水基润滑液中的应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种聚多巴胺纳米颗粒在水基润滑液中的应用。发明人发现，将聚多巴胺纳米颗粒作为水基润滑液中的添加剂使用时，在摩擦过程中该聚多巴胺纳米颗粒能与金属摩擦副表面形成稳定牢固的化学吸附膜，该化学吸附膜在水下与摩擦副表面具有较强的吸附能力，从而提供持续稳定的润滑性能，进而发挥优异的减摩抗磨作用满足摩擦副在苛刻环境下的运行需求。

Description

聚多巴胺纳米颗粒在水基润滑液中的应用
技术领域
本发明涉及摩擦学领域，具体而言，本发明涉及聚多巴胺纳米颗粒在水基润滑液中的应用。
背景技术
水润滑具有清洁、储量大、成本低、冷却性能优异等特点，在海洋装备、金属加工和液压传动等领域得到了广泛的应用。金属/陶瓷复合摩擦副作为水润滑轴承材料具有抗黏着、耐腐蚀、转速高等优势。然而，由于水的承载能力差，摩擦副在边界润滑条件下往往会造成严重磨损。纳米润滑添加剂具有优异的物理化学性能，能在摩擦接触区形成吸附膜，起到减摩抗磨的作用。但研究发现，此类吸附多为物理吸附，其在水下还需与水分子的吸附相竞争，因此与基底的吸附作用弱，吸附膜难以提供持续稳定的润滑效果，在长期严苛的工况下容易失效。
因此，希望提供一种新的策略来满足摩擦副长时间稳定润滑的需求。
发明内容
本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明的一个目的在于提出聚多巴胺纳米颗粒在水基润滑液中的应用，将聚多巴胺纳米颗粒作为水基润滑液中的添加剂使用时，在摩擦过程中该聚多巴胺纳米颗粒能与金属摩擦副表面形成稳定牢固的化学吸附膜，该化学吸附膜在水下与摩擦副表面具有较强的吸附能力，从而提供持续稳定的润滑性能，进而发挥优异的减摩抗磨作用满足摩擦副在苛刻环境下的运行需求。
在本发明的一个方面，本发明提出了聚多巴胺纳米颗粒在水基润滑液中的应用。
发明人发现，将聚多巴胺纳米颗粒作为水基润滑液中的添加剂使用时，在摩擦过程中该聚多巴胺纳米颗粒能与金属摩擦副表面形成稳定牢固的化学吸附膜，该化学吸附膜在水下与摩擦副表面具有较强的吸附能力，从而提供持续稳定的润滑性能，进而发挥优异的减摩抗磨作用满足摩擦副在苛刻环境下的运行需求。
另外，根据本发明上述实施例的聚多巴胺纳米颗粒在水基润滑液中的应用还可以具有如下附加的技术特征：
在本发明的一些实施例中，所述聚多巴胺纳米颗粒在所述水基润滑液中的含量为0.01～2wt％。由此，使得聚多巴胺纳米颗粒形成的化学吸附膜展现最大的润滑效果。
在本发明的一些实施例中，所述聚多巴胺纳米颗粒的平均粒径为500～900纳米。由此，使得聚多巴胺纳米颗粒形成的化学吸附膜展现最大的润滑效果。
在本发明的一些实施例中，所述水基润滑液用于金属/陶瓷摩擦副的减摩抗磨。由此，可以提高金属/陶瓷摩擦副的减摩抗磨的效果。
在本发明的一些实施例中，述金属/陶瓷摩擦副中金属包括轴承钢、不锈钢、钛合金和铜合金中的至少之一，所述金属/陶瓷摩擦副中陶瓷包括氮化硅、碳化硅、氧化铝和氧化锆中的至少之一。由此，可以提高金属/陶瓷摩擦副的减摩抗磨的效果。
在本发明的一些实施例中，所述聚多巴胺纳米颗粒按照下列方法制备得到：(1)将盐酸多巴胺粉末与水混合，以便得到盐酸多巴胺溶液；(2)将水、乙醇和氨水混合，以便得到碱性混合液；(3)将所述碱性混合液与所述盐酸多巴胺溶液混合后在避光环境下持续搅拌，以便发生氧化自聚合反应，得到聚多巴胺溶液；(4)将所述聚多巴胺溶液进行离心，再用乙醇进行清洗，然后过滤、干燥，以便得到聚多巴胺纳米颗粒。
在本发明的一些实施例中，在步骤(1)中，基于20mL的所述水，所述盐酸多巴胺粉末的用量为0.5～2g。由此，可以使得盐酸多巴胺充分溶解。
在本发明的一些实施例中，在步骤(2)中，所述水、所述乙醇和所述氨水的体积比为(130～230)：(50～100)：(1～5)。由此，可以提供适合多巴胺氧化自聚合的弱碱性条件。
在本发明的一些实施例中，在步骤(3)中，所述碱性混合液与所述盐酸多巴胺溶液混合的质量比为(9～16)：1。由此，可以使盐酸多巴胺充分反应。
在本发明的一些实施例中，在步骤(4)中，所述离心过程的转速为6000～12000转/分钟，时间为10～15分钟。由此，可以得到粒径均匀的聚多巴胺纳米颗粒。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1A是本发明实施例1的聚多巴胺纳米颗粒的SEM谱图；
图1B是本发明实施例1的聚多巴胺纳米颗粒的SEM谱图；
图2是本发明实施例1的聚多巴胺纳米颗粒在水基润滑液中的应用中聚多巴胺纳米颗粒在金属表面形成化学吸附膜的XPS图谱；
图3是本发明实施例1的聚多巴胺纳米颗粒在水基润滑液中的应用中聚多巴胺纳米颗粒在金属表面形成化学吸附膜的横截面的TEM照片。
图4是实施例1和对比例1-2润滑液应用于摩擦副时的摩擦系数对比图。
具体实施方式
下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的第一个方面，本发明提出了聚多巴胺纳米颗粒在水基润滑液中的应用。发明人研究发现，聚多巴胺纳米颗粒在摩擦过程中能于金属表面形成稳定牢固的化学吸附膜，将其作为水基润滑添加剂，有着良好的减摩抗磨效果，具体来说，聚多巴胺能在摩擦过程中自组装于金属表面的摩擦接触区域，其产生的化学吸附膜在水下仍有强吸附能力，能提供持续稳定的润滑性能，满足吸附膜在苛刻环境下的运行需求。根据本发明的一个具体实施例，聚多巴胺纳米颗粒在水基润滑液中的含量为0.01～2wt％。发明人发现，若水基润滑液中聚多巴胺纳米颗粒含量过低，导致摩擦界面的纳米粒子太少，润滑效果不明显；而若水基润滑液中聚多巴胺纳米颗粒含量过高，导致纳米粒子团聚，无法形成稳定的润滑液。优选为0.1～1.2wt％，更优选为0.4wt％。进一步地，聚多巴胺纳米颗粒的平均粒径为500～900纳米。发明人发现，若聚多巴胺纳米颗粒粒径过低，导致小粒子难以及时在磨损区域形成润滑膜；而若聚多巴胺纳米颗粒粒径过高，导致大颗粒不易进入摩擦区域，影响润滑效果。优选为700～800纳米。
进一步地，本申请的水基润滑液用于金属/陶瓷摩擦副的减摩抗磨，其中金属/陶瓷摩擦副中金属包括轴承钢、不锈钢、钛合金和铜合金中的至少之一，金属/陶瓷摩擦副中陶瓷包括氮化硅、碳化硅、氧化铝和氧化锆中的至少之一，优选地，水基润滑液用于金属/氮化硅摩擦副的减摩抗磨。
本发明对所述聚多巴胺纳米颗粒的来源没有特殊限制，采用本领域技术人员熟知的聚多巴胺纳米颗粒即可，如可以采用市售产品，或采用本领域技术人员熟知的制备聚多巴胺纳米颗粒的技术方案自行制备。具体的，根据本发明的具体实施例，所述制备聚多巴胺纳米颗粒的方法优选包括以下步骤：
S100：将盐酸多巴胺粉末与水混合
该步骤中，将盐酸多巴胺粉末与水混合，同时用玻璃棒充分搅拌，以使盐酸多巴胺粉末充分溶解，以便得到盐酸多巴胺溶液。根据本发明的实施例，盐酸多巴胺粉末的粒径及盐酸多巴胺粉末与水的添加顺序并不受特别限制，只要能够将盐酸多巴胺粉末溶解在水中即可。根据本发明的一个具体实施例，基于20mL的水，盐酸多巴胺粉末的用量为0.5～2g。发明人发现，若盐酸多巴胺粉末用量过低，将形成低聚物，无法离心得到定型的颗粒；而若盐酸多巴胺粉末用量过高，导致浓度过大，难以形成稳定悬浮液。
S200：将水、乙醇和氨水混合
该步骤中，将水、乙醇和氨水混合，以便得到碱性混合液。根据本发明的实施例，水、乙醇和氨水的混合顺序及条件不受特别限制，只要能够使三者混合均匀即可，优选地，该混合过程在室温下进行，并用玻璃棒充分搅拌，以使得水、乙醇和氨水充分混合，并且可以减少氨水和乙醇的挥发。根据本发明的一个具体实施例，水、乙醇和氨水的体积比为(130～230)：(50～100)：(1～5)。发明人发现，该混合体积比过高或过低将改变pH值，影响多巴胺的聚合条件以及溶液后期的离心效果，而该混合比例下利于多巴胺的聚合。优选为180：80：2。
S300：将碱性混合液与盐酸多巴胺溶液混合后在避光环境下持续搅拌
该步骤中，将上述得到的碱性混合液与盐酸多巴胺溶液混合后在避光环境下持续搅拌，以便发生氧化自聚合反应，得到聚多巴胺溶液。优选地，碱性混合液与盐酸多巴胺溶液混合的质量比为(9～16)：1。发明人发现，二者质量比过高或过低将影响聚合时多巴胺的浓度，导致难以形成定型的纳米颗粒，而本申请的混合比例下利于后续形成定型的聚多巴胺纳米颗粒。具体的，将碱性混合液加入盐酸多巴胺溶液中，继续用玻璃棒搅拌，多巴胺在碱性条件下发生氧化，溶液由黄棕色变为深棕色，然后放入转子后盖上保鲜膜，并用铝箔将烧杯包裹后放入磁力搅拌水浴锅中，使溶液在室温、避光环境下持续搅拌24～48h，优选为30h。由此，多巴胺能够充分反应，完成聚合，溶液颜色由先前的棕色变为黑色。
S400：将聚多巴胺溶液进行离心，再用乙醇进行清洗，然后过滤、干燥
该步骤中，将上述得到的聚多巴胺溶液进行离心，再用乙醇进行清洗，然后过滤、干燥，以便得到聚多巴胺纳米颗粒。优选的，离心过程的转速为6000～12000转/分钟，时间为10～15分钟。具体地，使用高速台式离心机，转速设定为6000～12000转，优选为10000转，离心时间10～15分钟，优选为12分钟，离心得到聚多巴胺纳米颗粒沉淀，并弃去上层废液，用乙醇清洗下层沉淀后再次离心，倒去上层清液，重复清洗3次，最后用乙醇分散下层沉淀，并置于电热恒温鼓风干燥箱中干燥，温度设定为25～80摄氏度，优选为37.5摄氏度，待乙醇全部挥发，即得到聚多巴胺纳米颗粒。
根据本发明的实施例，聚多巴胺纳米颗粒在水基润滑液中的应用。将聚多巴胺纳米颗粒加入去离子水中，搅拌或超声10分钟，便可得到聚多巴胺水基润滑液。使用多功能摩擦磨损试验机进行球盘往复摩擦测试，上试样为陶瓷球，下试样为金属盘。测试结果表明：本发明得到的聚多巴胺纳米颗粒作为水基润滑添加剂，有着良好的润滑效果，非常适用于金属/陶瓷复合摩擦副的减摩抗磨。即聚多巴胺作为水基润滑添加剂，具有优异的减摩抗磨特性，尤其能在长期的摩擦过程中保持稳定的润滑性能，满足在苛刻环境下的运行需求，适用于多种金属/陶瓷复合摩擦副。同时，聚多巴胺纳米颗粒的制备工艺简单、生产成本低，可直接添加到润滑液中发挥减摩抗磨的作用，并且使用便捷，具有极大的应用前景。
下面详细描述本发明的实施例，需要说明的是下面描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。另外，如果没有明确说明，在下面的实施例中所采用的所有试剂均为市场上可以购得的，或者可以按照本文或已知的方法合成的，对于没有列出的反应条件，也均为本领域技术人员容易获得的。
实施例1
(1)称取盐酸多巴胺粉末1g，加入20ml水中，同时用玻璃棒充分搅拌，使盐酸多巴胺粉末充分溶解，以便得到盐酸多巴胺溶液；
(2)配制纯水、乙醇和氨水的混合液，并用玻璃棒在室温下充分搅拌，以便得到碱性混合液，其中水、乙醇和氨水的体积比为180：80：2；
(3)将步骤(2)中的碱性混合液加入步骤(1)中的盐酸多巴胺溶液(碱性混合液与所述盐酸多巴胺溶液混合的质量比为13:1)，继续用玻璃棒搅拌，溶液由黄棕色变为深棕色后，放入转子，盖上保鲜膜，并用铝箔将烧杯包裹后放入磁力搅拌水浴锅中，使溶液在室温、避光环境下持续搅拌30h，以便得到聚多巴胺溶液；
(4)使用高速台式离心机，转速设定为10000转，离心时间为12分钟，离心得到聚多巴胺纳米颗粒沉淀，并弃去上层废液，用乙醇清洗下层沉淀后再次离心，倒去上层清液，重复清洗3次，最后用乙醇分散下层沉淀，并置于电热恒温鼓风干燥箱中干燥，温度设定为37.5摄氏度，待乙醇全部挥发，即得到聚多巴胺纳米颗粒(聚多巴胺纳米颗粒的平均粒径为751.7纳米)；
(5)将得到的聚多巴胺纳米颗粒加入去离子水中，搅拌或超声10分钟，便可得到聚多巴胺水基润滑液，将所得的聚多巴胺水基润滑液用于轴承钢(GCr15)/氮化硅复合摩擦副，其中聚多巴胺纳米颗粒的含量为0.4wt％。
结论：对实施例1得到的聚多巴胺纳米颗粒进行SEM分析，结果如图1A和1B所示，由图1A和图1B可以看出，实施例1制备得到的聚多巴胺为球形颗粒；对得到的聚多巴胺纳米颗粒作为水基润滑添加剂的效果进行测试，将摩擦测试后的金属磨痕区进行XPS分析，结果如图2所示，由图2可以看出，摩擦测试后的金属磨痕区具有和聚多巴胺颗粒相同的元素成分，表明聚多巴胺能在金属摩擦界面形成吸附保护膜，起到减摩抗磨的作用；同时，将摩擦测试后金属磨痕区的横截面进行TEM分析，结果如图3所示，由图3可以看出，聚多巴胺作为润滑添加剂，其在金属摩擦界面形成的化学吸附膜厚度均匀，能够提供持续稳定的润滑效果，并且其润滑性能如表1所示。
实施例2
(1)称取盐酸多巴胺粉末1.5g，加入20ml水中，同时用玻璃棒充分搅拌，使盐酸多巴胺粉末充分溶解，以便得到盐酸多巴胺溶液；
(2)配制纯水、乙醇和氨水的混合液，并用玻璃棒在室温下充分搅拌，以便得到碱性混合液，其中水、乙醇和氨水的体积比为200：60：3；
(3)将步骤(2)中的碱性混合液加入步骤(1)中的盐酸多巴胺溶液(碱性混合液与所述盐酸多巴胺溶液混合的质量比为13:1)，继续用玻璃棒搅拌，溶液由黄棕色变为深棕色后，放入转子，盖上保鲜膜，并用铝箔将烧杯包裹后放入磁力搅拌水浴锅中，使溶液在室温、避光环境下持续搅拌24h，以便得到聚多巴胺溶液；
(4)使用高速台式离心机，转速设定为8000转，离心时间为12分钟，离心得到聚多巴胺纳米颗粒沉淀，并弃去上层废液，用乙醇清洗下层沉淀后再次离心，倒去上层清液，重复清洗3次，最后用乙醇分散下层沉淀，并置于电热恒温鼓风干燥箱中干燥，温度设定为37.5摄氏度，待乙醇全部挥发，即得到聚多巴胺纳米颗粒(聚多巴胺纳米颗粒的平均粒径为647.2纳米)；
(5)将得到的聚多巴胺纳米颗粒加入去离子水中，搅拌或超声10分钟，便可得到聚多巴胺水基润滑液，将所得的聚多巴胺水基润滑液用于钛合金(TC4)/氮化硅复合摩擦副，其中聚多巴胺纳米颗粒的含量为0.1wt％。
结论：由实施例2得到的聚多巴胺纳米颗粒进行SEM图可以看出，实施例2制备得到的聚多巴胺为球形颗粒；同时对得到的聚多巴胺纳米颗粒作为水基润滑添加剂的效果进行测试，将摩擦测试后的金属磨痕区进行XPS分析，由其XPS图可以看出，摩擦测试后的金属磨痕区具有和聚多巴胺颗粒相同的元素成分，表明聚多巴胺能在金属摩擦界面形成吸附保护膜，起到减摩抗磨的作用；同时，对摩擦测试后金属磨痕区的横截面进行TEM分析，由其TEM图可以看出，聚多巴胺作为润滑添加剂，其在金属摩擦界面形成的化学吸附膜厚度均匀，能够提供持续稳定的润滑效果，并且其润滑性能如表1所示。
实施例3
(1)称取盐酸多巴胺粉末2g，加入20ml水中，同时用玻璃棒充分搅拌，使盐酸多巴胺粉末充分溶解，以便得到盐酸多巴胺溶液；
(2)配制纯水、乙醇和氨水的混合液，并用玻璃棒在室温下充分搅拌，以便得到碱性混合液，其中水、乙醇和氨水的体积比为180：80：4；
(3)将步骤(2)中的碱性混合液加入步骤(1)中的盐酸多巴胺溶液(碱性混合液与所述盐酸多巴胺溶液混合的质量比为12:1)，继续用玻璃棒搅拌，溶液由黄棕色变为深棕色后，放入转子，盖上保鲜膜，并用铝箔将烧杯包裹后放入磁力搅拌水浴锅中，使溶液在室温、避光环境下持续搅拌36h，以便得到聚多巴胺溶液；
(4)使用高速台式离心机，转速设定为12000转，离心时间为10分钟，离心得到聚多巴胺纳米颗粒沉淀，并弃去上层废液，用乙醇清洗下层沉淀后再次离心，倒去上层清液，重复清洗3次，最后用乙醇分散下层沉淀，并置于电热恒温鼓风干燥箱中干燥，温度设定为60摄氏度，待乙醇全部挥发，即得到聚多巴胺纳米颗粒(聚多巴胺纳米颗粒的平均粒径为1103.7纳米)；
(5)将得到的聚多巴胺纳米颗粒加入去离子水中，搅拌或超声10分钟，便可得到聚多巴胺水基润滑液，将所得的聚多巴胺水基润滑液用于铜合金(H62)/碳化硅复合摩擦副，其中聚多巴胺纳米颗粒的含量为1.2wt％。
结论：由实施例3得到的聚多巴胺纳米颗粒进行SEM图可以看出，实施例3制备得到的聚多巴胺为球形颗粒；同时对得到的聚多巴胺纳米颗粒作为水基润滑添加剂的效果进行测试，将摩擦测试后的金属磨痕区进行XPS分析，由其XPS图可以看出，摩擦测试后的金属磨痕区具有和聚多巴胺颗粒相同的元素成分，表明聚多巴胺能在金属摩擦界面形成吸附保护膜，起到减摩抗磨的作用；同时，对摩擦测试后金属磨痕区的横截面进行TEM分析，由其TEM图可以看出，聚多巴胺作为润滑添加剂，其在金属摩擦界面形成的化学吸附膜厚度均匀，能够提供持续稳定的润滑效果，并且其润滑性能如表1所示。
对比例1
将纯水用于轴承钢(GCr15)/氮化硅复合摩擦副的润滑剂。
对比例2
将含有氧化石墨烯的水基润滑液作为轴承钢(GCr15)/氮化硅复合摩擦副润滑剂，其中氧化石墨烯的含量为0.4wt％。
结论：图4是实施例1与对比例1-2的摩擦副的摩擦系数的比较图，由图4可知，实施例1的聚多巴胺纳米颗粒作为水基润滑添加剂的应用具有更低的摩擦系数和更稳定的润滑效果，同时根据表1数据可知，实施例1-3的含有聚多巴胺纳米颗粒的水基润滑液用于摩擦副减磨抗磨时具有较低的摩擦系数、盘磨痕宽度、盘磨痕深度和球磨损直径，表明本申请的聚多巴胺纳米颗粒在水基润滑液中应用时具有优异的润滑效果。
表1实施例1-3和对比例1-2的润滑液的润滑性能对比表
Figure BDA0002455019650000071
Figure BDA0002455019650000081
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (10)

1.聚多巴胺纳米颗粒在水基润滑液中的应用。
2.根据权利要求1所述的应用，其特征在于，所述聚多巴胺纳米颗粒在所述水基润滑液中的含量为0.01～2wt％。
3.根据权利要求1或2所述的应用，其特征在于，所述聚多巴胺纳米颗粒的粒径为500～900纳米。
4.根据权利要求1所述的应用，其特征在于，所述水基润滑液用于金属/陶瓷复合摩擦副的减摩抗磨。
5.根据权利要求4所述的应用，其特征在于，所述金属/陶瓷复合摩擦副中金属包括轴承钢、不锈钢、钛合金和铜合金中的至少之一，所述金属/陶瓷摩擦副中陶瓷包括氮化硅、碳化硅、氧化铝和氧化锆中的至少之一。
6.根据权利要求1所述的应用，其特征在于，所述聚多巴胺纳米颗粒按照下列方法制备得到：
(1)将盐酸多巴胺粉末与水混合，以便得到盐酸多巴胺溶液；
(2)将水、乙醇和氨水混合，以便得到碱性混合液；
(3)将所述碱性混合液与所述盐酸多巴胺溶液混合后在避光环境下持续搅拌，以便发生氧化自聚合反应，得到聚多巴胺溶液；
(4)将所述聚多巴胺溶液进行离心，再用乙醇进行清洗，然后过滤、干燥，以便得到聚多巴胺纳米颗粒。
7.根据权利要求6所述的应用，其特征在于，在步骤(1)中，基于20mL的所述水，所述盐酸多巴胺粉末的用量为0.5～2g。
8.根据权利要求6所述的应用，其特征在于，在步骤(2)中，所述水、所述乙醇和所述氨水的体积比为(130～230)：(50～100)：(1～5)。
9.根据权利要求6所述的应用，其特征在于，在步骤(3)中，所述碱性混合液与所述盐酸多巴胺溶液混合的质量比为(9～16)：1。
10.根据权利要求6所述的应用，其特征在于，在步骤(4)中，所述离心过程的转速为6000～12000转/分钟，时间为10～15分钟。
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