納米三氧化鉬在潤滑油中的分散穩定性研究

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(武漢工程大學 化學與環境工程學院,湖北 武漢 430200)

自從納米材料運用到各個領域以來，納米金屬抗磨劑的研究一直在進行。納米材料的運用就是現代科技發展的代表，納米金屬材料潤滑油的研究成功為世界的節能做出了更加重要的貢獻，更提高了生產的一些效率。更開創了世界潤滑與摩擦領域高效節能納米抗磨添加劑產品應用的新時代[1]。

納米粒子作為潤滑油的添加劑成分之一，會產生良好的抗磨以及減摩的效果[2]。但是與常用的分散劑添加劑相比較，納米金屬材料也有相應的工藝問題需要解決，如納米材料金屬顆粒十分纖細，從而會導致納米金屬顆粒具有巨大的表面能，納米顆粒之間的吸引力以及納米顆粒之間的自動的集聚力都有所增大。并且納米顆粒之間極其易于形成結塊，在潤滑油中沉淀后容易失去添加劑的一些良好的性能。因此納米粒子在潤滑油中的分散穩定性問題一直有待于解決，致使納米材料在潤滑油添加劑的工業化應用與發展沒有相應的進展[3]。對于這一問題，本次實驗做了一項基本的研究，希望能夠進一步的了解基本狀況。

分散劑顧名思義就是把各種粉體合理地分散在溶劑中，通過一定的電荷排斥原理或高分子位阻效應，使各種固體很穩定地懸浮在溶劑(或分散液)中。其作用機理有：

(1)雙電層原理:水性涂料使用的分散劑必須水溶，它們被選擇地吸附到粉體與水的界面上[4]。

(1)位阻效應:高分子吸附層有一定的厚度,可以有效地阻擋粒子的相互吸附,主要是依靠高分子的溶劑化層，當粉體表面吸附層達8～9nm時，它們之間的排斥力可以保護粒子不致絮凝。所以高分子分散劑比普通表面活性劑好[5]。

分散劑的種類有：

(1)脂肪酸類、脂肪族酰胺類和酯類：硬脂酰胺與高級醇并用，可改善潤滑性和熱穩定性[6]。

(2)石蠟類：盡管石蠟屬于外潤滑劑，但為非極性直鏈烴，不能潤濕金屬表面，只有和硬脂酸、硬脂酸鈣等并用時，才能發揮協同效應[7]。

(3)金屬皂類：高級脂肪酸的金屬鹽類，如硬脂酸鋇(BaSt)[8]。

(4)低分子蠟類：低分子蠟是以各種聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯或其他高分子改性物為原料，經裂解，氧化而成的一系列性能各異的低聚物[9]。納米材料在多方面都被使用，其中納米粒子在分散劑中的運用是通過分散劑與納米粒子結合[10]。納米粒子在分散劑中的運用主要是通過一些化學反應所產生的性質變化所引起的[11]。在分散劑中加入納米MoO3顆粒，有利于提高潤滑劑的抗磨性，提高其化學反應的穩定性。

潤滑油屬于非水分分散體系[13]。分散體系的穩定性由多方面決定，其中起著主要決定性作用是分子間的相互作用。新型的納米金屬材料在分散劑中也得到了廣泛的利用。納米粒子由于粒度極小,在潤滑油中一些分散劑能使其得到較好分散[14]。而聚合型分散劑的烷基相對分子質量非常大,它能多點在離子間形成較厚的屏障膜,膠溶高達100nm的粒子,因此分散劑能有效地把0～100nm的粒子分散于油中[15]。

不同分散劑所產生的效果也不相同，其中納米粒子滲透的分散劑是現在市場最為受歡迎的分散劑[16]。從20世紀80年代后期，中外學者對納米材料在摩擦學上的應用進行了大量的研究[17]。 史佩京等的研究結果說明，納米銅微粒能夠有效地改善基礎油的摩擦學性能，但在CD15W/40油中有一最佳添加量，添加量為0.05%(質量分數)的納米銅微粒具有最優的摩擦學性能[18]。

1 實驗部分

1.1 原料與試劑

納米MoO3、span80、無水乙醇、150N,100N石蠟油、三乙醇胺油酸皂、2，6二叔丁基對甲酚。

1.2 100N基礎石蠟油的分散液的制備

三乙醇胺油酸皂與span80按照5∶7的比例配制邊加入邊用玻璃棒攪拌，使之完全混合均勻； 稱取一定量的混合液，加入一定量(按照2%的比例)的n-MxOy，邊加入邊用玻璃棒攪拌，接著把裝有分散液的燒杯放入超聲波清洗器中超聲分散5min;使用溫控磁力攪拌器在60℃恒溫磁石攪拌10min；混合均勻后再燒杯中緩慢加入100N石蠟油，按照分散劑∶石蠟油=1∶9的質量比例進行添加,同時用玻璃棒手動攪拌混勻。

1.3 150N基礎石蠟油的分散液的制備

三乙醇胺油酸皂與span80按照5∶17.5的比例配制邊加入邊用玻璃棒攪拌，使之完全混合均勻；稱取一定量的混合液，加入一定量(按照2%的比例)的n-MxOy，邊加入邊用玻璃棒攪拌，最后把裝有分散液燒杯放入超聲波清洗機進行超聲分散；接著使用磁力攪拌器在60℃恒溫磁石攪拌加熱10min;混合均勻后再燒杯中緩慢加入150N石蠟油，按照分散劑:石蠟油=1∶9的比例進行添加,同時用玻璃棒手動攪拌混勻。

1.4 離心液的制備

(1)將所制100N，150N石蠟油分散液取離心管的三分之二體積，放入超聲波清洗機中在60W功率下，超聲分散處理10 min。

(2)將裝有分散好的離心液的離心管放入離心機中，然后將100N石蠟油分散液以 5000 r/min的速率進行離心分離，離心時間為10min，150N石蠟油分散液以5000r/min的速率進行離心分層，離心后取上層液進行吸光度的檢測。離心后的試管圖像如圖1，圖2所示。

圖1 100N離心后的分散液

圖2 150N離心后的分散液

為進一步探究納米金屬氧化物MxOy的在基礎潤滑油分散效果，我們對其進行了透射電鏡檢測，直樣方法為；分別取100N，150N石蠟油分散液0.2g用無水乙醇稀釋1000倍，然后用超聲清洗機進行超聲分散均勻，取樣品去檢測中心檢測透射電鏡結果如圖3，圖4。

圖3 MoO3在150N基礎石蠟油分散液的TEM

圖4 MoO3在150N基礎石蠟油分散液的TEM

(3)通過透射電子顯微鏡觀察，得到100N，150N石蠟油條件下的觀察圖片，如圖4，圖5。在顯微鏡下觀察到不同大小的納米MoO3，顆粒粒徑形態基本未發生改變，分散效果較好。再用紫外分光光度計進行測定。

1.5 熱穩定性的改進

1.5.1 分散液熱穩定性檢測方法

在實驗中所產生的100N，150N混合液，將所制得的分散液各取少量進行加熱處理，分別在140℃加熱半小時，觀察分散液樣品中是否出現沉淀。現象如下圖5，圖6均發生了沉淀，說明分散液熱穩定性有待改進。

1.5.2 分散液熱穩定性改進

將分散好的100N和150N分散混合液，加入占分散液質量的1%的2，6二叔丁基對甲酚，微熱混合攪拌均勻，在140℃下加熱半個小時未發生分層和沉淀，現象見圖7，圖8，說明分散液熱穩定性有改善。

圖5 140℃加熱下的100N分散液

圖6 140℃加熱下150N分散液

圖7 100N分散液加入抗氧化劑熱穩定性測試圖

圖8 150N分散液加入抗氧化劑熱穩圖

2 結果與分析

2.1 分散劑配制后離心結果分析

將分散好的溶液放在醫用離心機中進行離心，在本實驗中發現離心后100N,150N分散劑樣品均出現了少量絮狀沉淀，這個沉淀可初步判斷為納米MoO3與分散劑的包裹體，納米MoO3并未發生氧化或者分解。

2.2 透射電鏡結果分析

通過透射電鏡結果，可以明顯看到比較明顯的實驗結果對比。圖片中可以看到納米MoO3的粒徑大小形態未發生改變。

2.3 紫外分光光度計結果分析

通過光度計波長反應體系，可以明顯看到在不同Wavelength的條件下，所產生的實驗反應結果也不一樣。不同數值所反應的波峰也不相同，在這種條件下得到的實驗結果也不相同，不同情況不同分析。當到達217nmn- MoO3左右，可以明顯觀察到，Ads波峰達到最大值，這時的反應情況也是在最好的條件下，在這種條件下得到的實驗結果也是最想要的實驗結果。

圖9 不含MoO3100N石蠟油分散液紫外分光光度圖

圖10 含MoO3100N石蠟油分散液紫外分光光度圖

將含有納米MoO3的混合液與不含納米MoO3的混合液分別放入紫外分光光度計中進行200nm到1000nm全面段掃描，局部放大后進行觀察，確認納米MoO3的最大吸收波長。

圖9和圖10描述的是石蠟油100N的條件下，納米MoO3顆粒在潤滑油中的全波長描述圖譜。通過圖9和圖10的200nm到1000nm范圍內的波長對比，可以明顯觀察到圖9和圖10的波峰有不同，在200nm到300nm的，兩者均出現較明顯的吸收峰，但是圖9中只出現一個較明顯的吸收峰，但是在圖10中可以明顯觀察到兩個比較明顯的吸收峰。當波長大于300nm時，兩者都沒有出現比較明顯的吸收峰。因此確定含納米MoO3的潤滑油最大吸收波長為217nm。

圖11 含MoO3150N石蠟油分散液紫外分光光度圖

將含有納米MoO3的混合液與不含納米MoO3的混合液分別放入紫外分光光度計中進行200nm到700nm全面段掃描，局部放大后進行觀察，確認納米MoO3的最大吸收波長。

圖11描述的是石蠟油150N的條件下，納米MoO3顆粒在潤滑油中的全波長描述圖譜。通過圖11的200nm到700nm范圍內的波長，可以明顯觀察到在200nm到400nm之間出現明顯的吸收峰，而且在200nm到400nm之間有兩個連續的吸收峰，這兩個存在的吸收峰間距非常近。因此確定含納米MoO3的潤滑油在250nm到310nm之間都有很強的吸收峰，且確定含納米MoO3的潤滑油最大吸收波長為297nm。

通過圖9，圖10和圖11的紫外分光光度計結果分析，可以明顯看出石蠟油在100N和石蠟油在150N的條件下吸收峰完全不同。在石蠟油為100N的條件下，產生的吸收峰吸收峰變化極為明顯，變化極為大，但當石蠟油為150N的條件下，產生吸收峰的峰值變化較為平緩。但實在最大吸收峰值上，石蠟油150N的條件下產生的最大峰值為297，但石蠟油為100N所產生的最大吸收峰值為217，在最大峰值上有明顯不同。

2.4 分散劑熱穩定性的測定結果分析

當加熱溫度升至140℃，加熱時間為30min時，加入抗氧化劑的分散混合液未發生分層渾濁，說明加入2，6二叔丁基對甲酚可以大大改善分散液的熱穩定性。達到實驗目的。

3 總結

(1)通過不同組分的三乙醇胺油酸皂和石蠟油多次實驗，三乙醇胺油酸皂與span80按照5∶7的比例配制(100N潤滑油);當三乙醇胺油酸皂與span80按照5∶17.5比例(150N潤滑油)，納米MoO3均勻分散進入潤滑油中，不分層，不沉淀，所得到的熱穩定性最強。

(2)由醫用離心機檢測高剪切混合機在最優工藝條件下制備的含有檢測納米MoO3的潤滑油的分散穩定性，從0r/min 直到轉速5000r/min，離心時間為10min出現沉淀表明分散穩定性較理想，未發生化學反應：利用透射電鏡觀察分散在潤滑油中的檢測納米MoO3分散較好，粒徑大小形態未發生明顯改變現象。

(3)加入抗氧化劑2，6二叔丁基對甲酚，可以解決納米粒子添加進潤滑油熱穩定性不好的問題，溫度一直在140℃，納米金屬氧化物依然可以均勻分散在潤滑油中，不變性。