CN114085699A - 一种液体润滑剂及其制备方法和应用、快速实现超润滑的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种液体润滑剂及其制备方法和应用、快速实现超润滑的方法，涉及润滑剂技术领域。本发明提供的液体润滑剂，包括合成润滑油和天然有机酸。本发明以合成润滑油作为基础润滑剂，添加天然有机酸，能够快速达到超润滑状态(摩擦系数低于0.01)，减少了由于较长磨合期导致的摩擦副的磨损。在本发明中，所述天然有机酸是一种天然的化合物，不会对摩擦副材料造成腐蚀。本发明提供的液体润滑剂绿色环保，不会污染环境。

Description

一种液体润滑剂及其制备方法和应用、快速实现超润滑的 方法
技术领域
本发明涉及润滑剂技术领域，具体涉及一种液体润滑剂及其制备方法和应用、快速实现超润滑的方法。
背景技术
摩擦在我们的日常生活和工业生产中随处可见，一些不必要的摩擦会造成巨大的能源消耗和经济损失。由日本学者Hirano和Shinjo首次提出的超润滑，是一种理论上摩擦力完全消失的润滑状态，但是实际上，由于外界环境的干扰以及测试技术的限制，通常将摩擦系数小于0.01的润滑状态称之为超润滑。超润滑为节约能源、减少经济损失提供了一种可行的解决方案，所以引起了来自不同领域科研人员的广泛关注。
目前，根据所采用的润滑材料的不同，超润滑可以分为固体超润滑和液体超润滑。就固体超润滑而言，许多具有层状结构的二维材料(例如：二硫化钼、石墨烯、石墨片、六方氮化硼、黑磷等)由于具有较弱的层间作用力或无公度接触可以实现固体超润滑。但是，目前对于二维材料的超润滑研究大多局限于纳米尺度和微米尺度，也就是说在宏观尺度很少实现固体超润滑。并且固体超润滑一般依赖于特殊的测试环境，比如特殊的滑动方向、一定的湿度范围、真空或惰性气体等，这在一定程度上大大限制了超润滑技术在实际中的应用。
与固体超润滑相比，许多液体润滑剂(比如水、水合离子、聚合物分子刷、离子液体、多元醇与酸或者与二维材料的混合溶液、生物体黏液等)可以在空气气氛下实现宏观尺度下的超润滑。Tomizawa和Fischer(ASLE Transactions,1987,30(1):41-46.)首次发现水作为润滑材料时可以在Si3N4/Si3N4表面实现超润滑，在经过几个小时的磨合期之后摩擦系数逐渐降低到0.002，但这种陶瓷水基润滑需要较长时间的磨合过程，在达到超润滑之前已经对陶瓷表面造成了严重的磨损。清华大学李津津等(Langmuir,2011,27(15):9413-9417.)发现磷酸溶液可以在不同的陶瓷摩擦副之间实现超润滑，并且他们还建立了基于多羟基醇与酸的混合溶液的新型液体超滑体系(Langmuir,2013,29(1):271-275；Langmuir,2013,29(17):5239-5245；Langmuir,2018,34(12),3578-3587.)，但是，这些酸性润滑剂在使用过程中往往会腐蚀摩擦副材料，污染环境，而且对于使用人员来说可能会非常危险；此外，他们还将各种二维纳米材料作为添加剂应用于液体润滑中(ACS Appl MaterInterfaces,2018,10(47):40863-40870；ACS Appl Mater Interfaces,2019,11(22):20249-20256.)，但是，这种方法仍然需要较长的磨合期，并且成本相对较高。
对于上述液体润滑剂来说，实现超润滑状态仍然需要一个较长的磨合期，这样会对摩擦副造成一定程度的磨损，并且有的酸性润滑剂还会腐蚀摩擦副材料，在使用时存在安全隐患。
发明内容
本发明的目的在于提供一种液体润滑剂及其制备方法和应用、快速实现超润滑的方法，采用本发明提供的液体润滑剂可以快速达到超润滑状态，且原料具有低腐蚀性，不会对摩擦副材料造成腐蚀，绿色无污染。
为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：
本发明提供了一种液体润滑剂，包括合成润滑油和天然有机酸。
优选地，所述合成润滑油和天然有机酸的质量比为1～20:1。
优选地，所述合成润滑油包括聚α烯烃、液体石蜡、烷基化芳烃、聚乙二醇、聚亚烷基二醇和全氟聚醚中的至少一种。
优选地，所述天然有机酸包括单宁酸、酒石酸、草酸、柠檬酸、水杨酸和植酸中的至少一种。
本发明提供了上述技术方案所述液体润滑剂的制备方法，包括以下步骤：将合成润滑油和天然有机酸混合，得到液体润滑剂。
优选地，所述混合在超声条件下进行；所述超声的功率为100～200W；所述超声的时间为10～20min。
本发明提供了上述技术方案所述液体润滑剂或上述技术方案所述制备方法制备得到的液体润滑剂作为超润滑液体润滑剂在工业切削加工、汽车发动机、生物医疗设备或航空航天领域中的应用。
本发明提供了一种快速实现超润滑的方法，包括以下步骤：
将液体润滑剂分别涂覆在上摩擦副和下摩擦副表面，进行磨合，实现超润滑；所述上摩擦副为Si3N4；所述下摩擦副为SiO2；所述磨合的时间为960s以下；所述液体润滑剂为上述技术方案所述液体润滑剂或上述技术方案所述制备方法制备得到的液体润滑剂。
优选地，所述涂覆前还包括：对上摩擦副和下摩擦副进行预处理；所述预处理包括依次进行的清洗和干燥。
优选地，所述磨合的条件包括：载荷为2～4N；频率为2～6Hz；振幅为2mm。
本发明提供了一种液体润滑剂，包括合成润滑油和天然有机酸。本发明以合成润滑油作为基础润滑剂，添加天然有机酸，合成润滑油和天然有机酸之间形成的氢键网络结构不但可以分担较大的载荷，还可以将自由水分子固定在接触区来降低剪切强度，能够快速达到超润滑状态(摩擦系数低于0.01)，减少了由于较长磨合期导致的摩擦副的磨损。在本发明中，所述天然有机酸是一种天然的化合物，不会对摩擦副材料造成腐蚀。本发明提供的液体润滑剂绿色环保，不会污染环境。
附图说明
图1为实施例1制备的液体润滑剂的摩擦系数随时间变化的曲线图；
图2为实施例2制备的液体润滑剂的摩擦系数随时间变化的曲线图；
图3为实施例3制备的液体润滑剂的摩擦系数随时间变化的曲线图。
具体实施方式
本发明提供了一种液体润滑剂，包括合成润滑油和天然有机酸。在本发明中，所述合成润滑油和天然有机酸的质量比优选为1～20:1，更优选为4.5～10:1。在本发明中，天然有机酸均匀溶解在所述合成润滑油中。
在本发明中，所述合成润滑油优选包括聚α烯烃、液体石蜡、烷基化芳烃、聚乙二醇、聚亚烷基二醇和全氟聚醚中的至少一种，更优选为聚α烯烃、聚亚烷基二醇或聚乙二醇。在本发明的具体实施例中，所述聚乙二醇为PEG8000。在本发明中，所述聚乙二醇和聚亚烷基二醇为水基润滑油；当所述合成润滑油为聚乙二醇或聚亚烷基二醇时，所述液体润滑剂的组分还包括水；所述合成润滑油和水的质量比优选为20～40:60～80，更优选为30～35:65～70。
在本发明中，所述天然有机酸优选包括单宁酸、酒石酸、草酸、柠檬酸、水杨酸和植酸中的至少一种，更优选为柠檬酸、植酸或单宁酸。在本发明中，所述天然有机酸广泛存在于各种植物中，对环境污染较小，而且不会对摩擦副材料造成严重的腐蚀。
本发明还提供了上述技术方案所述液体润滑剂的制备方法，包括以下步骤：将合成润滑油和天然有机酸混合，得到液体润滑剂。本发明提供的制备方法简单，易于操作，有利于大规模生产。
在本发明中，当所述合成润滑油为聚乙二醇或聚亚烷基二醇时，先将所述合成润滑油溶于水中，得到水基润滑油溶液；再将所述水基润滑油溶液和天然有机酸混合。
在本发明中，所述混合优选在超声条件下进行；所述超声的功率优选为100～200W，更优选为150～200W；所述超声的时间优选为10～20min，更优选为15～20min。
在本发明中，所述液体润滑剂为无色或淡黄色。
本发明还提供了上述技术方案所述液体润滑剂或上述技术方案所述制备方法制备得到的液体润滑剂作为超润滑液体润滑剂在工业切削加工、汽车发动机、生物医疗设备或航空航天领域中的应用。
本发明还提供了一种快速实现超润滑的方法，包括以下步骤：
将液体润滑剂分别涂覆在上摩擦副和下摩擦副表面，进行磨合，实现超润滑；所述上摩擦副为Si3N4；所述下摩擦副为SiO2；所述磨合的时间为960s以下；所述液体润滑剂为上述技术方案所述液体润滑剂或上述技术方案所述制备方法制备得到的液体润滑剂。
在本发明中，所述液体润滑剂分别涂覆在上摩擦副和下摩擦副表面前，优选还包括：对上摩擦副和下摩擦副进行预处理。在本发明中，所述预处理优选包括依次进行的清洗和干燥。在本发明中，所述清洗优选包括依次进行的乙醇洗和水洗；所述乙醇洗优选在超声条件下进行；所述乙醇洗的时间优选为10min；所述水洗优选为去离子水洗。
在本发明中，所述上摩擦副优选为球形；所述上摩擦副的直径优选为6mm。在本发明中，所述下摩擦副的形状优选为长方形片。
在本发明中，所述磨合的条件优选包括：载荷为2～4N；频率为2～6Hz；振幅为2mm，更优选为：载荷为3～4N；频率为4～6Hz；振幅为2mm。
在本发明中，所述磨合的方式优选为往复模式；所述磨合优选在摩擦磨损试验机中进行。
在本发明中，实现超润滑时，上摩擦副和下摩擦副间的摩擦系数优选小于0.01，更优选为0.004～0.005。
下面将结合本发明中的实施例，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅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。
实施例1
将1g柠檬酸加入到10g聚α烯烃(PAO40)润滑剂中，然后将该混合溶液超声处理10min，使其充分溶解，混合均匀，得到液体润滑剂。
采用摩擦磨损试验机(TRB，安东帕)的往复模式对所述液体润滑剂的摩擦性能进行测试，上摩擦副为直径6mm的Si3N4，下摩擦副为SiO2，测试前，上摩擦副和下摩擦副均在无水乙醇中超声处理10min，然后用去离子水冲洗，最后在烘箱中进行干燥处理；测试载荷为2N，频率为2Hz，振幅为2mm，本实施例采用的液体润滑剂在Si3N4和SiO2之间的摩擦系数随时间的变化如图1所示。从图1中可以看出，该液体润滑剂在经过960s的磨合期后，摩擦系数小于0.01，从而实现超润滑状态，最后摩擦系数稳定在0.005。
实施例2
将0.5g植酸加入到10g聚亚烷基二醇润滑剂的水溶液(聚亚烷基二醇的含量为35wt％)中，然后将该混合溶液超声处理15min，使其充分溶解，混合均匀，得到液体润滑剂。
采用摩擦磨损试验机(TRB，安东帕)的往复模式对所述液体润滑剂的摩擦性能进行测试，上摩擦副为直径6mm的Si3N4，下摩擦副为SiO2，测试前，上摩擦副和下摩擦副均在无水乙醇中超声处理10min，然后用去离子水冲洗，最后在烘箱中进行干燥处理；测试载荷为3N，频率为4Hz，振幅为2mm，本实施例采用的液体润滑剂在Si3N4和SiO2之间的摩擦系数随时间的变化如图2所示。从图2中可以看出，该液体润滑剂在经过20s的磨合期后，摩擦系数小于0.01，从而实现超润滑状态，1200s后摩擦系数稳定在0.004。
实施例3
将0.5g单宁酸加入到7.5g聚乙二醇(PEG8000)润滑剂的水溶液(PEG8000的含量为30wt％)中，然后将该混合溶液超声处理20min，使其充分溶解，混合均匀，得到液体润滑剂。
采用摩擦磨损试验机(TRB，安东帕)的往复模式对所述液体润滑剂的摩擦性能进行测试，上摩擦副为直径6mm的Si3N4，下摩擦副为SiO2，测试前，上摩擦副和下摩擦副均在无水乙醇中超声处理10min，然后用去离子水冲洗，最后在烘箱中进行干燥处理；测试载荷为4N，频率为6Hz，振幅为2mm，本实施例采用的液体润滑剂在Si3N4和SiO2之间的摩擦系数随时间的变化如图3所示。从图3中可以看出，该液体润滑剂在经过10s的磨合期后，摩擦系数小于0.01，从而实现超润滑状态，800s后摩擦系数为0.004。
对比例1
以磷酸水溶液(其中磷酸的含量为85wt％)作为液体润滑剂进行摩擦性能测试，结果见表1。
对比例2
以乙二醇-氧化石墨烯混合水溶液(其中乙二醇和氧化石墨烯的含量分别为20wt％和0.2wt％)作为液体润滑剂进行摩擦性能测试，结果见表1。
对比例3
以PEG200-硼酸混合水溶液(其中PEG200和硼酸的含量分别为32wt％和0.5wt％)作为液体润滑剂进行摩擦性能测试，结果见表1。
对比例4
以甘油-石墨烯混合水溶液(其中甘油和石墨烯的含量分别为25wt％和0.5wt％)作为液体润滑剂进行摩擦性能测试，结果见表1。
表1本发明的液体润滑剂与现有的液体润滑剂的摩擦性能对比
Figure BDA0003388378580000061
Figure BDA0003388378580000071
对比例1中的磷酸和对比例3采用的硼酸会腐蚀摩擦副材料，污染环境；对比例2采用氧化石墨烯作为添加剂应用于液体润滑，成本较高；对比例4采用石墨烯成本较高，而且需要较长的磨合期。采用本发明提供的液体润滑剂可以快速达到超润滑状态，且原料具有低腐蚀性，不会对摩擦副材料造成腐蚀，绿色无污染。
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 (10)

1.一种液体润滑剂，其特征在于，包括合成润滑油和天然有机酸。
2.根据权利要求1所述的液体润滑剂，其特征在于，所述合成润滑油和天然有机酸的质量比为1～20:1。
3.根据权利要求1或2所述的液体润滑剂，其特征在于，所述合成润滑油包括聚α烯烃、液体石蜡、烷基化芳烃、聚乙二醇、聚亚烷基二醇和全氟聚醚中的至少一种。
4.根据权利要求1或2所述的液体润滑剂，其特征在于，所述天然有机酸包括单宁酸、酒石酸、草酸、柠檬酸、水杨酸和植酸中的至少一种。
5.权利要求1～4任一项所述液体润滑剂的制备方法，包括以下步骤：将合成润滑油和天然有机酸混合，得到液体润滑剂。
6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述混合在超声条件下进行；所述超声的功率为100～200W；所述超声的时间为10～20min。
7.权利要求1～4任一项所述液体润滑剂或权利要求5～6任一项所述制备方法制备得到的液体润滑剂作为超润滑液体润滑剂在工业切削加工、汽车发动机、生物医疗设备或航空航天领域中的应用。
8.一种快速实现超润滑的方法，包括以下步骤：
将液体润滑剂分别涂覆在上摩擦副和下摩擦副表面，进行磨合，实现超润滑；所述上摩擦副为Si3N4；所述下摩擦副为SiO2；所述磨合的时间为960s以下；所述液体润滑剂为权利要求1～4任一项所述液体润滑剂或权利要求5～6任一项所述制备方法制备得到的液体润滑剂。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述涂覆前还包括：对上摩擦副和下摩擦副进行预处理；所述预处理包括依次进行的清洗和干燥。
10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述磨合的条件包括：载荷为2～4N；频率为2～6Hz；振幅为2mm。
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