油溶性二硫化鉬分散穩(wěn)定性影響因素探究*

楊舒程，趙增兵，楊炳琪，李 巖，成蘭興

（1.河南省化工研究所有限責(zé)任公司，河南 鄭州 450052；2.河南省科學(xué)院 化學(xué)研究所有限公司，河南 鄭州 450052）

摩擦與磨損是造成能源和材料耗損的主要形式，全世界三分之一的一次性能源都消耗在摩擦上，80%的機(jī)器零部件因磨損而失效，降低摩擦與磨損所帶來(lái)的能源損耗迫在眉睫[1]?！笆奈濉币?guī)劃綱要中提出“促進(jìn)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展全面綠色轉(zhuǎn)型，建設(shè)人與自然和諧共生的現(xiàn)代化”，綠色潤(rùn)滑油的開(kāi)發(fā)與研究勢(shì)在必行。MoS2被譽(yù)為“高級(jí)固體潤(rùn)滑油王”，性能優(yōu)良，廣泛應(yīng)用于航空軍工、機(jī)電化工和超高真空等領(lǐng)域[2,3]。經(jīng)過(guò)表面修飾加有MoS2的各種金屬材料與合金材料使用壽命顯著增長(zhǎng)[4]，在機(jī)械潤(rùn)滑方面起著巨大作用，節(jié)約了很多寶貴的一次性資源。然而MoS2常溫下難溶于水、酸、堿和有機(jī)溶劑，MoS2在潤(rùn)滑基礎(chǔ)油中的分散性能普遍較差。

MoS2作為潤(rùn)滑油添加劑常常存在以下問(wèn)題：

（1）易團(tuán)聚 由于納米MoS2粒度小，表面能大，處于能量不穩(wěn)定狀態(tài)[5]，由熱力學(xué)可知，粒子為達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)有降低比表面能而粒子間自發(fā)相互團(tuán)聚的傾向，且顆粒粒徑越小，其團(tuán)聚的傾向越強(qiáng)，實(shí)現(xiàn)粒子團(tuán)聚的主要推動(dòng)力是范德華力[6]。

（2）分散性差 非油溶性的大顆粒不利于其在基礎(chǔ)油中穩(wěn)定分散，甚至因其較高硬度而常在摩擦過(guò)程中起磨粒磨損的作用[7]。

因此，解決MoS2的團(tuán)聚及其在基礎(chǔ)油中的分散穩(wěn)定性成為提升其潤(rùn)滑性能的關(guān)鍵問(wèn)題。近年來(lái)，不斷有相關(guān)方面的研究報(bào)道，井翠潔合成了基于新型二硫化鉬/磺化聚苯胺復(fù)合材料[8]，劉俊制備了高分散二硫化鉬復(fù)合納米纖維[9]，王思遠(yuǎn)利用超聲和微波球磨法改性二硫化鉬[10]都在一定程度上改善了MoS2的分散性。目前，已有的油溶性二烷基二硫代氨基甲酸硫化氧鉬（MoDTC）[11]及二烷基二硫代磷酸硫化氧鉬（MoDDP）[12]等化合物在潤(rùn)滑過(guò)程中可能會(huì)釋放出S、P，從而產(chǎn)生環(huán)境污染問(wèn)題。

本文研究的實(shí)驗(yàn)室自制新型油溶性二硫化鉬，試驗(yàn)結(jié)果表明，其在潤(rùn)滑油中潤(rùn)滑效果良好，但還沒(méi)有基礎(chǔ)的應(yīng)用規(guī)范，因此，有必要對(duì)影響油溶性二硫化鉬團(tuán)聚及其在基礎(chǔ)油中的分散穩(wěn)定性的影響條件做出進(jìn)一步研究，為下一步其在潤(rùn)滑油的實(shí)際應(yīng)用提供基礎(chǔ)理論支持。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試劑與儀器

實(shí)驗(yàn)室自制油溶性二硫化鉬；基礎(chǔ)油為液體石蠟（AR上海阿拉丁生化科技股份有限公司）；去離子水和分散劑。

SYU-30-900DT型超聲波儀器（鄭州生元儀器有限公司）；JW-1012型離心機(jī)（安徽嘉文儀器裝備有限公司）；722型可見(jiàn)光分光光度計(jì)（上海欣茂儀器有限公司）。

1.2 原理與方法

為了探究實(shí)驗(yàn)室制備的油溶性二硫化鉬在基礎(chǔ)油中的分散穩(wěn)定性，本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)通過(guò)可見(jiàn)光分光光度計(jì)來(lái)測(cè)定樣品在液體石蠟中的分散穩(wěn)定性。分光光度計(jì)利用物質(zhì)的分子或離子對(duì)紫外和可見(jiàn)光的吸收所產(chǎn)生的紫外可見(jiàn)光譜及吸收程度，可以對(duì)物質(zhì)的結(jié)構(gòu)、組成和含量進(jìn)行分析、測(cè)定和推斷，所得吸光度A值越大，表示物質(zhì)對(duì)光的吸收越大。根據(jù)比爾定律，吸光度與吸光物質(zhì)的量濃度成正比。本實(shí)驗(yàn)為了分析所制各樣品在基礎(chǔ)油中的分散穩(wěn)定性，用可見(jiàn)吸收光譜儀測(cè)量其吸收光譜，從而判斷樣品在液體石蠟中的分散穩(wěn)定性。

首先，稱取一定量的油溶性二硫化鉬溶于液體石蠟中，制成懸濁油樣，再經(jīng)過(guò)超聲波分散和離心處理，最后立即取出混合均勻的油樣在可見(jiàn)光分光光度計(jì)上進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

2 結(jié)果與討論

2.1 油溶性二硫化鉬的添加量對(duì)樣品分散穩(wěn)定性的影響

分別配制油溶性二硫化鉬質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1%、0.2%、0.4%、0.6%、0.8%、1.0%、1.2%、1.4%、1.6%、1.8%、2.0%的油樣，采用超聲波的方法進(jìn)行分散，超聲功率500W，超聲時(shí)間30min，再在離心機(jī)上經(jīng)2000r·min-1轉(zhuǎn)速離心30min，最后立即取出混合均勻的油樣在可見(jiàn)光分光光度計(jì)上于同一波長(zhǎng)條件下測(cè)試吸光度值。圖1為油溶性二硫化鉬質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)樣品分散穩(wěn)定性的影響。

圖1 油溶性二硫化鉬質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)樣品分散穩(wěn)定性的影響Fig.1 Influence of the mass fraction of oil-soluble molybdenum disulfide on the dispersion stability of the sample

由圖1可知，油溶性二硫化鉬質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.6%～1.2%時(shí)分散效果較好，當(dāng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于1.2%時(shí)，可以觀察到有沉淀出現(xiàn)，且隨添加量增加沉淀越明顯。

2.2 超聲時(shí)間對(duì)樣品分散穩(wěn)定性的影響

首先,配制油溶性二硫化鉬質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%的混合油樣，分別以超聲功率500W，超聲時(shí)間0、1、5、10、20、30、40、50、60min進(jìn)行超聲處理，再在離心機(jī)上經(jīng)2000r·min-1轉(zhuǎn)速離心30min，最后立即取出混合均勻的油樣，在可見(jiàn)光分光光度計(jì)上于同一波長(zhǎng)條件下測(cè)試吸光值，圖2為超聲時(shí)間對(duì)樣品分散穩(wěn)定性的影響。

圖2 超聲時(shí)間對(duì)樣品分散穩(wěn)定性的影響Fig.2 Effect of ultrasonic time on the dispersion stability of the sample

由圖2可知，吸光度值整體呈現(xiàn)先上升后下降，后又稍有上升的趨勢(shì)，樣品均無(wú)明顯沉淀。通常分散效果隨超聲分散時(shí)間的增長(zhǎng)而更好，而顆粒經(jīng)過(guò)多次碰撞之后分散體系溫度升高，分子布朗運(yùn)動(dòng)強(qiáng)烈，雖然不常見(jiàn)但過(guò)多的超聲波會(huì)擊碎樣品顆粒，除分離顆粒外，超聲波時(shí)間過(guò)久還會(huì)增加顆粒間碰撞的速率，導(dǎo)致顆粒團(tuán)聚[13]，因此，超聲時(shí)間為30min時(shí)樣品的分散穩(wěn)定性較好。

2.3 離心時(shí)間對(duì)樣品分散穩(wěn)定性的影響

將制備的油溶性二硫化鉬質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%的油樣經(jīng)超聲功率500W，超聲時(shí)間30min超聲處理，再在離心機(jī)上經(jīng)轉(zhuǎn)速2000r·min-1分別離心0、10、20、30、50、70、90、110、130min，最后立即取出混合均勻的油樣，在可見(jiàn)光分光光度計(jì)上于同一波長(zhǎng)條件下測(cè)試吸光度值，觀察并記錄每次實(shí)驗(yàn)的結(jié)果。

圖3為離心時(shí)間對(duì)樣品分散穩(wěn)定性的影響。

圖3 離心時(shí)間對(duì)樣品分散穩(wěn)定性的影響Fig.3 Effect of centrifugation time on the dispersion stability of the sample

由圖3可知，油溶性二硫化鉬經(jīng)不同時(shí)間的離心，吸光度值隨著離心時(shí)間的延長(zhǎng)而不斷下降，也就對(duì)應(yīng)著MoS2在液體石蠟中的濃度逐漸降低，離心90min時(shí)，所有樣品都表現(xiàn)出良好的分散穩(wěn)定性。

3 結(jié)論

本實(shí)驗(yàn)主要使用可見(jiàn)光分光光度計(jì)探究了樣品添加量、超聲時(shí)間、離心時(shí)間對(duì)實(shí)驗(yàn)室自制油溶性二硫化鉬分散穩(wěn)定性的影響規(guī)律，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，在油溶性二硫化鉬質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.6%～1.2%、超聲功率500W、超聲時(shí)間30min以及轉(zhuǎn)速2000r·min-1離心90min時(shí)，實(shí)驗(yàn)室自制油溶性二硫化鉬無(wú)明顯沉淀，具有良好的分散穩(wěn)定性，為下一步其在潤(rùn)滑油的實(shí)際應(yīng)用上提供了基礎(chǔ)理論支持。