油溶性纳米硼酸盐的制备、表征与摩擦学性能研究

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采用两相萃取的方法,制备了在常见有机溶剂中能够理想分散并且能够稳定存在的油酸修饰的纳米硼酸盐(硼酸钙、硼酸锌、硼酸铜)微粒。研究了硼酸盐纳米微粒的表面改性,表征了其结构,评价了其润滑性能。结果表明,利用油酸对纳米微粒进行表面修饰,不仅能够有效地控制粒径大小、阻止纳米微粒的团聚,同时修饰剂的疏水基团还可赋予纳米硼酸盐微粒在有机溶剂中的高度分散性和长期物理化学稳定性,为具有润滑功能的油溶性纳米润滑添加剂的制备提供了一条切实可行的途径。本论文主要研究内容和结果如下:(1)制备出的表面修饰纳米硼酸盐能够良好的分散在有机溶剂(氯仿、石油醚、甲苯)中,而不发生不可逆的团聚和分解,通过烘箱干燥可以得到粉体形式的纳米硼酸盐颗粒。利用透射电镜(TEM)、X射线衍射仪(XRD)、红外光谱仪(FT-IR)、热重/差热同步分析仪(TG/DTG)、接触角测定仪等表征了合成样品的形貌、结构及化学组成。结果表明,油酸分子的羧基与硼酸盐表面的羟基发生反应,说明羧酸根在硼酸盐的表面形成了新的化学键,使粒子表面修饰一层长链疏水层从而阻止粒子的团聚,更容易分散到油相中。虽然油酸能在粒子表面吸附,阻止了干燥过程中大量架桥羟基的生成,但还是有少量羟基的生成,致使干燥后的粒子有些轻微的团聚。所制备的表面修饰的纳米硼酸钙微粒粒径约为50-100nm,为不规则的中空片状结构,以非晶态形式存在;表面修饰纳米硼酸锌颗粒粒径约为40-60nm,为不规则的纳米薄片,非晶态形式存在;表面修饰的纳米硼酸铜颗粒粒径约为50nm,为类长方形纳米片,非晶态形式存在。结合XRD图和热重分析图可以推测:未修饰硼酸钙化学式为CaO·B2O5·1.5H2O,未修饰硼酸锌的化学式为2ZnO·3B2O3·3H2O,未修饰硼酸铜化学式为Cu(BO2)2·2H2O。但是,所制备的纳米硼酸盐粉体在有机溶剂中的再分散性不佳。(2)利用四球摩擦磨损试验机和SRV微动摩擦磨损试验机评价了油溶性纳米硼酸盐的摩擦学行为。所有摩擦实验测定,均重复超过三次。结果表明:在同一负荷下,硼酸盐纳米粒子的摩擦学性能与添加量有关,其添加量存在一个最佳值;当添加量一定时,摩擦磨损性能与负荷有关。使用四球摩擦磨损试验机时,硼酸钙最佳添加量为0.6%,硼酸锌最佳添加量为0.5%,硼酸铜最佳添加量为0.7%。然而,使用SRV微动摩擦磨损试验机时,所得最佳添加量与其结果相差不大。在300N载荷下,最佳添加量的油溶性硼酸钙的磨斑直径为0.323mm,最佳添加量的油溶性硼酸锌的磨斑直径为0.328mm,最佳添加量的油溶性硼酸铜的磨斑直径为0.333mm,而纯液体石蜡的磨斑直径为0.637mm.磨斑直径分别减少49.3%、48.5%、47.7%。同纯液体石蜡和未修饰纳米硼酸盐相比,表面修饰纳米硼酸盐能够有效降低摩擦副的摩擦系数和磨损。在加入油溶性硼酸盐的钢球磨斑表面,有较深的犁沟,这可能是由于表面修饰硼酸盐干燥后发生硬团聚,溶解在液体石蜡中后有一些大颗粒存在,在摩擦时产生磨粒磨损,另一方面可能是在磨斑表面没有形成致密的反应膜。与此同时,油溶性硼酸盐纳米颗粒具有良好的极压性能,在最佳添加量下,其无卡咬负荷(PB值)和烧结负荷(PD值)达804N(硼酸铜的PB值为431N)和1676N。修饰后硼酸盐纳米粒子作为润滑油添加剂,在摩擦表面形成一层润滑膜,从而表现出良好的摩擦学性能。另外,所制备的纳米硼酸盐粉体在有机溶剂中的再分散性和稳定性不佳可能是导致其润滑性能不佳的主要原因。(3)本文的创新点是,采用一种新的方法—两相萃取法制备出性能优良的硼酸盐,这种方法不需要严苛的反应条件,也不需要复杂的实验仪器,试验流程简单易行,有利于大规模工业化生产。
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