納米坡縷石的分散工藝對潤滑油摩擦性能的影響*

張勇杰 朱湘寧 楊 綠

(貴州大學機械工程學院,貴州 貴陽 550003)

潤滑油是廣泛應用于各種設備、機械、儀器中的潤滑劑。它能夠延長設備、儀器、機械的使用壽命,減少設備故障率。潤滑油質量主要取決于添加劑的種類和質量水平[1]。采用納米粒子作為潤滑油添加劑,不僅可以使設備運轉時產生一層或多層潤滑油膜,減小摩擦系數,而且可以對摩擦表面進行一定的修補和修復,起到自修復作用。此研究對減少能耗,延長機械的使用壽命和維修周期具有重要意義[2]。

由于坡縷石具有獨特的層鏈狀結構和微孔結構以及耐熱性能好、吸附性能強、比表面積大、較低的密度等特點,因此可使用坡縷石納米材料作為潤滑油的添加劑[3]。實驗證明,納米材料在基體材料中的分散程度直接影響到材料的性能,納米材料的分散和防團聚技術是納米材料是否實用化的關鍵和難點。為了確保納米粒子在潤滑油中以納米級尺寸存在,并與潤滑油有良好的相容性,必須對納米粒子進行較好的分散。

1 納米坡縷石添加劑潤滑油的制備

1.1 試驗設備

SF120粉碎機,離心機,QM－4H型試驗行星磨,SW－1012型超聲分散儀。

1.2 坡縷石的提純和前期準備

本文采用產于貴州大方的坡縷石。坡縷石礦表面經清洗,在80℃下烘干,手工剝成片狀,用SF120粉碎機粉碎并分篩得到100目左右粒度的粉體。將粉體制漿并離心提純作為制備坡縷石納米的原料,并烘干,備用。流程如圖1所示。

1.3 坡縷石納米材料添加劑的制備

方案一:將已經通過粉碎提純后的坡縷石在QM－4H型試驗行星磨中干磨40 h,在干磨的過程中每3 h刮壁,將干磨后的坡縷石放入坩堝中研磨,然后加入酒精濕磨24 h,每3 h刮壁。濕磨過后加入硅烷偶聯劑KH－550繼續磨12 h,烘干,備用。將研磨后的坡縷石加入基礎油(加入基礎油的量與濕法加入的酒精量相當)研磨,把磨好的坡縷石潤滑油進行收集,放入燒杯中稀釋,取樣備用。實驗流程如圖2所示。

方案二:將已經通過粉碎提純坡縷石在QM－4H型試驗行星磨中干磨40 h,在干磨過程中每3 h刮壁,將干磨后的坡縷石加入酒精濕磨36 h,每3 h刮壁,加入硅烷偶聯劑KH－550手工研磨。具體研磨方法為將研缽放入烘箱中,60℃干燥30 min,然后取出研磨,如此反復至坡縷石完全干燥,再放入烘箱中升溫至100℃干燥1 h,取出研磨,再放入烘箱中升溫至120℃,干燥1 h,取出再研磨,備用。實驗流程如圖3。

方案三:將已經通過粉碎提純后的坡縷石在QM－4H型試驗行星磨中干磨40 h,加入酒精、硅烷偶聯劑KH－550濕磨36 h,烘干,取樣備用。實驗流程如圖4所示。

1.4 坡縷石納米材料在潤滑劑中的分散工藝

將制備好的三種材料按質量分數2%加入基礎油中,先采用磁力分散15 min,然后使用SW－1012型超聲分散儀分散40 min,觀察三種油品,納米材料都很好地分散在基礎油中,無沉淀。在室溫下放置24 h后,方案二和方案三出現少量沉淀,方案一無沉淀出現。

2 摩擦性能實驗

2.1 試驗設備

高速高溫摩擦磨損試驗機MMU－10G。

2.2 試件制備

試驗中試件如圖5所示,上下試件接觸部分為一個圓環,上試件轉動,下試件放入油槽中,使潤滑油充分進入接觸面,使其充分潤滑。摩擦實驗示意圖如圖6所示。

上下試件材料均為45#鋼,經860℃淬火,450℃回火,保溫4 h,硬度為43～45 HRC,表面粗糙度為Ra=0.8μm。

2.3 試驗結果及討論

在摩擦試驗用的高速高溫摩擦磨損試驗機上,對不同分散工藝分散的納米坡縷石潤滑油進行摩擦試驗:設定轉速為315 r/min,試驗時間為2 h,正壓力為250 N。通過2 h的摩擦試驗,選取穩定的10 min進行數據采集。

基礎油:在穩定的10 min內測得的平均摩擦系數為0.07524 。如圖7所示。

方案一:在穩定的10 min內測得的平均摩擦系數為0.06518 。如圖8所示。

方案二:在穩定的10min內測得的平均摩擦系數為0.06688 。如圖9所示。

方案三:在穩定的10 min內測得的平均摩擦系數為0.07011 。如圖10所示。

通過上述數據可以看出,添加坡縷石納米材料的基礎油和沒有添加任何添加劑的基礎油相比,摩擦系數都有了一定的減小,因此坡縷石納米材料對潤滑油的摩擦性能有一定的改善。在不同分散工藝的數據對比中可以看出,使用方案一的坡縷石納米材料潤滑劑是最佳的。

3 結語

筆者借助貴州特有的、無生理危害的坡縷石礦物制備成高純度的納米尺度粒子并將其加入潤滑劑中,采用多種方式使其分散并通過實驗比較分散效果和摩擦性能,結果表明,三種分散工藝均可將納米坡縷石均勻分散到基礎油中。在室溫下放置24 h后,方案二和方案三出現少量沉淀,方案一無沉淀出現。在本文的摩擦試驗條件下,三種方案對應的平均摩擦系數分別為0.06518 、0.06688 、0.07011 ,明顯改善了基礎油的摩擦性能。采用坡縷石作為潤滑劑的添加材料對環境沒有污染,而且能夠延長潤滑劑的使用壽命和減少潤滑劑的使用量,節約了能源。本課題對潤滑油添加劑的研究具有很好的應用價值。

[1]王佳佳.納米坡縷石改性基體的制備及摩擦性能的研究:[碩士學位論文][D].貴陽:貴州大學,2009.

[2]周仲榮.摩擦學發展前沿(學科發展戰略研究報告)[M].北京:科學出版社,2006.

[3]楊宇,何林等.坡縷石便面改性的初步探討[J].礦產綜合應用.2008(5).