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(yè)學(xué)院安全技術(shù)與環(huán)境工程系，福建 福州350007；2.福州大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)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(yè)學(xué)院安全技術(shù)與環(huán)境工程系，福建 福州350007；2.福州大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)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(duì)樣品進(jìn)行了表征，利用立式萬能摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)對(duì)α-MnO2納米線作為液體石蠟添加劑的摩擦磨損性能進(jìn)行了研究.研究結(jié)果表明，添加納米潤滑油添加劑后，銷的摩擦系數(shù)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(guān)，當(dāng)納米材料的粒徑為17nm時(shí)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(jī)理.

α-MnO2納米線; 摩擦性質(zhì)；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(jìn)入摩擦接觸表面形成一層保護(hù)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(zhì)，如MoS2, FeS和WS2等[4-8]，由于硫化物的制備相對(duì)比較復(fù)雜，而且硫化物不夠環(huán)保，限制了其廣泛的應(yīng)用.納米氧化物，由于無毒、性質(zhì)穩(wěn)定，是納米潤滑油添加劑中倍受關(guān)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(nèi)外文獻(xiàn)尚未見報(bào)道，研究α-MnO2納米線作為潤滑油添加劑以及其直徑對(duì)性能的影響有重要的應(yīng)用價(jià)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(yàn)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(tuán)化學(xué)試劑有限公司的分析純?cè)噭?

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(yīng)物，將這一混合溶液轉(zhuǎn)移至兩個(gè)100ml聚四氟乙烯反應(yīng)釜中，于特定溫度(120℃，160℃，200℃)反應(yīng)24h[13].待反應(yīng)釜自然冷卻至室溫后，用離心機(jī)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(tài)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(shù)測試，所用儀器為 BEL SORP max 全自動(dòng)比表面孔徑測定儀.

1.3 摩擦實(shí)驗(yàn)

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(yàn)機(jī)(MM-W1A)檢測的.每次實(shí)驗(yàn)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(zhì)，并且吹干.試樣銷的質(zhì)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(shí)以獲得納米添加劑均勻分散的潤滑油.所有實(shí)驗(yàn)設(shè)定的參數(shù)為：載荷200N，轉(zhuǎn)速300r/min，實(shí)驗(yàn)時(shí)間60min，滴加五滴上述潤滑油在盤上，室溫操作.實(shí)驗(yàn)所用試樣銷硬度為25-30HRC，材質(zhì)是生鐵，直徑4.78mm，長度為12.56mm.摩擦磨損的實(shí)驗(yàn)結(jié)果用摩擦系數(shù)和磨損率計(jì)算，銷的磨損表面形貌用MM-6寬視場顯微鏡分析.

2 試驗(yàn)結(jié)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(qiáng)，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(jì)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(duì)應(yīng)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(shù)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(shù)相差不大，值基本保持在0.09左右.未添加納米添加劑時(shí)，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(xiàn)報(bào)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(jìn)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(shù)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(shù)；(b) 磨損率

2.3 摩擦磨損實(shí)驗(yàn)的表明形貌分析

圖4 摩擦實(shí)驗(yàn)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(xiàn)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(jī)理

從圖4中可以看出，沒有添加納米添加劑時(shí)，磨痕大而深，犁溝較為明顯，表現(xiàn)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(fā)生摩擦化學(xué)反應(yīng)，因而能夠在摩擦表面形成一層保護(hù)膜，這層膜對(duì)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(guān)，粒徑小相對(duì)更容易進(jìn)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(dòng)摩擦作用.粒徑適當(dāng)，滾動(dòng)效應(yīng)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(zé)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(xiàng)目(批準(zhǔn)號(hào)：201411)；福建省教育廳科技資助項(xiàng)目(批準(zhǔn)號(hào)：JAT160703)；福建省高校產(chǎn)學(xué)合作科技重大項(xiàng)目(批準(zhǔn)號(hào)：2011H6012).

陳麗娟(1978— )，女，福建屏南人，福建船政交通職業(yè)學(xué)院安全技術(shù)與環(huán)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