α － MnO2納米線作為潤滑油添加劑的摩擦磨損性能研究

陳麗娟，沈培輝，朱定一

(1.福建船政交通職業學院安全技術與環境工程系，福建 福州350007；2.福州大學材料科學與工程學院，福建 福州 350108)

α － MnO2納米線作為潤滑油添加劑的摩擦磨損性能研究

陳麗娟1，沈培輝1，朱定一2

(1.福建船政交通職業學院安全技術與環境工程系，福建 福州350007；2.福州大學材料科學與工程學院，福建 福州 350108)

采用水熱方法制備出不同直徑的α-MnO2納米線，利用X射線衍射儀，比表面儀和透射電鏡對樣品進行了表征，利用立式萬能摩擦磨損試驗機對α-MnO2納米線作為液體石蠟添加劑的摩擦磨損性能進行了研究.研究結果表明，添加納米潤滑油添加劑后，銷的摩擦系數改變不明顯，但磨損率顯著降低.磨損率與α-MnO2納米線添加劑的直徑密切相關，當納米材料的粒徑為17nm時磨損率最低，磨損率值降低為3.28×10-15m3·N-1·m-1，降低了約50%.并得出了α-MnO2納米線在液體石蠟中可能的抗磨損機理.

α-MnO2納米線; 摩擦性質；潤滑油添加劑；抗磨損

摩擦磨損損耗了大量的能源，潤滑油的添加是減小摩擦磨損的一種重要手段.而將納米添加劑添加到潤滑油中是提升潤滑油性能的重要方式，納米晶粒尺寸小，比表面積大，能夠比較容易進入摩擦接觸表面形成一層保護膜，從而起到降低摩擦磨損的作用[1-3].目前潤滑油添加劑使用較多的是層狀物質，如MoS2, FeS和WS2等[4-8]，由于硫化物的制備相對比較復雜，而且硫化物不夠環保，限制了其廣泛的應用.納米氧化物，由于無毒、性質穩定，是納米潤滑油添加劑中倍受關注的一種納米潤滑油添加劑，如CeO2，CuO，MgO和Fe2O3等[9-12].而α-MnO2作為潤滑油添加劑國內外文獻尚未見報道，研究α-MnO2納米線作為潤滑油添加劑以及其直徑對性能的影響有重要的應用價值.

通過不同溫度水熱方法制備了不同直徑的α-MnO2納米線，研究納米α-MnO2納米線作為潤滑油添加劑的摩擦磨損性能.

1 試樣制備與試驗方法

1.1 試劑

(NH4)2S2O8，MnSO4·H2O，(NH4)2SO4，分散劑span-80，NH3·H2O(25%) 和液體石蠟(LP)均是上海國藥集團化學試劑有限公司的分析純試劑.

1.2 樣品制備和表征

通過水熱方法制備α-MnO2，以(NH4)2S2O8、MnSO4·H2O和(NH4)2SO4為反應物，將這一混合溶液轉移至兩個100ml聚四氟乙烯反應釜中，于特定溫度(120℃，160℃，200℃)反應24h[13].待反應釜自然冷卻至室溫后，用離心機分離出黑色沉淀物用蒸餾水充分洗滌，最終試樣在80℃溫度下烘干8h，制得樣品即為α-MnO2納米顆粒.

樣品的相成分通過XRD粉末衍射確定，所用儀器為日本Rigaku公司的DMAX2500 X-射線衍射儀(Cu靶，Kα=0.15418 nm).樣品的形態通過TEM觀察，所用的儀器為JEM2100，加速電壓為200 kV.樣品的比表面積用BET 技術測試，所用儀器為 BEL SORP max 全自動比表面孔徑測定儀.

1.3 摩擦實驗

納米材料作為潤滑油添加劑的摩擦性能通過立式萬能摩擦磨損試驗機(MM-W1A)檢測的.每次實驗前后，試樣銷和盤都用丙酮超聲清洗5分鐘去除表明殘留的雜質，并且吹干.試樣銷的質量損失用感量為0.0001g的電子天平測定.分別添加1wt%的不同直徑的α-MnO2納米線和1wt%分散劑span-80于2 mL LP 中.然后混合溶液超聲半小時以獲得納米添加劑均勻分散的潤滑油.所有實驗設定的參數為：載荷200N，轉速300r/min，實驗時間60min，滴加五滴上述潤滑油在盤上，室溫操作.實驗所用試樣銷硬度為25-30HRC，材質是生鐵，直徑4.78mm，長度為12.56mm.摩擦磨損的實驗結果用摩擦系數和磨損率計算，銷的磨損表面形貌用MM-6寬視場顯微鏡分析.

2 試驗結果與討論

2.1 α-MnO2 表征

圖1為不同溫度制備的α-MnO2納米線的XRD譜圖.從圖中可以看出，樣品為純相的α-MnO2，沒有其他雜相.隨著樣品制備溫度的提高，峰逐漸增強，說明樣品的粒徑逐漸增大.圖2所示為所制備的α-MnO2電鏡圖，從圖中可以看出不同溫度制備的α-MnO2均為納米線，從TEM圖中可分別計算出120oC，160oC 以及200oC 制備的α-MnO2納米線的直徑分別為11，17和21nm.樣品的比表面積隨著粒徑的增大而減小，如表1所示，其對應的比表面積分別為：84.9，60.6和46.7 m2/g.

圖1 α-MnO2納米線XRD圖譜

(a)120oC (b)160oC (c) 200 oC

2.2 摩擦磨損性能表征

添加不同直徑的α-MnO2納米線液體石蠟后銷的摩擦系數和磨損率如圖3和表1所示.從圖3和表1中可以看出添加不同直徑的α-MnO2納米線液體石蠟后，銷的平均摩擦系數相差不大，值基本保持在0.09左右.未添加納米添加劑時，銷的磨損率為6.26×10-15m3·N-1·m-1，而添加不同直徑的納米添加劑后，銷的磨損率均大大降低，其中直徑為17 nm的納米線的磨損率降低最多，降低到3.28×10-15m3·N-1·m-1，降低了約50%，比文獻報道的納米蒙脫石小[14].可見α-MnO2納米線的添加能夠有效提高潤滑油的摩擦磨損性能.由于α-MnO2納米線比表面積較大，納米材料的添加能夠進入摩擦表面的凹坑，所以能夠起到減小摩擦的作用[15].

表1 添加不同α-MnO2納米線的液體石蠟潤滑后的銷的平均摩擦系數和磨損率

圖3 添加不同直徑α-MnO2納米線的液體石蠟潤滑后銷的：(a)平均摩擦系數；(b) 磨損率

2.3 摩擦磨損實驗的表明形貌分析

圖4 摩擦實驗后的銷的表面形貌

圖4所示為摩擦磨損后銷的表面形貌.從圖5(a)中可以看出，未添加納米添加劑的銷的表面比較粗糙，滑痕很明顯、很深，表現出比較深的犁溝和粘著磨損.但是添加不同直徑的α-MnO2納米線后，表面較為光滑，犁溝較淺，而且添加17nm的α-MnO2納米線表面要比21nm的更為光滑，所以17nm的α-MnO2納米線的摩擦磨損性能最好.

2.4 抗摩擦磨損機理

從圖4中可以看出，沒有添加納米添加劑時，磨痕大而深，犁溝較為明顯，表現出明顯的粘著磨損，而添加納米材料后，表面較為光滑，犁溝變淺.原因是納米材料的粒徑較小,在摩擦磨損的過程中能夠沉積在凹坑處，以及發生摩擦化學反應，因而能夠在摩擦表面形成一層保護膜，這層膜對摩擦表面起到微拋光和自潤滑作用[16-18]，從而避免了摩擦副之間的直接接觸，提高了摩擦磨損性能.這種填充作用一方面與粒徑密切相關，粒徑小相對更容易進入凹坑處；另一方面，納米添加劑在摩擦過程中可以起到滾動摩擦作用.粒徑適當，滾動效應比較明顯，兩者的相互作用使得17nm的α-MnO2納米線摩擦磨損性能最好.

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(責任編校：晴川)

Study on Tribological Properties of α-MnO2Nanowires as Lubricating Oil Additives

CHEN Lijuan1, SHEN Peihui1, ZHU Dingyi2

(1. Fujian Chuanzheng Communications College, Fuzhou Fujian 350007, China; 2. School of Materials Science and Engineering, Fuzhou University, Fuzhou Fujian 350108, China)

α-MnO2nanowires were prepared by hydrothermal method. The prepared α-MnO2nanowires with different diameters were characterized by X-ray diffraction (XRD) and transition electron microscope (TEM). The tribological properties of α-MnO2nanowires as additives in the liquid paraffin were investigated by vertical universal friction and wear testing machine. It was found that the addition of α-MnO2nanowires did not influence much about friction coefficient, but greatly reduced the wear rate. The wear rate was relative with the diameter of α-MnO2nanowires additives. α-MnO2nanowire with diameter of 17 nm showed the lowest wear rate of 3.28×10-15m3·N-1·m-1, reduced by about 50%. Based on the study results, the paper concluded a possible anti-wear mechanism of α-MnO2nanowires as additive in the liquid paraffin.

α-MnO2nanowires; tribological properties; lubricating oil additive; anti-wear

2016-11-24

福建省交通廳項目(批準號：201411)；福建省教育廳科技資助項目(批準號：JAT160703)；福建省高校產學合作科技重大項目(批準號：2011H6012).

陳麗娟(1978— )，女，福建屏南人，福建船政交通職業學院安全技術與環境工程系副教授，博士.研究方向：納米功能材料.

TH117.2

A

1008-4681(2017)02-0032-03