CN111944580B - 基于β-二酮与纤维素纳米晶的超滑组合物及超滑材料 - Google Patents

基于β-二酮与纤维素纳米晶的超滑组合物及超滑材料 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种基于β‑二酮与纤维素纳米晶的超滑组合物及超滑材料，该超滑组合物的组分为β‑二酮和改性CNC；所述β‑二酮的分子结构式如式（1）所示，式（1）中，R1为CmH2m+1、CmH2mOCH3或CmH2m+1COOCH3，R2为CnH2n+1、CnH2nOCH3或CnH2n+1COOCH3，其中，m、n为正整数；所述改性CNC的分子结构式如式（2）所示，式（2）中，R链为OOCxH2x+1、OOCxH2xOCH3或OOCxH2x+1COOCH3，其中，x、y为正整数。采用本发明的技术方案，在低速下具有较高的粘度，承载能力更好；在高速下粘度迅速下降，降低粘性阻力，具有更宽的超滑工况范围。

Description

基于β-二酮与纤维素纳米晶的超滑组合物及超滑材料
技术领域
本发明属于润滑材料技术领域，尤其涉及一种基于β-二酮与纤维素纳米晶的超滑组合物及超滑材料。
背景技术
摩擦磨损是造成机械部件能量损失和失效的重要原因。据统计，全球约1/4的一次性能源因摩擦而损耗，80％的器件失效由磨损而引起。带来巨额经济损失的同时，还造成环境污染甚至无可挽回的资源浪费。近年来，大量的研究表明，超滑是克服因摩擦磨损导致能量损耗和损失的良好途径。
β-二酮因为摩擦系数<0.01，是一种可以实现超滑的合成润滑油。但其自身粘度较低，边界润滑状态下性能较差，承载能力有限，可以实现超滑的负载和工况范围较窄，不能满足使用的要求。纤维素纳米晶(CNC)作为纳米颗粒，可以作为添加剂加入到基础油中，可以起到修复表面，然而，由于纤维素纳米晶自身易沉降，通常只能用于粘度较高的润滑基础油，而且即使表面改性，在低粘度基础油中的分散稳定性仍存在问题。
发明内容
针对以上技术问题，本发明公开了一种基于β-二酮与纤维素纳米晶的超滑组合物及超滑材料，β-二酮与纤维素纳米晶两者发生协同作用，实现更宽工况范围的超滑。
对此，本发明采用的技术方案为：
一种基于β-二酮与纤维素纳米晶的超滑材料，其组分为β-二酮和改性CNC；所述β-二酮的分子结构式如式(1)所示：
Figure BDA0002651182070000011
式(1)中，R1为CmH2m+1、CmH2mOCH3或CmH2m+1COOCH3，R2为CnH2n+1、CnH2nOCH3或CnH2n+ 1COOCH3，其中，m、n为正整数；
所述改性CNC的分子结构式如式(2)所示：
Figure BDA0002651182070000021
式(2)中，R链为OOCxH2x+1、OOCxH2xOCH3或OOCxH2x+1COOCH3，其中，x、y为正整数。
上述改性CNC为表面接枝改性的CNC。
β-二酮是一种具有棒状分子结构的非牛顿流体，它在静止或低剪切状态下粘度较高(比PAO8稍大)，在高速剪切下粘度迅速降低(与PAO2相当)。因此，将CNC进行表面化学修饰后，可以在β-二酮中稳定分散，在低速下可以起到修复表面、阻隔固体直接接触的作用；而在高速下，由于CNC与β-二酮都是棒状分子，在强剪切作用下都会沿着剪切方向发生分子取向，复合油的粘度下降，不会增大粘性阻力，仍然可以实现超滑。β-二酮和改性CNC两者结合，两者发生相互交联，实现了协同作用，使得复合油实现了更宽工况范围的超滑。
作为本发明的进一步改进，所述m、n满足：0<m<19，0<n<19，且3<m+n<30。
作为本发明的进一步改进，当R1、R2的末端是烷基时，所述R链的末端为烷基，当R1、R2的末端是烷氧基时，所述R链的末端为烷氧基。
针对不同的β-二酮结构，通过对CNC表面化学修饰得到的改性CNC，使得β-二酮和纤维素纳米晶混合后能发生更好的协同相互作用，在静止或低剪切状态下具有较高的粘度，承载能力好，在高速状态下粘度迅速下降，降低粘性阻力，在更宽的工况范围具有超滑性能。
作为本发明的进一步改进，所述x满足：5<x<30。
作为本发明的进一步改进，所述R链的碳原子数与R1、R2中较长链的碳原子数的差值小于5。
作为本发明的进一步改进，该基于β-二酮与纤维素纳米晶的超滑组合物中，所述改性CNC的质量百分比为0.1～5wt％。
作为本发明的进一步改进，所述基于β-二酮与纤维素纳米晶的超滑组合物采用以下步骤制备得到：
先将β-二酮和改性CNC分别溶于溶剂中，所述溶剂的极性介于β-二酮和改性CNC之间，然后再将二者混合，蒸发溶剂，得到分散均匀的基于β-二酮与纤维素纳米晶的超滑组合物。此技术方案采用溶剂置换法，解决了改性CNC分散不好的性能，提高改性CNC在β-二酮中的分散，使得两者分散均匀。
作为本发明的进一步改进，所述溶剂为苯乙酮类或芳香酯类溶剂。
本发明还公开了一种超滑材料，其包括如上任意一项所述的β-二酮与纤维素纳米晶的超滑组合物。该超滑组合物可用于润滑油的基础油，也可辅以金属皂基或聚脲等稠化剂形成润滑脂。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
采用本发明的技术方案，纯β-二酮与改性CNC的超滑组合物，两者相互之间发生分子链的交联作用，与纯β-二酮相比，具有更明显的剪切稀化特性，即在低速下具有较高的粘度，不易团聚、沉降，且承载能力更好；在高速下粘度迅速下降，降低粘性阻力，具有更宽的超滑工况范围。该超滑组合物可用于润滑油的基础油，也可辅以金属皂基或聚脲等稠化剂形成润滑脂。
附图说明
图1是本发明实施例1的β-二酮/mCNC复合油与β-二酮、PAO2、PAO2/mCNC复合油的流变性能对比分析图。
图2是本发明实施例1的β-二酮/mCNC复合油与PAO2/mCNC复合油静置30天后的对比照片。
图3是本发明实施例1的β-二酮/mCNC复合油与β-二酮的摩擦测试对比结果图。
具体实施方式
下面对本发明的较优的实施例作进一步的详细说明。
一种基于β-二酮与纤维素纳米晶的超滑材料，其组分为β-二酮和改性CNC(即mCNC)；所述β-二酮的分子结构式如式(1)所示：
Figure BDA0002651182070000041
式(1)中，R1为CmH2m+1、CmH2mOCH3或CmH2m+1COOCH3，R2为CnH2n+1、CnH2nOCH3或CnH2n+ 1COOCH3，其中，m、n为正整数；所述m、n满足：0<m<19，0<n<19，且3<m+n<30。
所述改性CNC的分子结构式如式(2)所示：
Figure BDA0002651182070000042
式(2)中，R链为OOCxH2x+1、OOCxH2xOCH3或OOCxH2x+1COOCH3，其中，x、y为正整数。所述x满足：5<x<30。
当R1、R2的末端是烷基时，所述R链的末端为烷基，当R1、R2的末端是烷氧基时，所述R链的末端为烷氧基。所述R链的碳原子数与R1、R2中较长链的碳原子数的差值小于5。所述改性CNC的质量百分比为0.1～5wt％。
下面针对具体的实施例进行进一步的说明。
实施例1
以R1＝C3H7,R2＝C5H11的β-二酮为基础油，以R＝C6H11的mCNC为添加剂，以戊基苯乙酮为中间溶剂，将β-二酮、mCNC分别溶于戊基苯乙酮中，然后再混合，蒸发溶剂，制得分散均匀的β-二酮/mCNC复合油，其中mCNC的掺杂量0.5wt％。同时以低粘度油PAO2为基础油，制得相应的PAO2/mCNC复合油，作为对比例。
利用旋转流变仪对β-二酮、β-二酮/mCNC、PAO2和PAO2/mCNC进行流变测试，结果如图1所示，可见在低剪切速率下β-二酮具有比PAO2更高的粘度，mCNC加入后，其表面接枝的分子链可以与β-二酮发生缠结，形成物理交联的网络结构，对粘度会进一步提升，有助于提高摩擦中的承载能力，如在剪切速率为0.1s-1时，PAO2/mCNC可将β-二酮的粘度由98mPa·s提高至180mPa·s；而在高速下，网络结构会被破坏，且mCNC与β-二酮都是棒状分子，在强剪切作用下都会沿着剪切方向发生分子取向，复合油的粘度下降，减小了剪切阻力。而在PAO2中，由于PAO2粘度很小，分子间相互作用较弱，分子链距离较远，mCNC的加入对粘度几乎没有影响。
将β-二酮/mCNC和PAO2/mCNC静置30天，如图2所示，发现mCNC在PAO2中的基本全部沉降，而在β-二酮中仍然分散良好，证实β-二酮/mCNC复合油中，β-二酮、mCNC发生物理交联网络，显著提高了mCNC的分散稳定性。
利用多功能摩擦试验机，在钢球和钢盘表面测试20MPa接触压下，润滑油β-二酮和β-二酮/mCNC摩擦系数COF随速度变化的规律，结果如图3所示，可见β-二酮/mCNC在低速下(边界润滑状态)的增稠作用和表面修复保护作用可以提高油膜的承载能力，分隔固体表面的直接接触，从而减小摩擦；而在高速下，当流体动压效应较强、形成完整连续油膜时(流体动压润滑状态)，此时复合油的剪切稀化作用可以使其粘度降低为与纯β-二酮基本一致的水平，从而维持很低的摩擦系数。由此可以证实，mCNC的加入提升了β-二酮的边界润滑性能，在20MPa的接触压下将超滑(COF<0.01)的最低速度由220mm/s拓展到150mm/s。
实施例2
本实施例与实施例1不同在于：采用的β-二酮的化学结构式中，R1＝R2＝C4H8OCH3，采用的mCNC的化学结构式中R＝C4H8OCH3。其它步骤、试剂和参数与实施例1相同，其中mCNC的含量为5wt％。
本实施例中所制备的β-二酮/mCNC流变性能经旋转流变仪证实，在0.1s-1的剪切速率下，可以将β-二酮的粘度由90mPa·s提升至172mPa·s；而在1000s-1下保持β-二酮8mPa·s的低粘度。β-二酮/mCNC的分散稳定性经30天抗沉降实验证实；β-二酮/mCNC的超滑性能经多功能摩擦试验机证实，在20MPa的接触压下将纯β-二酮的超滑最低速度由230mm/s拓展到160mm/s。
实施例3
本实施例与实施例1不同在于：将mCNC掺入β-二酮的过程中，中间溶剂使用的是2-甲基苯甲酸乙酯，mCNC的掺杂量为1wt％。其它步骤、试剂和参数与实施例1相同。本实施例中所制备的β-二酮/mCNC流变性能经旋转流变仪证实，在0.1s-1的剪切速率下，可以将β-二酮的粘度由98mPa·s提升至190mPa·s；而在1000s-1下保持β-二酮8mPa·s的低粘度。β-二酮/mCNC的分散稳定性经30天抗沉降实验证实；β-二酮/mCNC的超滑性能经多功能摩擦试验机证实，在20MPa的接触压下将纯β-二酮的超滑最低速度由220mm/s拓展到145mm/s。
实施例4
以实施案例1中的β-二酮/mCNC复合油为基础油，升温至80℃；加入12-羟基硬脂酸锂皂作稠化剂，炼制30分钟，继续升温至200℃，恒定炼制10分钟；再冷却至100℃，加入必要的抗氧化、防锈等添加剂，即可得到以β-二酮/mCNC复合油为基础油的润滑脂。
该润滑脂与由纯β-二酮作基础油的润滑脂相比，稠度等级、滴点、分油率等基本物化指标无明显区别。其超滑性能经多功能摩擦实验机证实，在20MPa的接触压下将纯β-二酮的超滑最低速度由191mm/s拓展到123mm/s。
通过上述实施例和对比例的对比可见，采用本发明的技术方案，在低速下具有较高的粘度，且与对比例相比不易团聚和沉降，而在高速剪切下，粘度迅速下降，粘性阻力降低，具有更宽的超滑工况范围。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种基于β-二酮与纤维素纳米晶的超滑组合物，其特征在于：其组分为β-二酮和改性CNC；所述β-二酮的分子结构式如式（1）所示：
Figure DEST_PATH_IMAGE001
（1），
式（1）中，R1为CmH2m+1、CmH2mOCH3，R2为CnH2n+1、CnH2nOCH3，其中，m、n为正整数；
所述改性CNC的分子结构式如式（2）所示：
Figure 725659DEST_PATH_IMAGE002
（2）
式（2）中，R链为C6H11、C4H8OCH3，其中，y为正整数；
当R1、R2的末端是烷基时，所述R链的末端为烷基，当R1、R2的末端是烷氧基时，所述R链的末端为烷氧基。
2.根据权利要求1所述的基于β-二酮与纤维素纳米晶的超滑组合物，其特征在于：所述m、n满足：0<m<19，0<n<19，且3<m+n<30。
3.根据权利要求2所述的基于β-二酮与纤维素纳米晶的超滑组合物，其特征在于：所述R链的碳原子数与R1、R2中较长链的碳原子数的差值小于5。
4.根据权利要求1~3任意一项所述的基于β-二酮与纤维素纳米晶的超滑组合物，其特征在于：所述改性CNC的质量百分比为0.1~5wt%。
5.根据权利要求4所述的基于β-二酮与纤维素纳米晶的超滑组合物，其特征在于，其采用以下步骤制备得到：
先将β-二酮和改性CNC分别溶于溶剂中，所述溶剂的极性介于β-二酮和改性CNC之间，然后再将二者混合，蒸发溶剂，得到分散均匀的基于β-二酮与纤维素纳米晶的超滑组合物。
6.根据权利要求5所述的基于β-二酮与纤维素纳米晶的超滑组合物，其特征在于：所述溶剂为苯乙酮类或芳香酯类溶剂。
7.一种超滑材料，其特征在于：其包括如权利要求1~6任意一项所述的β-二酮与纤维素纳米晶的超滑组合物。
8.根据权利要求7所述的超滑材料，其特征在于：其包括稠化剂。
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