CN113061477B - 一种水基润滑剂的添加剂及其制备方法 - Google Patents

一种水基润滑剂的添加剂及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本案涉及一种用于水基润滑剂的添加剂及其制备方法，所述添加剂是由温敏性聚合物与两性化合物首先通过ATRP聚合制得共聚物，再与功能化石墨烯反应得到的一种含石墨烯的温敏微凝胶。本发明采用ATRP乳液聚合制得了PEGA微凝胶，同时利用末端溴与羧基化石墨烯反应，使石墨烯通过化学键的方式连接在微凝胶表面，增大了其稳定性和润滑性；将该含石墨烯的微凝胶作为水基润滑剂的添加剂添加到纯水中，在钢‑钢摩擦副条件下，将纯水的摩擦系数由0.5降低到了0.11；由于添加剂具有温敏性，其LCST值可控，当温度超过微凝胶的LCST值时，水基润滑剂的摩擦系数逐渐降低，起到智能调节润滑的作用。

Description

一种水基润滑剂的添加剂及其制备方法
技术领域
本发明属于润滑剂改性技术领域，具体为一种水基润滑剂的添加剂及其制备方法。
背景技术
与日益匮乏的石油等不可再生矿物资源相比，水的来源广泛，因此在摩擦润滑领域，人们也一直尝试使用水来代替这些矿物油炼制成的油类润滑剂。然而由于水的粘度低，水基润滑剂存在成模性较差的问题，很难在润滑界面形成稳定的具有抗摩减摩作用的润滑膜，限制了其在实际中的应用。
为了提高水的润滑性能，研究性能稳定的水性添加剂是提高水基润滑剂性能和拓宽其使用范围的关键。并且随着科技的不断发展，智能材料逐渐成为人类生产、生活所使用的住到材料之一，通过添加温度响应性材料对实现摩擦性能的智能调节具有一定的研究价值。
发明内容
针对现有技术中的不足之处，本发明旨在提供一种性能稳定、具有一定温度响应性的微凝胶，其能够作为添加剂提高水基润滑液的润滑性能。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种用于水基润滑剂的添加剂，是由温敏性聚合物与两性化合物首先通过ATRP(原子转移自由基聚合)法聚合制得共聚物，再与功能化石墨烯反应得到的一种含石墨烯的温敏微凝胶。
进一步地，所述温敏性聚合物为聚乙二醇丙烯酸甲酯(PEGA)或聚丙烯酸乙氧基乙氧基乙酯(PEGMA)，所述两性化合物为[2-(甲基丙烯酰基氧基)乙基]二甲基-(3-磺酸丙基)氢氧化铵(MSA)，所述功能化石墨烯为羧基化石墨烯。
本发明进一步提供一种如上所述的用于水基润滑剂的添加剂的制备方法，其包括以下步骤：
1)将温敏性聚合物和两性化合物加入到反应装置中，向瓶中通入氮气，随后加入交联单体、催化剂和配体，加水和表面活性剂搅拌使其混合均匀，随后滴加引发剂，在氮气氛围下密封反应4-6h，得到乳白色微凝胶溶液；
2)向步骤1)中添加石墨烯和催化量的二氮杂二环(DBU)，40～50℃下反应3-5h，得到含石墨烯的温敏微凝胶；
3)使用去离子水透析制得的含石墨烯的温敏微凝胶，经过5-7天透析处理即制得所述用于水基润滑剂的添加剂。
进一步地，所述交联单体为N,N'-亚甲基双丙烯酰胺(BIS)，所述表面活性剂为十二烷基苯磺酸钠(SDBS)、十二烷基磺酸钠(SDS)或壬基酚聚氧乙烯醚(NP-10)。
进一步地，所述催化剂为溴化亚铜、溴化铜或两者的组合物，所述配体为N,N,N',N”,N”'-五甲基二亚乙基三胺(PMDETA)，所述引发剂为2-溴丙酸乙酯、2-溴异丁酸乙酯、2-溴丙烯酸乙酯中的一种或多种。
进一步地，所述温敏性聚合物、两性化合物、交联单体、催化剂、配体和引发剂的摩尔比为50:10～50:1.5:1:2:1。
本发明的有益效果是：本发明采用ATRP乳液聚合制得了PEGA微凝胶，同时利用末端溴与羧基化石墨烯反应，使石墨烯通过化学键的方式连接在微凝胶表面，增大了其稳定性和润滑性；将该含石墨烯的微凝胶作为水基润滑剂的添加剂添加到纯水中，在钢-钢摩擦副条件下，将纯水的摩擦系数由0.5降低到了0.11；由于添加剂具有温敏性，因此当温度超过微凝胶的LCST(临界胶束浓度)值时，水基润滑剂的摩擦系数逐渐降低，起到智能调节润滑的作用。
附图说明
图1为实施例1-3以及对比例1-2的摩擦系数-温度变化关系图。
具体实施方式
下面将结合实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
PEGA(Mn＝480g/mol)、PEGMA(Mn＝500g/mol)、MSA纯度大于98％，购于ALDRICH，过中性氧化铝低温保存；2-溴丙酸乙酯、2-溴异丁酸乙酯、2-溴丙烯酸乙酯购于百灵威(上海)科技有限公司，直接使用；DBU日本东京化成工业株式会社；BIS购于上海笛柏生物科技有限公司；SDBS、SDS和NP-10购于上海伊卡生物技术有限公司；PMDETA购于上海吉至生化科技有限公司；溴化亚铜、溴化铜购于安耐吉化学，直接使用；羧基化石墨烯粉末，0.5-5μm厚，购自先丰纳米。
实施例1：
1)将10mmol PEGA和2mmol MSA加入到反应装置中，向瓶中通入氮气，随后加入0.3mmol BIS、0.2mmol溴化亚铜和0.4mmol PMDETA，加1g SDBS以及200ml水搅拌使其混合均匀，随后滴加0.2mmol 2-溴丙酸乙酯，在氮气氛围下密封反应4-6h，得到乳白色微凝胶溶液；
2)向步骤1)中添加1g羧基化石墨烯粉末和催化量的DBU，40～50℃下反应3-5h，得到含石墨烯的温敏微凝胶；
3)使用去离子水透析制得的含石墨烯的温敏微凝胶，经过5-7天透析处理即制得所述用于水基润滑剂的添加剂。
实施例2：
1)将10mmol PEGA和6mmol MSA加入到反应装置中，向瓶中通入氮气，随后加入0.3mmol BIS、0.2mmol溴化铜和0.4mmol PMDETA，加1g NP-10以及200ml水搅拌使其混合均匀，随后滴加0.2mmol 2-溴丙酸乙酯，在氮气氛围下密封反应4-6h，得到乳白色微凝胶溶液；
2)向步骤1)中添加1g羧基化石墨烯粉末和催化量的DBU，40～50℃下反应3-5h，得到含石墨烯的温敏微凝胶；
3)使用去离子水透析制得的含石墨烯的温敏微凝胶，经过5-7天透析处理即制得所述用于水基润滑剂的添加剂。
实施例3：
1)将10mmol PEGA和10mmol MSA加入到反应装置中，向瓶中通入氮气，随后加入0.3mmol BIS、0.2mmol溴化亚铜和0.4mmol PMDETA，加1g SDS以及200ml水搅拌使其混合均匀，随后滴加0.2mmol 2-溴异丁酸乙酯，在氮气氛围下密封反应4-6h，得到乳白色微凝胶溶液；
2)向步骤1)中添加1g羧基化石墨烯粉末和催化量的DBU，40～50℃下反应3-5h，得到含石墨烯的温敏微凝胶；
3)使用去离子水透析制得的含石墨烯的温敏微凝胶，经过5-7天透析处理即制得所述用于水基润滑剂的添加剂。
对比例1：
1)将10mmol PEGA加入到反应装置中，向瓶中通入氮气，随后加入0.3mmol BIS、0.2mmol溴化亚铜和0.4mmol PMDETA，加1g SDS以及200ml水搅拌使其混合均匀，随后滴加0.2mmol 2-溴异丁酸乙酯，在氮气氛围下密封反应4-6h，得到乳白色微凝胶溶液；
2)向步骤1)中添加1g羧基化石墨烯粉末和催化量的DBU，40～50℃下反应3-5h，得到含石墨烯的温敏微凝胶；
3)使用去离子水透析制得的含石墨烯的温敏微凝胶，经过5-7天透析处理即制得所述用于水基润滑剂的添加剂。
对比例2：
1)将10mmol PEGA加入到反应装置中，向瓶中通入氮气，随后加入0.3mmol BIS、0.2mmol溴化亚铜和0.4mmol PMDETA，加1g SDS以及200ml水搅拌使其混合均匀，随后滴加0.2mmol 2-溴异丁酸乙酯，在氮气氛围下密封反应4-6h，得到乳白色微凝胶溶液；
2)使用去离子水经过5-7天透析处理即制得所述用于水基润滑剂的添加剂。
温敏性测定：将干燥微凝胶样品置于不同温度下的去离子水中，溶胀平衡后，去除微凝胶，擦干其表面的水分，称重，计算各个温度下的平衡溶胀率，上述实施例1-3及对比例1-2的LCST记录在表1中。
将实施例1-3及对比例1-2微凝胶加水稀释制成1wt％的水基润滑剂，摩擦副接触形式为球盘点接触，运动方式为往复运动型，载荷设置为50N，频率为15Hz，滑动时间30min，温度为各微凝胶LCST+5℃。
LCST(℃) 摩擦系数LCST+5℃
实施例1 93.25 0.12
实施例2 82.15 0.12
实施例3 70.98 0.11
对比例1 105.22 0.18
对比例2 107.65 0.22
从表1中可以看到当微凝胶中两性化合物投料量不一时，其LCST值也会发生变化，当温度升高至LCST+5℃时，纯水的摩擦系数约为0.5，而实施例1-3的摩擦系数均降低至0.11左右，对比例1-2也降低到了0.2左右。
为了更好的看出上述各水基润滑剂的摩擦系数随温度的变化关系，将测试的温度范围设置为各微凝胶LCST的正负5℃范围内，得到如图1所示的摩擦系数-温度变化曲线图。
由于微凝胶在温度升高至LCST时，分子结构显示疏水性，失水收缩，体积随之减小，变成塌陷的不规则形状，导致在摩擦界面很难发生滚动，因而摩擦系数增高，而当温度超过LCST时，微凝胶结构发生急剧收缩，在摩擦界面起到弹性滚珠的作用，能够降低水溶液的摩擦系数。因此从图1中可以看到对比例1和对比例2表现为随着温度升高，摩擦系数先变大再减小。但在实际应用中，摩擦系数增大对设备具有一定的不利影响。
本案的实施例1-3则解决了在温度升高过程中摩擦系数先增大的这一弊端，在温度升高至LCST时的摩擦系数变化不明显，超过该温度时，摩擦系数逐渐减小，且摩擦系数较低。这可能是因为本案在制备微凝胶时，采用了一种两性化合物与PEGA共聚，具有较强的水合能力，在其静电相互作用下减缓了微凝胶结构的塌陷，同时在外部石墨烯的保护作用下，当温度升高时，微凝胶结构急剧收缩，在摩擦界面起到弹性滚珠的作用，摩擦系数逐渐减小。
本案制得的添加剂能够有效降低水基润滑剂的摩擦系数，可调节聚合物投料量制得具有不同LCST值的水基润滑剂，根据温度的变化，实现水基润滑剂表面润滑性能的智能调控。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节。

Claims (4)

1.一种水基润滑剂的添加剂，其特征在于，是由温敏性聚合物与两性化合物首先通过ATRP聚合制得共聚物，再与功能化石墨烯反应得到的一种含石墨烯的温敏微凝胶；
所述水基润滑剂的添加剂的制备方法包括以下步骤：
1)将温敏性聚合物和两性化合物加入到反应装置中，向瓶中通入氮气，随后加入交联单体、催化剂和配体，加水和表面活性剂搅拌使其混合均匀，随后滴加引发剂，在氮气氛围下密封反应4-6h，得到乳白色微凝胶溶液；
2)向步骤1)中添加功能化石墨烯和催化量的二氮杂二环，40～50℃下反应3-5h，得到含石墨烯的温敏微凝胶；
3)使用去离子水透析制得的含石墨烯的温敏微凝胶，经过5-7天透析处理即制得用于水基润滑剂的添加剂；
其中，所述温敏性聚合物为聚乙二醇丙烯酸甲酯或聚丙烯酸乙氧基乙氧基乙酯，所述两性化合物为[2-(甲基丙烯酰基氧基)乙基]二甲基-(3-磺酸丙基)氢氧化铵，所述功能化石墨烯为羧基化石墨烯。
2.如权利要求1所述的水基润滑剂的添加剂，其特征在于，所述交联单体为N,N'-亚甲基双丙烯酰胺，所述表面活性剂为十二烷基苯磺酸钠、十二烷基磺酸钠或壬基酚聚氧乙烯醚。
3.如权利要求1所述的水基润滑剂的添加剂，其特征在于，所述催化剂为溴化亚铜、溴化铜或两者的组合物，所述配体为N,N,N',N”,N”'-五甲基二亚乙基三胺，所述引发剂为2-溴丙酸乙酯、2-溴异丁酸乙酯、2-溴丙烯酸乙酯中的一种或多种。
4.如权利要求1所述的水基润滑剂的添加剂，其特征在于，所述温敏性聚合物、两性化合物、交联单体、催化剂、配体和引发剂的摩尔比为50:10～50:1.5:1:2:1。
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