CN113337328B

CN113337328B - 润滑组成物

Info

Publication number: CN113337328B
Application number: CN202010134193.5A
Authority: CN
Inventors: 赖正轩
Original assignee: Longwei Co ltd
Current assignee: Longwei Co ltd
Priority date: 2020-03-02
Filing date: 2020-03-02
Publication date: 2022-11-25
Anticipated expiration: 2040-03-02
Also published as: CN113337328A

Abstract

一种润滑组成物，包含润滑油及多个分散于该润滑油中的纳米复合粒子；每一个纳米复合粒子包括经修饰的纳米钻石粒、形成于该经修饰的纳米钻石粒上的金属层，及形成于该金属层上且用来使每一个纳米复合粒子能够分散于该润滑油中的相容层；每一金属层的材质选自于铜、铁、钼、铝、镍、钴或上述任意的组合；该相容层包括多个相容剂。本发明润滑组成物具有修复被磨耗的金属的表面的能力，且能够降低摩擦系数及磨耗率，并提升咬死荷重的功效。

Description

润滑组成物

技术领域

本发明涉及一种润滑组成物，特别是涉及一种包含纳米复合粒子的润滑组成物。

背景技术

任何机械设备中的金属元件(例如工业机械设备或车辆的各种滑动元件)常常于作动过程中因摩擦而造成磨耗，致使金属的表面更为粗糙，此外，当金属元件间的摩擦系数更大时将更加深磨耗程度，在此恶性循环下，导致金属元件易损坏。基于此，各种润滑油被广泛地应用在机械设备中，以降低金属元件间的摩擦和金属元件的磨耗，但无法对已磨耗的金属元件的表面进行修复。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有修复被磨耗的金属元件的表面的能力，且能够降低摩擦系数及磨耗率，并提升咬死荷重的润滑组成物。

本发明润滑组成物包含包含润滑油及多个分散于该润滑油中的纳米复合粒子；每一个纳米复合粒子包括经修饰的纳米钻石粒、形成于该经修饰的纳米钻石粒上的金属层，及形成于该金属层上且用来使每一个纳米复合粒子能够分散于该润滑油中的相容层；每一金属层的材质选自于铜、铁、钼、铝、镍、钴或上述任意的组合；该相容层包括多个相容剂。

在本发明润滑组成物中，以该润滑组成物的总量为100wt％计，所述纳米复合粒子的含量总和为0.01wt％至0.1wt％。

在本发明的润滑组成物中，每一经修饰的纳米钻石粒的平均粒径范围为4nm至50nm，且以所述纳米复合粒子的总重为100wt％计，所述金属层的含量总和范围为20wt％至50wt％。

在本发明润滑组成物中，每一相容剂包括连接该金属层的螯合基团及连接该螯合基团的烷基链段。

在本发明的润滑组成物中，以所述纳米复合粒子的总重为100wt％计，该烷基链段的含量总和范围为2wt％至10wt％。

在本发明的润滑组成物中，每一个纳米复合粒子的尺寸为5nm至100nm。

在本发明的润滑组成物中，每一个纳米复合粒子的尺寸为10nm至20nm。

在本发明的润滑组成物中，每一相容剂的烷基链段的碳数为5至22。

本发明的有益效果在于：透过纳米复合粒子中的金属层能够在因摩擦生热的状况下而熔化，致使本发明润滑组成物能够附着在已磨耗的金属元件的表面上，而达到修复效果，且纳米复合粒子中经修饰的纳米钻石粒因具有高熔点的特性，不会因熔化从而焊接在金属元件的表面而致使产生擦损现象(scuffing effect)。

具体实施方式

以下将就本发明内容进行详细说明。

[润滑组成物]

本发明润滑组成物包含润滑油及多个分散于该润滑油中的纳米复合粒子。依据不同应用的对象(例如滑动元件)及所需特性，本发明的润滑组成物还包含添加剂，且该添加剂例如增黏剂、清净分散剂、抗氧化剂、油性剂、抗磨剂或消泡剂等。

<润滑油>

该润滑油例如现有能降低金属对象彼此间的摩擦的润滑油。该润滑油可单独一种使用或混合多种使用，且该润滑油例如但不限于为引擎机油、工业齿轮油、冷冻机油、切削油、铸造油、抽线引拔油、液压油，或润滑脂等。

<纳米复合粒子>

每一个纳米复合粒子包括经修饰的纳米钻石粒、形成于该经修饰的纳米钻石粒上的金属层，及形成于该金属层上且用来使每一个纳米复合粒子能够分散于润滑油中的相容层。为能够使本发明润滑组成物在应用过程中能够产生滚珠效应，从而更有效地降低摩擦和减少磨耗，较佳地，每一纳米复合粒子的形状为圆形、半椭圆形或椭圆形，及每一个纳米复合粒子的尺寸为5nm至100nm。在本发明的一些实施态样中，每一个纳米复合粒子的尺寸为10nm至20nm。以该润滑组成物的总量为100wt％计，所述纳米复合粒子的含量总和为0.01wt％至0.1wt％。

<<经修饰的纳米钻石粒>>

每一经修饰的纳米钻石粒是由纳米钻石粒进行表面修饰处理所形成。该纳米钻石粒是经由人工爆炸法所合成的。该表面修饰处理例如使该纳米钻石粒的表面具有氧化基团，例如羧酸基(-COOH)或羟基(-OH)。在本发明的一些实施态样中，该经修饰的纳米钻石粒为表面具有羧酸基的经修饰的纳米钻石粒。所述经修饰的纳米钻石的平均粒径范围为4nm至50nm。在本发明的一些实施态样中，所述经修饰的纳米钻石的平均粒径范围为4nm至10nm。

<<金属层>>

该金属层是完全包覆该经修饰的纳米钻石粒或未完全包覆该经修饰的纳米钻石粒。每一金属层的材质选自于铜、铁、钼、铝、镍、钴或上述任意的组合。在本发明的一些实施态样中，每一金属层的材质选自于铜、铁、钼，或上述任意的组合。以所述纳米复合粒子的总重为100wt％计，所述金属层的含量总和范围为20wt％至50wt％。在本发明的一些实施态样中，以所述纳米复合粒子的总重为100wt％计，所述金属层的含量总和范围为15wt％至30wt％。

<<相容层>>

该相容层包括多个用来使每一个纳米复合粒子能够分散于润滑油中的相容剂。每一相容剂例如但不限于包括连接该金属层的螯合基团及连接该螯合基团的烷基链段的相容剂。该螯合基团为硫醇基(thiol group)、氨基(amino group)、羧酸基(carboxylgroup)，或前述任意的组合。该烷基链段的碳数为5至22。在本发明的一些实施态样中，该烷基链段的碳数为15至22。该相容剂例如但不限于十八烷基硫醇(octadecanethiol)。以所述纳米复合粒子的总重为100wt％计，该烷基链段的含量总和范围为2wt％至10wt％。在本发明的一些实施态样中，以所述纳米复合粒子的总重为100wt％计，该烷基链段的含量总和范围为5wt％至8wt％。

<<纳米复合粒子的制备方法>>

该纳米复合粒子的制备方法包含步骤(a)至步骤(c)。在该步骤(a)中，将表面具有氧化基团的经修饰的纳米钻石粒与金属盐作用，形成复合体，其中，该金属盐选自于铜盐、铁盐、钼盐、铝盐、镍盐、钴盐，或上述任意的组合，该复合体包括经修饰的纳米钻石粒及具有结合于该经修饰的纳米钻石粒上的金属离子的金属离子层。在步骤(b)中，加入还原剂，使该复合体的金属离子层中的金属离子还原成金属，而在该经修饰的纳米钻石粒上形成金属层。在步骤(c)中，加入相容剂，并使该相容剂在该金属层上形成相容层。

经修饰的纳米钻石粒的表面所具有的氧化基团例如羧酸基或羟基等。该铜盐可单独一种使用或混合多种使用，且该铜盐例如但不限于硫酸铜或硝酸铜等。该铁盐可单独一种使用或混合多种使用，且该铁盐例如但不限于硫酸亚铁(FeSO₄)或硫酸铁。该钼盐可单独一种使用或混合多种使用，且该钼盐例如但不限于Mo(II)SO₄、Mo(VI)(SO₄)₃。该铝盐可单独一种使用或混合多种使用，且该铝盐例如但不限于硫酸铝。该镍盐可单独一种使用或混合多种使用，且该镍盐例如但不限于硫酸镍。该钴盐可单独一种使用或混合多种使用，且该钴盐例如但不限于硫酸钴。在该步骤(a)中，是于碱性物质的存在下进行。该碱性物质例如但不限于氢氧化钠。在该步骤(b)中，该还原剂例如但不限于硼氢化钠(NaBH₄)。该相容剂如上所述，所以不再赘述。

本发明将就以下实施例来作进一步说明，但应了解的是，该实施例仅为例示说明之用，而不应被解释为本发明实施之限制。

<制备例1>纳米复合粒子

步骤(a)：将100克形状为圆形且由爆炸法合成法所获得的纳米钻石粒置于一台高温炉中，并加热至450℃，接着，将流速为200sccm的空气导入该高温炉中并持续导入30分钟，以使纳米钻石粒的表面氧化，而形成表面具有羧酸基(-COOH)的经修饰的纳米钻石粒(约85至90克)。然后，将浓度为0.001M的硫酸铜水溶液(包括硫酸铜及水)与表面具有羧酸基的经修饰的纳米钻石粒混合，形成混合液，其中，该硫酸铜与表面具有羧酸基的经修饰的纳米钻石粒的重量比例为1：2。接着，在氢氧化钠的存在下，使该混合液中的硫酸铜水溶液的铜离子与经修饰的纳米钻石粒的羧酸基作用，而附着于经修饰的纳米钻石粒的表面，形成包括复合体的第一溶液，其中，该复合体包括经修饰的纳米钻石粒及具有结合于该经修饰的纳米钻石粒上的铜离子的铜离子层。

步骤(b)：在剧烈搅拌该第一溶液下，加入浓度为0.01M的硼氢化钠水溶液(包括硼氢化钠及水)，以使该复合体的铜离子层中的铜离子还原成铜金属，而在该经修饰的纳米钻石粒上形成金属层。接着，进行过滤处理，获得滤饼，然后，烘干该滤饼，获得复合粉体，其中，该复合粉体包括经修饰的纳米钻石粒及结合并包覆于该经修饰的纳米钻石粒上的铜金属层。

步骤(c)：将该复合粉体与四氢呋喃混合，并加入浓度为0.001M的十八烷基硫醇溶液[包括十八烷基硫醇(作为相容剂)及四氢呋喃]，在剧烈搅拌下，使十八烷基硫醇螯合在该复合粉体的金属层上，形成包括四氢呋喃及稳定地悬浮于四氢呋喃中且尺寸约为56nm的纳米复合粒子的第二溶液。

<制备例2至3>

该制备例2至3的纳米复合粒子的制备方法与该制备例1的纳米复合粒子的制备方法类似，不同在于：在制备例2的步骤(a)中，将硫酸铜水溶液置换成硫酸铁水溶液。在制备例3的步骤(a)中，将硫酸铜水溶液置换成硫酸钼水溶液。

<比较制备例1>

将30毫升且浓度为0.03M的硫酸铜水溶液(包括硫酸铜及水)与浓度为0.05M的溴化四辛基铵溶液(包含溴化四辛基铵及80毫升的甲苯)混合，形成分层混合液。接着，在剧烈搅拌下，在溴化四辛基铵的存在下，慢慢将铜离子从水相转移至甲苯相，待约30分钟后，铜离子完全转移至甲苯相。加入约0.17克的十八烷基硫醇(octadecanethiol)，然后，将25毫升且浓度为0.04M的硼氢化钠水溶液(包括硼氢化钠及水)慢慢加入，并剧烈搅拌3小时，接着，进行减压浓缩处理，并浓缩至体积剩余约10毫升，然后，加入乙醇，而产生沉淀物。进行过滤处理，获得滤饼，接着，烘干该滤饼，获得尺寸约为56nm的纳米复合粒子，其中，该纳米复合粒子包括纳米铜粒及结合于该纳米铜粒上的十八烷基硫醇。

<比较制备例2>

依照中国台湾专利TWI586800B所揭露方法制备包括纳米钻石及键结于该纳米钻石上的共聚寡聚物的纳米复合粒子。该纳米复合粒子中的纳米钻石如同本案制备例1的步骤(a)中的形成表面具有羧酸基的经修饰的纳米钻石粒，而该共聚寡聚物为中国台湾专利TWI586800B所揭露的制备例2。

<评价项目>

金属层含量分析：将制备例1至3的纳米复合粒子及比较制备例1的纳米复合粒子与王水混合并采用王水消化法，使金属层自纳米复合粒子中被溶解出来，接着，进行过滤，获得含有金属的滤液，然后，以耦合电浆质谱仪(ICP-MS)分析滤液中的金属的含量。

相容层的烷基链段含量分析：利用热重分析仪对制备例1至3的纳米复合粒子及比较制备例2的纳米复合粒子进行分析。该分析条件是在氮气环境下，且将温度升高至500℃。

<表1>

<实施例1>润滑组成物

将100克的制备例1的包括纳米复合粒子的第二溶液加入至300克的引擎机油(作为润滑油，符合API美国石油协会规范SN等级)中，在剧烈搅拌下加热至60℃，接着，进行减压浓缩处理，以除去四氢呋喃，获得润滑组成物。

<实施例2至3>润滑组成物

该实施例2至3的润滑组成物的制备方法与该实施例1的润滑组成物的制备方法类似，不同在于：在实施例2中，将制备例1的第二溶液置换成制备例2的第二溶液。在实施例3中，将制备例1的第二溶液置换成制备例3的第二溶液。

<比较例1>

将100克的比较制备例1的纳米复合粒子与四氢呋喃混合，然后，加入至300克的引擎机油(作为润滑油，符合API美国石油协会规范SN等级)中，在剧烈搅拌下加热至60℃，接着，进行减压浓缩处理，以除去四氢呋喃，获得润滑组成物。

<比较例2>

将100克的比较制备例2的纳米复合粒子与四氢呋喃混合，然后，加入至300克的引擎机油(作为润滑油，符合API美国石油协会规范SN等级)中，在剧烈搅拌下加热至60℃，接着，进行减压浓缩处理，以除去四氢呋喃，获得润滑组成物。

<比较例3>

引擎机油，符合API美国石油协会规范SN等级。

<评价项目>

平均摩擦系数、磨耗率与咬死荷重测试方法是参照文献“Wear,vol.268(2010),p960-967”来进行测试。为方便描述量测过程，以实施例1做为代表进行说明，而其余实施例及比较例皆以相同方式进行量测。该测试步骤如下：将实施例1的润滑组成物置于一容器中，接着，将包括上试件及下试件的翼对环(Vane-on-ring)浸泡于该油杯中的润滑组成物内，然后，自该容器中取出，接着，以磨耗试验机(Falex#6,USA)进行平均摩擦系数、磨耗率与咬死荷重分析，其中，该测试条件为360N的荷重、6m/s的滑动速度、总测试时间约为90分钟，且总滑行距离约26280m。该摩擦系数是由数据撷取系统(Red Lion CSMSTRSX,USA)纪录，磨耗率是以光学显微镜及表面轮郭仪进行分析，而咬死荷重则是将荷重由400N逐渐增加且每次增加50N直至上试件与下试件咬死时的荷重。

<表2>

由表2的实验结果可知，相较于比较例3的引擎机油，本发明实施例1至3的润滑组成物能有效降低摩擦系数与磨耗率并提升咬死荷重。然而，相较于比较例2的润滑组成物，本发明实施例1至3的润滑组成物的摩擦系数稍微较大，但在磨耗率上有明显降低，此表示本发明实施例1至3的润滑组成物具有一定的金属表面修复能力，如此的特性，对长期使用上将有助于大幅提高机械元件寿命。特别注意的是，比较例1的纳米复合粒子的摩擦系数异常高，且咬死荷重明显大幅降低，表示纳米铜粒很容易因摩擦生热而熔化从而焊接翼对环的上试件及下试件，导致更容易让上试件及下试件间产生擦损现象(scuffing effect，即上下对磨面熔焊在拉开产生磨擦系数急速上升再下降情况)，因而在磨耗率上并没有明显降低。

Claims

1.一种润滑组成物，包含润滑油及多个分散于该润滑油中的纳米复合粒子；其特征在于：

每一个纳米复合粒子包括经修饰的纳米钻石粒、形成于该经修饰的纳米钻石粒上的金属层，及形成于该金属层上且用来使每一个纳米复合粒子能够分散于该润滑油中的相容层；每一金属层的材质选自于铜、铁、钼、铝、镍、钴或上述任意的组合；该相容层包括多个相容剂；

该纳米复合粒子的制备方法包含步骤(a)至步骤(c)：

在该步骤(a)中，将表面具有氧化基团的经修饰的纳米钻石粒与金属盐作用，形成复合体，其中，该金属盐选自于铜盐、铁盐、钼盐、铝盐、镍盐、钴盐，或上述任意的组合，该复合体包括经修饰的纳米钻石粒及具有结合于该经修饰的纳米钻石粒上的金属离子的金属离子层；

在步骤(b)中，加入还原剂，使该复合体的金属离子层中的金属离子还原成金属，而在该经修饰的纳米钻石粒上形成所述金属层；

在步骤(c)中，加入相容剂，并使该相容剂在所述金属层上形成所述相容层。

2.根据权利要求1所述的润滑组成物，其特征在于：以该润滑组成物的总量为100wt％计，所述纳米复合粒子的含量总和为0.01wt％至0.1wt％。

3.根据权利要求1所述的润滑组成物，其特征在于：每一经修饰的纳米钻石粒的平均粒径范围为4nm至50nm，且以所述纳米复合粒子的总重为100wt％计，所述金属层的含量总和范围为20wt％至50wt％。

4.根据权利要求1所述的润滑组成物，其特征在于：每一相容剂包括连接该金属层的螯合基团及连接该螯合基团的烷基链段。

5.根据权利要求4所述的润滑组成物，其特征在于：以所述纳米复合粒子的总重为100wt％计，该烷基链段的含量总和范围为2wt％至10wt％。

6.根据权利要求2所述的润滑组成物，其特征在于：每一个纳米复合粒子的尺寸为5nm至100nm。

7.根据权利要求6所述的润滑组成物，其特征在于：每一个纳米复合粒子的尺寸为10nm至20nm。

8.根据权利要求4所述的润滑组成物，其特征在于：每一相容剂的烷基链段的碳数为5至22。