CN112457900A - 六方氮化硼纳米片作为添加剂改性液晶润滑剂的应用及耐磨性液晶润滑剂 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种六方氮化硼纳米片作为添加剂改性液晶润滑剂的应用及耐磨性液晶润滑剂。所述液晶润滑剂为4‑正戊基‑4‑氰基联苯液晶，六方氮化硼纳米片有效添加浓度为0.005wt％‑0.02wt％。本发明还提供耐磨性液晶润滑剂的制备方法。所述添加有六方氮化硼纳米片的液晶润滑剂，在室温下涂覆到摩擦区域，无需对润滑剂和摩擦区域预热，可使钢球磨损最高下降33.3％，能扩展其应用范围。

Description

六方氮化硼纳米片作为添加剂改性液晶润滑剂的应用及耐磨 性液晶润滑剂
技术领域
本发明涉及一种六方氮化硼纳米片作为添加剂改性液晶润滑剂的应用及耐磨性液晶润滑剂，尤其涉及六方氮化硼纳米片改善4-正戊基-4-氰基联苯液晶润滑剂耐磨性的应用，属于润滑技术领域，
背景技术
任何运动的系统中都存在摩擦，摩擦是一种不可避免的自然现象，摩擦导致的磨损是机器零件失效的重要原因。提高润滑液的抗磨性能，是延长机械零件寿命的主要途径。润滑是降低摩擦系数、提高抗磨性能的重要手段，就目前情况来看，润滑技术的主要实现方式为在摩擦界面内添加润滑剂。基础润滑剂的润滑性能对在润滑中起决定性作用，因此选择合适的基础润滑剂十分重要。液晶同时具有流体的流动性和固体的分子排布有序性的物理特点，因此表现出比传统润滑剂更低的摩擦系数和更高的承载能力。虽然与传统润滑油相比，液晶润滑时的摩擦系数和摩擦副磨损都有较大改善，但直接使用液晶润滑后的摩擦表面形貌较为粗糙，磨损表面有凸凹不平，参见Chen H,Xu C,Xiao G,et al.UltralowFriction Between Steel Surfaces Achieved by Lubricating with Liquid CrystalAfter a Running-in Process with Acetylacetone[J].Tribology Letters,2018,66(2):68。这在实际工程应用中无疑会影响设备运行的平稳性。
使用添加剂改性液晶润滑剂被认为是进一步提高液晶润滑性能的重要手段，有报道称石墨烯作为液晶润滑剂的添加剂可以改善液晶润滑剂的润滑性能。参见陈丽萍等“石墨烯离子液体层状液晶的构建及其润滑性能研究”，《中国化学会第十四届胶体与界面化学会议论文摘要集-第1分会：表面界面与纳米结构材料》2013年。4-正戊基-4-氰基联苯(5CB)主要用作润滑添加剂。有报道表明石墨烯与4-正戊基-4-氰基联苯(G/5CB)液晶润滑剂与纯5CB相比，在室温和45℃恒温时G/5CB对摩擦系数和钢球磨损的改善都非常有限，在45℃预热处理后到再降至室温，则能降低摩擦系数和钢球磨损。然而，使用前预热摩擦区会增加应用难度，限制其应用范围。因此石墨烯作为液晶润滑剂的添加剂具有局限性。为此提出本发明。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明旨在提供六方氮化硼纳米片作为添加剂改性液晶润滑剂的应用。
本发明还提供一种耐磨性液晶润滑剂，即添加六方氮化硼纳米片的4-正戊基-4-氰基联苯液晶润滑剂及其制备方法。
本发明还提供添加六方氮化硼纳米片的4-正戊基-4-氰基联苯液晶作为润滑剂的应用。
术语说明：
4-正戊基-4-氰基联苯，简写为5CB；
六方氮化硼，简写为h-BN；
六方氮化硼/4-正戊基-4-氰基联苯，简写为h-BN/5CB。
室温，具有本领域公知的含义，一般范围在23-27℃。
本发明的技术方案如下：
六方氮化硼纳米片作为添加剂改性液晶润滑剂的应用，其中六方氮化硼纳米片用于改善液晶润滑剂耐磨性。
优选的，所述液晶润滑剂为4-正戊基-4-氰基联苯液晶。
根据本发明，所述六方氮化硼纳米片作为添加剂改性液晶润滑剂的应用，室温下将所述润滑剂涂覆到摩擦区域，无需对润滑剂和摩擦区域预热。
进一步，所述六方氮化硼纳米片作为改善4-正戊基-4-氰基联苯液晶润滑剂耐磨特性的应用。
据本发明优选的，所述六方氮化硼纳米片尺寸为片径100～200nm，厚度5～10nm。
一种耐磨性液晶润滑剂，由添加剂六方氮化硼纳米片和4-正戊基-4-氰基联苯液晶组成，其中，六方氮化硼纳米片有效添加浓度为0.005wt％-0.02wt％。所述润滑剂记为h-BN/5CB润滑剂。
优选的，所述六方氮化硼纳米片有效添加浓度为0.01wt％。
一种耐磨性液晶润滑剂的制备方法，包括：
步骤1：在25-35℃温度下，将h-BN粉体超声分散到无水乙醇溶剂中，配成浓度为0.05-0.2mg/mL的h-BN分散液；
步骤2：室温环境下，按体积比2:1-1:2，将步骤1中所制备的h-BN分散液与5CB液晶混合，在35-50℃温度下进行机械搅拌和超声分散处理，得混合均匀的悬浮液；
步骤3：将步骤2所制备的悬浮液在55-65℃条件下进行真空干燥，待无水乙醇蒸发完全后，得到h-BN/5CB悬浮液，即为耐磨性液晶润滑剂。
根据本发明，添加六方氮化硼纳米片的4-正戊基-4-氰基联苯液晶(耐磨性液晶润滑剂)作为润滑剂的应用，室温下将所述润滑剂涂覆到摩擦区域，摩擦副为金属材质。无需对h-BN/5CB润滑剂和摩擦区域预热。
根据本发明的应用，按摩擦球直径6mm计，所述h-BN/5CB润滑剂的用量为0.15-0.25mL，优选0.02mL。摩擦时间为25-35min，优选30min。
根据本发明摩擦实验结果表明，添加h-BN不仅提高了5CB液晶润滑时的抗磨性能还使磨损表面变得更光滑平整且洁净，同时也能在一定程度上降低润滑时的摩擦系数。
本发明实验发现h-BN的有效添加浓度为0.005wt％-0.020wt％，优选浓度为0.010wt％。表1为纵向载荷为2N时，h-BN浓度分别为0.005wt％、0.010wt％、0.015wt％和0.020wt％时使用h-BN/5CB润滑剂进行实验测得的摩擦系数和摩擦球的磨痕直径，表中结果为重复3次实验所得到的平均值，实验时间为30min。
表1不同h-BN浓度的h-BN/5CB润滑剂的摩擦实验结果
Figure BDA0002831979750000031
分析表1数据可以发现:与直接使用5CB润滑时相比，本发明将h-BN用作改善5CB耐磨特性时效果显著，润滑后钢球的磨痕直径显著降低，摩擦系数也有一定程度下降，其中h-BN浓度为0.010wt的h-BN/5CB润滑剂的抗磨性能最好。
本发明的技术特点及有益效果：
在润滑领域，液晶主要直接作为润滑剂或作为其他润滑剂的添加剂来使用。液晶与传统润滑剂的最大区别在于其分子排列的有序性，而添加剂的加入可改变液晶分子的取向性，从而影响其润滑特性。5CB液晶为室温液晶，熔点为22℃，清亮点为35℃，易于控制其液态与液晶态之间的转化。
本发明充分利用了h-BN的自润滑性能和超薄的片状结构特点，首次利用六方氮化硼纳米片作为添加剂对液晶润滑剂进行改性，制备过程中不需要添加表面活性剂或其他物质，仅利用简单的分散、干燥等步骤即可实现h-BN在5CB液晶中的均匀分散，在用作改善5CB液晶润滑剂耐磨性时效果非常显著。与现有技术相比，本发明将h-BN用作改善5CB液晶润滑剂耐磨性的应用实用性更高，添加六方氮化硼纳米片的4-正戊基-4-氰基联苯液晶(h-BN/5CB)使用前无需预热，也无需对摩擦区域预热，室温下应用即可使钢球磨损最高下降33.3％，可以方便地扩展其应用范围。
附图说明
图1是不同h-BN浓度的h-BN/5CB润滑时摩擦系数随时间的变化情况。
图2是不同h-BN浓度的h-BN/5CB润滑时的平均摩擦系数。
图3是经不同h-BN浓度的h-BN/5CB润滑后摩擦球的平均磨痕直径。
图4是实验例1润滑剂5CB摩擦实验后的摩擦球磨痕形貌。
图5是实验例3润滑剂5CB+0.010wt％h-BN摩擦实验后的摩擦球磨痕形貌。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明做进一步说明，但不限于此。
实施例中h-BN的尺寸为片径100～200nm，厚度5～10nm。
实施例1、h-BN浓度为0.010wt％的h-BN/5CB的制备
步骤1：浓度为0.1mg/mL的h-BN分散液的制备
按比例将干燥密封的h-BN粉体加入到无水乙醇溶剂中，25-35℃水浴条件下超声分散并缓慢搅拌，时间为10min。配成浓度为0.1mg/mL的h-BN分散液，玻璃瓶密封避光保存；
步骤2：室温下，取等体积步骤1中所制备的h-BN分散液与5CB液晶进行混合。在35-50℃水浴加热条件下同时对悬浮液进行机械搅拌和超声分散处理，时间为30min，以实现h-BN、无水乙醇和5CB混合均匀；
步骤3：将步骤2所制备的悬浮液在55-65℃条件下进行真空干燥，待无水乙醇蒸发完全之后，得到h-BN浓度为0.010wt％的h-BN/5CB悬浮液(简写为5CB+0.010wt％h-BN，下同)。
按照以上实施例1的方法，只改变h-BN分散液和5CB混合的体积比，分别制备h-BN浓度为0.005wt％、0.010wt％、0.015wt％、0.020wt％的h-BN/5CB悬浮液，备用。
实施例2：h-BN/5CB悬浮液作为润滑剂的应用实验
采用摩擦磨损试验机测量摩擦系数，最终结果为3次重复实验摩擦系数的平均值。实验条件：室温，相对湿度为35％-45％，球-盘摩擦副。实施例中所用的金属摩擦副材质为GCr15钢，摩擦球直径为6mm。润滑剂的添加量为0.02mL，钢球和圆盘之间载荷为2N，球以0.38m/s的速度在圆盘上滑动，摩擦实验时间为30min。
摩擦实验结束后，先用酒精将钢球上的润滑剂残留物清洗掉，然后分别在酒精和丙酮溶液中进行超声清洗并干燥。干燥后的摩擦球在超景深显微镜下测量其磨痕直径，最终磨痕直径为3次重复使用磨痕直径的平均值。
摩擦实验分五组进行，h-BN/5CB润滑剂中h-BN的浓度分别为0、0.005wt％、0.010wt％、0.015wt％、0.020wt％。
实验例1：以5CB作为润滑剂(对照)
以5CB为润滑剂进行摩擦磨损实验，测定其润滑性能，测试步骤如下：
步骤1：用无水乙醇和丙酮对金属摩擦副表面进行清洗并干燥，去除表面杂质，以消除摩擦表面杂质对摩擦实验的影响；
步骤2：取0.02mL的5CB均匀涂覆在摩擦区域内；
步骤3：启动摩擦磨损试验机，试验机自动实时记录摩擦系数随时间变化情况；
步骤4：摩擦实验结束后，将摩擦球上的润滑剂残留物先用无水乙醇清洗掉，然后分别在酒精和丙酮溶液中进行超声清洗并干燥。干燥后的摩擦球在超景深显微镜下测量其磨痕直径。
三次实验结束后测得摩擦系数平均值和钢球磨痕直径分别为0.0573和195μm。
摩擦球磨痕形貌如图4所示。
实验例2：以5CB+0.005wt％h-BN作为润滑剂
实验方法如实验例1所述。测得摩擦系数平均值和钢球磨痕直径分别为0.0515和157μm。
实验例3：以5CB+0.010wt％h-BN作为润滑剂
实验方法如实验例1所述，测得摩擦系数平均值和钢球磨痕直径分别为0.0490和130μm。摩擦球磨痕形貌如图5所示。与实验例1(图4)相比钢球磨痕直径明显减小，磨痕表面形貌也明显改善。
实验例4：以5CB+0.015wt％h-BN作为润滑剂
实验方法如实验例1所述，测得摩擦系数平均值和钢球磨痕直径分别为0.0519和147μm。
实验例5：以5CB+0.020wt％h-BN作为润滑剂
实验方法如实验例1所述，测得摩擦系数平均值和钢球磨痕直径分别为0.0563和171μm。
由上述实验例可知，六方氮化硼纳米片在用作改善4-正戊基-4-氰基联苯液晶润滑剂耐磨性的应用时，可显著改善液晶润滑剂的耐磨性能，钢球磨损显著降低，同时与直接使用液晶润滑时的粗糙磨损表面相比，磨损表面也更加平整和光滑；h-BN/5CB的润滑性能受h-BN浓度的影响，当h-BN的浓度为0.01wt％时h-BN/5CB的润滑性能最好，与5CB相比摩擦系数和摩擦球的磨痕直径分别降低了约14.3％和33.8％。

Claims (10)

1.六方氮化硼纳米片作为添加剂改性液晶润滑剂的应用，其中六方氮化硼纳米片用于改善液晶润滑剂耐磨性。
2.根据权利要求1所述的应用，其中所述液晶润滑剂为4-正戊基-4-氰基联苯液晶。
3.根据权利要求1所述的应用，其特征在于所述六方氮化硼纳米片尺寸为片径100～200nm，厚度5～10nm。
4.六方氮化硼纳米片作为改善4-正戊基-4-氰基联苯液晶润滑剂耐磨特性的应用。
5.根据权利要求4所述的应用，其特征在于，所述六方氮化硼纳米片尺寸为片径100～200nm，厚度5～10nm。
6.一种耐磨性液晶润滑剂，由添加剂六方氮化硼纳米片和4-正戊基-4-氰基联苯液晶组成，其中，六方氮化硼纳米片的有效添加浓度为0.005wt％-0.02wt％。
7.根据权利要求6所述的耐磨性液晶润滑剂，其特征在于，所述六方氮化硼纳米片的有效添加浓度为0.01wt％。
8.如权利要求6或7所述的耐磨性液晶润滑剂的制备方法，包括：
步骤1：在25-35℃温度下，将h-BN粉体超声分散到无水乙醇溶剂中，配成浓度为0.05-0.2mg/mL的h-BN分散液；
步骤2：室温环境下，按体积比2:1-1:2，将步骤1中所制备的h-BN分散液与5CB液晶混合，在35-50℃温度下进行机械搅拌和超声分散处理，得混合均匀的悬浮液；
步骤3：将步骤2所制备的悬浮液在55-65℃条件下进行真空干燥，待无水乙醇蒸发完全后，得到h-BN/5CB悬浮液，即为液晶润滑剂。
9.权利要求6或7所述的耐磨性液晶润滑剂的应用，室温下将所述润滑剂涂覆到摩擦区域，摩擦副为金属材质；无需对润滑剂和摩擦区域预热。
10.如权利要求9所述的应用，按摩擦球直径6mm计，所述h-BN/5CB润滑剂的用量为0.15-0.25mL，优选0.02mL。
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