納米介孔碳與納米介孔二氧化硅的復(fù)配體系作為潤滑油添加劑的摩擦學(xué)性能

王祥洲，何天稀，陳波水，馬雪亮

（中國人民解放軍后勤工程學(xué)院 軍事油料應(yīng)用與管理工程系， 重慶 401331）

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納米介孔碳與納米介孔二氧化硅的復(fù)配體系作為潤滑油添加劑的摩擦學(xué)性能

王祥洲，何天稀，陳波水，馬雪亮

（中國人民解放軍后勤工程學(xué)院 軍事油料應(yīng)用與管理工程系， 重慶 401331）

用均勻設(shè)計(jì)法將納米介孔碳與納米介孔二氧化硅進(jìn)行復(fù)配，利用四球摩擦試驗(yàn)機(jī)對復(fù)配劑摩擦學(xué)性能進(jìn)行測試。發(fā)現(xiàn)復(fù)配體系能較好地改善潤滑油的抗磨減摩性能；復(fù)配體系中納米介孔碳和介孔二氧化硅均能發(fā)揮各自優(yōu)勢，分別改善潤滑油的極壓性能和減摩性能。

納米介孔碳；納米介孔二氧化硅；抗磨減摩；四球試驗(yàn)

自從20世紀(jì)九十年代發(fā)現(xiàn)了有序介孔二氧化硅以來，介孔二氧化硅納米粒子（MSNS）因?yàn)槠洫?dú)特的介孔結(jié)構(gòu)特性（高的比表面積、大孔隙體積、粒子大小可調(diào)和靈巧的功能化）引起了廣泛注意［1-3］。由于其化學(xué)惰性和良好的生物相容性，使其在細(xì)胞成像、診斷、生物樣品分析和藥物/基因/蛋白質(zhì)傳遞方面具有廣泛的應(yīng)用前景［4，5］。本課題組前期研究表明將納米介孔碳加入到潤滑油中，能顯著提高潤滑油的抗磨減摩性能，特別是能提高潤滑油運(yùn)行的極限負(fù)荷，改善惡劣環(huán)境下的工況，但合成納米介孔碳的研究還不夠成熟，對合成的介孔碳的形貌控制還不夠有效。而介孔硅基材料有類似與介孔碳的介孔結(jié)構(gòu)，具有良好的吸油和儲(chǔ)油性能，在摩擦過程中通過釋放孔中儲(chǔ)存潤滑油而形成油膜，可以有效實(shí)現(xiàn)潤滑作用，特別是球形的介孔二氧化硅，在摩擦過程中可以起到微軸承和微滾珠的作用，可以變滑動(dòng)摩擦為滾動(dòng)摩擦，有效減少摩擦系數(shù)，并且合成介孔二氧化硅比合成介孔碳的成本低［6］。同時(shí)通過前面的研究發(fā)現(xiàn)，添加有介孔碳的潤滑油長磨實(shí)驗(yàn)后的鋼球磨斑沒有球形二氧化硅作為潤滑油添加劑長磨實(shí)驗(yàn)后的磨斑圓整。在潤滑油極壓測試中，添加有介孔碳的潤滑油具有良好的極壓性，介孔碳的加入能顯著提高潤滑油的燒結(jié)負(fù)荷； 而潤滑油中加入介孔二氧化硅后對燒結(jié)負(fù)荷的改善沒有前者明顯。

在本文中我們將納米介孔碳與球形納米介孔二氧化硅進(jìn)行復(fù)配使用，考察二者是否具有協(xié)同效應(yīng)，以期望對潤滑油的抗磨減摩性能得到更好的改善。

1　實(shí)驗(yàn)部分

1.1試劑及儀器

納米介孔碳和納米介孔二氧化硅；油酸；石油醚；無水乙醇；基礎(chǔ)油（500SN）；鋼球；光學(xué)顯微鏡；EL系列電子天平；MMW-1P雙顯示立式萬能摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)；MQ-800型四球摩擦試驗(yàn)機(jī)。

1.2納米介孔碳的改性

表面改性方法一般分為干法和濕法，本實(shí)驗(yàn)采用濕法。首先將介孔碳配成一定濃度的懸浮液，在水浴環(huán)境下利用數(shù)控超聲清洗器對納米介孔碳進(jìn)行超聲分散10 min，90 ℃下加入改性劑的石油醚溶液，超聲分散20 min，攪拌1 h，靜置1 h后倒入離心分離機(jī)中進(jìn)行離心，去除上清液后放入烘箱中在100 ℃下烘干4 h，干燥后即得到改性介孔碳產(chǎn)品。

1.3納米介孔二氧化硅的改性

納米介孔二氧化硅的改性參照1.2中的納米介孔碳的改性方法進(jìn)行改性。

1.4抗磨減摩性能測試

使用的摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)：MMW-1P雙顯示立式萬能，潤滑油的抗磨減摩性能評價(jià)方法按照GBT3142-92進(jìn)行。實(shí)驗(yàn)所用鋼球（GCr15軸承鋼：C 0.95%～1.05%，Mn 0.25%～0.45%，Si 0.15%～0.35%，S＜0.025%，P＜0.025%，Ni＜0.30%，Cr 1.40%～1.65%，Cu＜0.025%，其直徑為 12.7 mm，硬度為59～61 HRC，表面粗糙程度（Ra）0.020 6μm）。試驗(yàn)中控制四球機(jī)轉(zhuǎn)速為（1 200± 5）r/min，試驗(yàn)力矩為392 N，長磨時(shí)間為60 min，試驗(yàn)溫度（75±2）℃，每次試驗(yàn)后用鑷子夾取鋼球在石油醚溶液中清洗趕緊，風(fēng)干，在光學(xué)顯微鏡下讀取鋼球表面磨斑直徑，并用相機(jī)拍照。

1.5極壓性能測試

用四球機(jī)測定PB和PD，其中PB為實(shí)驗(yàn)條件下鋼球不發(fā)生卡咬的最大負(fù)荷，PD為實(shí)驗(yàn)條件下鋼球發(fā)生燒結(jié)負(fù)荷。

2　結(jié)果與討論

2.1實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

按照均勻?qū)嶒?yàn)設(shè)計(jì)表采用采用 2個(gè)因素，10組水平，兩因素分別為納米介孔碳和球形二氧化硅的添加量，分別設(shè)其為x1，x2。設(shè)定 x1與x2變化范圍都為0～0.01，按照均勻表，設(shè)計(jì)表1如下所示。

表1　納米介孔碳與納米介孔二氧化硅復(fù)配的均勻設(shè)計(jì)表Table 1 Uniform design of composition of nano mesoporous carbon and nano　mesoporous silica

為比較復(fù)配劑相對于單劑的效果，設(shè)計(jì)與 10組水平對比實(shí)驗(yàn)，每組各單劑的加入量與前面相平行復(fù)配劑加入量和相等，如表2所示。

表2　對比實(shí)驗(yàn)Table 2 Contrast test　　　　%

圖1　復(fù)配組合與單劑的抗磨減摩性能Fig 1 The friction coefficient & antiwear reducing properties of the combined system and　single dose

2.2抗磨減摩性能

圖1為添加復(fù)配劑和單劑的潤滑油的摩擦系數(shù)（上）和磨斑直徑（下）示意圖。從圖1中可以看出，潤滑油中添加納米介孔碳和介孔二氧化硅復(fù)配體系可以提高潤滑油的減摩效果，在第二組水平時(shí)減摩效果最好，相對于基礎(chǔ)油，摩擦系數(shù)減少了33.5%。磨斑直徑與摩擦因數(shù)的變化大體一致。在第二組水平時(shí)磨斑直徑減少了46.1%，但第10組水平時(shí)磨斑直徑與基礎(chǔ)油磨斑直徑大小相當(dāng)，其原因可能是高濃度的納米介孔碳在高溫高壓條件下在鋼球表面發(fā)生團(tuán)聚，從而對邊界膜的形成造成了影響，使摩擦磨損加劇。由圖中可以看出，復(fù)配體系與同水平的單劑二氧化硅的摩擦系數(shù)和磨斑直徑差別較小，兩者的摩擦系數(shù)和磨斑直徑折線都有四個(gè)相交點(diǎn)，說明在有些添加量下，介孔二氧化硅單劑的減摩性能比復(fù)配體系好，反之，在其他的添加量下，介孔二氧化硅單劑的減摩性能比復(fù)配體系差，但從圖中可以清晰地看到，復(fù)配體系與介孔二氧化硅單劑的摩擦系數(shù)和磨斑直徑折線都在介孔碳單劑之下，可以得出，復(fù)配體系中介孔二氧化硅在減摩抗磨中起主要作用，而介孔碳的減摩抗磨性能相對較弱。

圖2　復(fù)配組合與單劑的PB和PD值Fig.2 The PBand PDvalues of combined system and single dose

2.3極壓性能

圖 2為添加復(fù)配劑和單劑的潤滑油的極壓性能，從圖中可以看出，復(fù)配體系可以顯著提高潤滑油的極壓性能，其中第五和第八組水平相對于基礎(chǔ)油，PB提高了47.2%，第六組相對于基礎(chǔ)油，PB提高了 64%，第七組水平相對于基礎(chǔ)油，PB提高了42.1%；第五、第七和第八組水平相對于基礎(chǔ)油，PD提高了3倍，第六組水平相對于基礎(chǔ)油，PD提高了2.15倍，從圖中可以清晰地看到，復(fù)配體系的PD值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于介孔二氧化硅單劑，介孔碳單劑的極壓性能與復(fù)配體系差別較小，可以得出，復(fù)配體系中介孔碳能充分發(fā)揮其極壓性能。

由上面分析可知，納米介孔碳和介孔二氧化硅的復(fù)配體系能有效地改善潤滑油的摩擦學(xué)性能，納米介孔碳和介孔二氧化硅的復(fù)配體系能發(fā)揮各自優(yōu)勢，分別改善潤滑油的極壓性能和減摩性能。

3　結(jié) 論

對納米介孔碳與介孔二氧化硅采用均勻設(shè)計(jì)法進(jìn)行復(fù)配，用四球摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)比較復(fù)配體系與介孔碳和介孔二氧化硅單劑作為潤滑油添加劑的摩擦學(xué)性能，主要結(jié)論如下：

（1）納米介孔碳和介孔二氧化硅的復(fù)配體系能有效地改善潤滑油的摩擦學(xué)性能，納米介孔碳添加量為0.2%（wt）、介孔二氧化硅添加量為0.3%（wt）時(shí)，復(fù)配體系減摩效果最好，相對于基礎(chǔ)油，摩擦系數(shù)減少了33.5%，磨斑直徑減少了46.1%。

（2）納米介孔碳和介孔二氧化硅的復(fù)配體系能發(fā)揮各自優(yōu)勢，分別改善潤滑油的極壓性能和減摩性能。

［1］ Beck J S， Vartuli J C， Schmitt K D， et al.A new family of mesoporous molecular sieves prepared with liquid crystal templates. J. Am. Chem. Soc. 114， 10834-10843［J］. Journal of the American Chemical Society， 1992， 114：10834-10843.

［2］Abdelhamid Sayari ，Safia Hamoudi A， Yong Y. Applications of Pore-Expanded Mesoporous Silica. 1. Removal of Heavy Metal Cations and Organic Pollutants from Wastewater［J］. Chemistry of Materials， 2005， 17（1）.

［3］ Minghui Y， He L， Alireza J， et al. Multifunctional mesoporous silica nanoparticles as labels for the preparation of ultrasensitive electrochemical immunosensors.［J］. Biomaterials，2010， 31（12）： 3281-3286.

［4］ Slowing I， Vivero-Escoto J C， Lin V. Mesoporous silica nanoparticles as controlled release drug delivery and gene transfection carriers.［J］. Advanced Drug Delivery Reviews，2008， 60（11）：1278–1288.

［5］ Zongxi L， Barnes J C， Aleksandr B， et al. Mesoporous silica nanoparticles in biomedical applications.［J］. Chemical Society Reviews， 2012， 41（7）：2590-605.

［6］ Lv X， Zhang L， Xing F， et al. Controlled synthesis of monodispersed mesoporous silica nanoparticles： Particle size tuning and formation mechanism investigation［J］. Microporous & Mesoporous Materials， 2016， 225（1）：238-244.

Tribological Properties of Combined System of Nano Mesoporous Carbon and Nano Mesoporous Silica as Additives in Lubricating Oil

WANG Xiang-zhou, HE Tian-xi, CHEN Bo-shui, MA Xue-liang
（Department of Military Oil Aplication & Management Engineering, Logistical Engineering University of PLA, Chongqing 401331，China）

The combined system of nano mesoporous carbon and nano mesoporous silica was designed by the uniform design method，and its antiwear and friction reducing properties were studied by four-ball tester. The results show that the combined system can improve the anti-wear anti-friction performance of the lubricating oil well. Nano mesoporous carbon and mesoporous silica can play their respective advantages to improve the performance of extreme pressure and antifriction performance of the lubricating oil.

nano mesoporous carbon; nano mesoporous silica; friction-reducing and anti-wear; full-ball test

王祥洲（1990-），男，湖南邵陽人，碩士，研究方向：從事軍用油料應(yīng)用研究。E-mail：394870944@qq.com。

TE 624

A

1671-0460（2016）05-0884-03

重慶市科委基金，項(xiàng)目號：cstc2014jcyjA0595。

2016-04-17