CN111635800B - 一种纳米颗粒复合超分子凝胶润滑剂及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及润滑材料技术领域，提供了一种纳米颗粒复合超分子凝胶润滑剂及其制备方法。本发明提供的纳米颗粒复合超分子凝胶润滑剂包括纳米颗粒、凝胶因子和基础油；所述纳米颗粒为银纳米颗粒、二氧化硅纳米颗粒、二硫化钼纳米颗粒、碳酸钙纳米颗粒、氟化石墨纳米颗粒或碳纳米管纳米颗粒。本发明利用超分子凝胶润滑剂形成的三维网络结构“限域效应”来阻止纳米颗粒的团聚及沉降，解决了纳米颗粒在润滑油中的长期分散稳定性问题；并且纳米颗粒的加入可以有效地提高凝胶的力学性能，还能提高凝胶润滑材料的摩擦学性能。本发明提供的纳米颗粒复合超分子凝胶润滑剂为纳米颗粒在润滑剂中的应用提供了一种新的途径，这对机械寿命的延长具有很重要的意义。

Description

一种纳米颗粒复合超分子凝胶润滑剂及其制备方法

技术领域

本发明涉及润滑材料技术领域，特别涉及一种纳米颗粒复合超分子凝胶润滑剂及其制备方法。

背景技术

纳米材料被称为“二十一世纪最有前途的材料”。纳米材料作为新型润滑材料可以在摩擦表面形成一层易剪切的薄膜，从而降低摩擦过程中的摩擦系数，还可以对摩擦表面进行一定程度的填补和修复，起到自修复的作用。此外，由于纳米颗粒本身粒度较小，使其容易进入摩擦副表面形成一层比较厚的表面膜，从而减少摩擦副表面的直接接触，起到较好地抗磨减摩作用。因此，纳米颗粒作为润滑添加剂吸引了众多学者的广泛关注。然而，纳米颗粒在基础润滑油中极易团聚并产生沉淀，这很大程度上限制了纳米颗粒的应用。

为了提高纳米颗粒在润滑材料中的分散稳定性，大量的学者对纳米颗粒表面进行修饰，从而提高其在润滑油中的分散稳定性。然而这种方法不但提高了成本，而且所得到的纳米颗粒分散体系的持久性也比较低。

超分子凝胶润滑剂是近几年新兴的一种润滑剂，通过将固体的凝胶因子完全溶解于液体的基础油中，形成凝胶态的润滑剂。目前，利用超分子凝胶润滑剂来解决纳米颗粒分散稳定性差问题尚没有相关报道。

发明内容

有鉴于此，本发明目的在于提供一种纳米颗粒复合超分子凝胶润滑剂及其制备方法；本发明提供的纳米颗粒复合超分子凝胶润滑剂利用凝胶复杂的三维网络结构阻止了纳米颗粒的自由移动，对纳米颗粒具有很好地限域效应，提高了纳米颗粒的分散稳定性；并且纳米颗粒作为添加剂可有效地提高凝胶的机械强度和摩擦学性能。

为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：

一种纳米颗粒复合超分子凝胶润滑剂，包括纳米颗粒、凝胶因子和基础油；所述纳米颗粒为银纳米颗粒、二氧化硅纳米颗粒、二硫化钼纳米颗粒、碳酸钙纳米颗粒、氟化石墨纳米颗粒或碳纳米管纳米颗粒；所述银纳米颗粒在复合超分子凝胶润滑剂中的质量分数为1.0～1.4％；所述二氧化硅纳米颗粒在复合超分子凝胶润滑剂中的质量分数为0.4～0.6％；所述二硫化钼纳米颗粒在复合超分子凝胶润滑剂中的质量分数为1.0～2.0％；所述碳酸钙纳米颗粒在复合超分子凝胶润滑剂中的质量分数为5.0～6.0％；所述氟化石墨纳米颗粒在复合超分子凝胶润滑剂中的质量分数为0.5～2.0％；所述碳纳米管纳米颗粒在复合超分子凝胶润滑剂中的质量分数为0.01～0.04％；所述凝胶因子具有式I或式II所示结构：

优选的，所述纳米颗粒复合超分子凝胶润滑剂中凝胶因子的质量分数为2％。

优选的，所述银纳米颗粒的粒径为70nm，所述二氧化硅纳米颗粒的粒径为100nm，所述二硫化钼纳米颗粒的粒径为500nm，所述碳酸钙纳米颗粒的粒径为100nm；所述氟化石墨的粒径为2.5μm，所述碳纳米管的管径为70nm。

本发明提供了上述方案所述的纳米颗粒复合超分子凝胶润滑剂的制备方法，包括以下步骤：

(1)将纳米颗粒分散在基础油中，得到分散体系；

(2)将凝胶因子和所述分散体系混合，加热使凝胶因子溶解，然后冷却，得到纳米颗粒复合超分子凝胶润滑剂；

或包括以下步骤：

(a)将凝胶因子和基础油混合，加热使凝胶因子溶解，得到溶解体系；

(b)将所述溶解体系和纳米颗粒混合，冷却后得到纳米颗粒复合超分子凝胶润滑剂。

优选的，当所述凝胶因子具有式I所示结构时，所述步骤(1)和步骤(a)中加热的温度独立地为80～85℃，当所述凝胶因子具有式II所示结构时，所述步骤(1)和步骤(a)中加热的温度独立地为125～130℃。

本发明提供了一种纳米颗粒复合超分子凝胶润滑剂，包括纳米颗粒、凝胶因子和基础油；所述凝胶因子具有式I或式II所示结构。本发明利用超分子凝胶润滑剂形成的三维网络结构“限域效应”来阻止纳米颗粒的团聚及沉降，进而解决了纳米颗粒在润滑油中的长期分散稳定性问题；并且纳米颗粒的加入，一方面可以有效地提高凝胶的力学性能，使其机械强度有所增加，另一方面很大程度地提高了凝胶润滑材料的摩擦学性能。本发明提供的纳米颗粒复合超分子凝胶润滑剂为纳米颗粒在润滑剂中的应用提供了一种新的途径，这对机械寿命的延长具有很重要的意义。此外，纳米颗粒复合超分子凝胶润滑剂中凝胶复杂的三维网络结构可以有效地降低润滑油的泄露及爬移，减少了对环境的污染和资源的浪费。

本发明提供了上述方案所述纳米颗粒复合超分子凝胶润滑剂的制备方法，本发明提供的制备方法步骤简单，容易操作。

具体实施方式

本发明提供了一种纳米颗粒复合超分子凝胶润滑剂，包括纳米颗粒、凝胶因子和基础油。

本发明对所述基础油没有特殊要求，使用本领域技术人员熟知的、能够形成超分子凝胶润滑剂的基础油均可，具体的如500SN、PAO、A51和PEG等。

在本发明中，所述凝胶因子具有式I或式II所示结构：

在本发明中，式I所示结构的凝胶因子即十二羟基硬脂酸，本发明对十二羟基硬脂酸的来源没有特殊要求，使用市售商品即可。本发明对式II所示结构的凝胶因子的来源没有特殊要求，使用本领域技术人员熟知的方法合成或使用市售商品均可。

在本发明中，所述纳米颗粒为银纳米颗粒、二氧化硅纳米颗粒、二硫化钼纳米颗粒、碳酸钙纳米颗粒、氟化石墨纳米颗粒或碳纳米管纳米颗粒；所述银纳米颗粒的粒径优选为70nm；所述二氧化硅纳米颗粒的粒径优选为100nm，所述二硫化钼纳米颗粒的粒径优选为500nm，所述碳酸钙纳米颗粒的粒径优选为100nm；所述氟化石墨纳米颗粒的粒径优选为2.5μm，所述碳纳米管纳米颗粒的管径优选为70nm；所述金属银纳米颗粒、二氧化硅纳米颗粒和碳酸钙纳米颗粒优选为球形结构；所述二硫化钼纳米颗粒和氟化石墨纳米颗粒优选为片层结构。

在本发明中，当所述纳米颗粒为银纳米颗粒时，所述纳米颗粒复合超分子凝胶润滑剂中纳米颗粒的质量分数优选为1～1.4％；当所述纳米颗粒为二氧化硅纳米颗粒时，所述纳米颗粒复合超分子凝胶润滑剂中纳米颗粒的质量分数优选为0.4～0.6％；当所述纳米颗粒为二硫化钼纳米颗粒时，所述纳米颗粒复合超分子凝胶润滑剂中纳米颗粒的质量分数优选为1～2％；当所述纳米颗粒为碳酸钙纳米颗粒时，所述纳米颗粒复合超分子凝胶润滑剂中纳米颗粒的质量分数优选为5～6％；当所述纳米颗粒为氟化石墨纳米颗粒时，所述纳米颗粒复合超分子凝胶润滑剂中纳米颗粒的质量分数优选为0.5～2％；当所述纳米颗粒为碳纳米管纳米颗粒时，所述纳米颗粒复合超分子凝胶润滑剂中纳米颗粒的质量分数优选为0.01～0.04％。

本发明提供了上述方案所述的纳米颗粒复合超分子凝胶润滑剂的制备方法，本发明的制备方法包括两个并列的方案，其中方案一包括以下步骤：

(1)将纳米颗粒分散在基础油中，得到分散体系；

(2)将凝胶因子和所述分散体系混合，加热使凝胶因子溶解，然后冷却，得到纳米颗粒复合超分子凝胶润滑剂。

在本发明中，所述分散优选为超声分散，即将纳米颗粒和基础油混合后进行超声处理；本发明对所述超声分散的功率和时间没有特殊要求，能够将纳米颗粒均匀分散在基础油中即可；在本发明中，当凝胶因子具有式I所示结构时，所述加热的温度优选为80～85℃；本发明对所述加热的时间没有特殊要求，能够将凝胶因子完全溶解即可；当所述凝胶因子具有式II所示结构时，所述加热的温度优选为125～130℃；在本发明中，所述冷却优选为自然冷却至室温。

在本发明中，所述制备方法还可以按照以下步骤进行，即方案二：

(a)将凝胶因子和基础油混合，加热使凝胶因子溶解，得到溶解体系；

(b)将所述溶解体系和纳米颗粒混合，冷却后得到纳米颗粒复合超分子凝胶润滑剂。

在本发明中，所述加热的温度以及冷却的方法优选和方案一中相同，在此不再赘述；在本发明中，将所述溶解体系和纳米颗粒混合后，优选通过搅拌使纳米颗粒分散均匀，然后再进行冷却。

下面结合实施例对本发明提供的方案进行详细的说明，但是不能把它们理解为对本发明保护范围的限定。

实施例1

银纳米颗粒复合超分子凝胶润滑剂的制备：按照浓度为2wt％的比例加入当量的式II所示结构的凝胶因子，在130℃的温度环境下使凝胶因子完全溶解于PAO10基础油中，然后按照质量浓度分别为1.0wt％、1.2wt％、1.4wt％的比例依次加入银纳米颗粒(粒径70nm，球形结构)，搅拌至纳米颗粒混合均匀，取出冷却至室温得到银纳米颗粒复合超分子凝胶润滑剂，分别记为复合体系1、复合体系2和复合体系3，具体如表1所示。

表1 PAO10凝胶与Ag纳米颗粒复合体系

润滑材料	Ag(wt％)	凝胶因子(wt％)
			复合体系1	1.0	2％
复合体系2	1.2	2％
			复合体系3	1.4	2％

摩擦学性能测试：采用球-盘点接触的Optimol-SRV-IV摩擦磨损试验机，评价银纳米颗粒复合超分子凝胶润滑剂的摩擦学性能，同时以不加入银纳米颗粒的超分子凝胶作为对比；测试条件：载荷200N，频率为25Hz，振幅为1mm，温度为25℃，实验周期为30min，摩擦副上试样为直径10mm的钢球，下试样为直径30mm的钢块。

所得结果如表2所示：

表2 PAO10凝胶与Ag纳米颗粒复合体系的摩擦学性能表征

根据表2中的SRV实验结果可以看出：纳米颗粒与超分子凝胶复合体系(即银纳米颗粒复合超分子凝胶润滑剂)相比于基础油PAO10和超分子凝胶具有更低且平稳的摩擦系数以及较小的磨损体积，说明本发明的纳米颗粒复合超分子凝胶润滑剂具有较好的减摩及抗磨性能。

实施例2

二氧化硅纳米颗粒复合超分子凝胶润滑剂的制备：按照浓度为2wt％的比例加入当量的具有式II所示结构的凝胶因子，在130℃的温度环境下使凝胶因子完全溶解于PAO10基础油中，然后按照质量浓度分别为0.4wt％、0.5wt％、0.6wt％的比例依次加入二氧化硅(粒径100nm，球形结构)，搅拌至二氧化硅混合均匀，取出冷却至室温得到二氧化硅纳米颗粒复合超分子凝胶润滑剂，分别记为复合体系4、复合体系5和复合体系6，具体如表3所示。

表3 PAO10凝胶与SiO₂纳米颗粒复合体系

润滑材料	SiO<sub>2</sub>(wt％)	凝胶因子(wt％)
			复合体系4	0.4	2％
复合体系5	0.5	2％
			复合体系6	0.6	2％

通过摩擦磨损试验机测试二氧化硅纳米颗粒复合超分子凝胶润滑剂，同时以不加入二氧化硅的超分子凝胶作为对比；测试条件和实施例1一致，所得结果如表4所示：

表4 PAO10凝胶与SiO₂纳米颗粒复合体系的摩擦学性能表征

根据表4中的结果可以看出，二氧化硅纳米颗粒的加入提高了超分子凝胶的减摩与抗磨性能。

实施例3

二硫化钼(MoS₂)纳米颗粒复合超分子凝胶润滑剂的制备：按照浓度为2wt％的比例加入当量的具有式II所示结构的凝胶因子，在130℃的温度下使凝胶因子完全溶解于PAO10基础油中，然后按照质量浓度分别为1.0wt％、1.5wt％、2.0wt％的比例依次加入二硫化钼(粒径500nm，片层结构)，搅拌至二硫化钼混合均匀，取出冷却至室温得到二硫化钼纳米颗粒复合超分子凝胶润滑剂，分别记为复合体系7、复合体系8和复合体系9，具体如表5所示。

表5 PAO10凝胶与MoS₂纳米颗粒复合体系

润滑材料	MoS<sub>2</sub>(wt％)	凝胶因子(wt％)
			复合体系7	1.0	2％
复合体系8	1.5	2％
			复合体系9	2.0	2％

通过摩擦磨损试验机测试二硫化钼纳米颗粒复合超分子凝胶润滑剂，同时以不加入二硫化钼的超分子凝胶作为对比；测试条件和实施例1一致，所得结果如表6所示：

表6 PAO10凝胶与MoS₂纳米颗粒复合体系的摩擦学性能表征

根据表6中的结果可以看出，本发明提供的二硫化钼纳米颗粒复合超分子凝胶润滑剂具有较好的减摩与抗磨性能，优于不添加纳米颗粒的超分子凝胶。

实施例4

碳酸钙纳米(CaCO₃)颗粒复合超分子凝胶润滑剂的制备：按照浓度为2wt％的比例加入当量的具有式II所示结构的凝胶因子，在130℃的温度下使凝胶因子完全溶解于PAO10基础油中，然后按照质量浓度分别为5.0wt％、5.5wt％、6.0wt％的比例依次加入碳酸钙纳米颗粒(粒径100nm，球形结构)，搅拌至碳酸钙混合均匀，取出冷却至室温得到碳酸钙纳米颗粒复合超分子凝胶润滑剂，分别记为复合体系10、复合体系11和复合体系12，具体如表7所示。

表7 PAO10凝胶与CaCO₃纳米颗粒复合体系

润滑材料	CaCO<sub>3</sub>(wt％)	凝胶因子(wt％)
			复合体系10	5.0	2％
复合体系11	5.5	2％
			复合体系12	6.0	2％

通过摩擦磨损试验机测试碳酸钙纳米颗粒复合超分子凝胶润滑剂，同时以不加入碳酸钙的超分子凝胶作为对比；测试条件和实施例1一致，所得结果如表8所示：

表8 PAO10凝胶与CaCO₃纳米颗粒复合体系的摩擦学性能表征

根据表8中的结果可以看出，本发明提供的碳酸钙纳米颗粒复合超分子凝胶润滑剂具有较好的减摩与抗磨性能，优于不添加纳米颗粒的超分子凝胶。

实施例5

氟化石墨(CF)复合超分子凝胶润滑剂的制备：按照浓度为2wt％的比例加入当量的具有式II所示结构凝胶因子，在130℃的温度下使凝胶因子完全溶解于PAO10基础油中，然后按照质量浓度分别为0.5wt％、1.0wt％、2.0wt％的比例依次加入氟化石墨(粒径2.5μm，片层结构)，搅拌至氟化石墨混合均匀，取出冷却至室温得到氟化石墨复合超分子凝胶润滑剂，分别记为复合体系13、复合体系14和复合体系15，具体如表9所示。

表9 PAO10凝胶与CF纳米颗粒复合体系的摩擦学性能表征

润滑材料	CF(wt％)	凝胶因子(wt％)
			复合体系13	0.5	2％
复合体系14	1.0	2％
			复合体系15	2.0	2％

通过摩擦磨损试验机测试碳酸钙纳米颗粒复合超分子凝胶润滑剂，同时以不加入氟化石墨的超分子凝胶作为对比；测试条件和实施例1一致，所得结果如表10所示：

表10 PAO10凝胶与CF纳米颗粒复合体系

根据表10中的结果可以看出，本发明提供的氟化石墨纳米颗粒复合超分子凝胶润滑剂具有较好的减摩与抗磨性能，优于不添加纳米颗粒的超分子凝胶。

实施例6

碳纳米管复合超分子凝胶润滑剂的制备：按照浓度为2wt％的比例加入当量的凝胶因子12-羟基硬脂酸，在80℃的温度环境下使凝胶因子完全溶解于500SN基础油中，然后按照质量浓度分别为0.02wt％、0.03wt％、0.04wt％的比例依次加入碳纳米管(管径为70nm左右)，搅拌至纳米管混合均匀，取出冷却至室温得到碳纳米管复合超分子凝胶润滑剂，分别记为复合体系16、复合体系17和复合体系18，具体如表11所示。

表11 500SN超分子凝胶与碳纳米管复合体系的摩擦学性能表征

润滑材料	CNT(wt％)	凝胶因子(wt％)
			复合体系16	0.02	2％
复合体系17	0.03	2％
			复合体系18	0.04	2％

通过摩擦磨损试验机测试碳纳米管复合超分子凝胶润滑剂，同时以不加入氟化石墨的超分子凝胶作为对比；测试条件和实施例1一致，所得结果如表12所示：

表12 500SN凝胶与碳纳米管复合体系

根据表12中的结果可以看出，本发明提供的碳纳米管复合超分子凝胶润滑剂具有较好的减摩与抗磨性能，优于不添加纳米颗粒的超分子凝胶。

实施例7

纳米颗粒在基础油与凝胶体系中的分散性表征：使用数码相机分别对纳米颗粒在基础油与超分子凝胶的分散稳定性进行记录，结果如表13所示；

表13 纳米颗粒分别在基础油及其相应的超分子凝胶中的分散稳定性

表13中的结果表明：除了二氧化硅以外的纳米颗粒，其余的纳米颗粒均在基础油中在一周的时间里均出现了聚沉；而纳米颗粒复合超分子凝胶润滑剂中，纳米颗粒在经过一个月的时间仍然保持稳定。

由以上实施例可以看出，本发明提供的纳米颗粒复合超分子凝胶润滑剂抗磨减摩性好，纳米颗粒分散稳定，为纳米颗粒在润滑剂中的应用提供了一种新的途径，对机械寿命的延长具重要的意义。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种纳米颗粒复合超分子凝胶润滑剂，其特征在于，包括纳米颗粒、凝胶因子和基础油；所述纳米颗粒为碳纳米管纳米颗粒；所述碳纳米管纳米颗粒在复合超分子凝胶润滑剂中的质量分数为0.01～0.04％；所述碳纳米管纳米颗粒的管径为70nm；所述凝胶因子具有式I所示结构：

所述纳米颗粒复合超分子凝胶润滑剂中凝胶因子的质量分数为2％。

2.权利要求1所述的纳米颗粒复合超分子凝胶润滑剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)将纳米颗粒分散在基础油中，得到分散体系；

(2)将凝胶因子和所述分散体系混合，加热使凝胶因子溶解，然后冷却，得到纳米颗粒复合超分子凝胶润滑剂。

3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，当所述凝胶因子具有式I所示结构时，所述步骤(2)中加热的温度为80～85℃。