論納米硼酸鹽潤滑油添加劑的研究進展

高永強（滄州華海煉油化工有限責任公司河北 任丘061000）

長期以來使用的潤滑劑是以礦物油為基礎，在機械生產中所發(fā)揮的作用是節(jié)約能源、減少機械摩擦所造成的磨損，從而延長機械的使用壽命和滿足苛刻條件下的潤滑需求等功效。硼酸鹽具有較好的摩擦學性能，是受到極大關注的潤滑油添加劑。因硼酸鹽具有良好的極壓抗磨性能，能夠在高溫的情況下對銅、鐵等金屬產生不產生腐蝕作用，并且對金屬還具有一定程度的防銹功能。雖然硼酸鹽具有可觀的實用性，但在研究開發(fā)中存在一些阻礙性的問題，因其在潤滑劑基礎油中具有分散性和油溶性的特點，導致硼酸鹽不能充分發(fā)揮減小摩擦的特點，在生產應用受到限制。硼酸鹽的納米粒子因其粒徑小并且表面能高，極易發(fā)生團聚現象，這種團聚現象在熱力學上是不可逆的。納米粒子在團聚后的二次粒徑要比一次粒徑大幾十倍。因此，如何合成有機無機混合物，并通過其表面改性來控制其形貌和尺度，成為了各個領域爭相關注的熱點。

1 硼元素及其潤滑化合物

硼大多以礦物質的形式存在于自然界，具有非常大的實用性能。運用在工業(yè)添加劑中的硼化合物被用于抗菌、防霉和抗氧化。在摩擦學領域，硼酸、氮化硼、碳化硼、過渡金屬硼化物等硼的化合物被廣泛運用在機械生產中，它們以薄膜或塊狀形式來減輕機械摩擦和防止機械磨損。其中氮化硼是由碳原子和氮原子構成的晶體，具有以下四種不同變體：立方氮化硼、六方氮化硼、纖鋅礦氮化硼和菱方氮化硼。常溫下的立方氮化硼潤滑性能較弱，常與石墨、二硫化鉬及氟化石墨混合組成高溫潤滑劑；而六方氮化硼結構類似于石墨的層狀晶體結構，又被稱為白色石墨，經常被用作潤滑脂或潤滑油的添加劑或是固體潤滑劑，其在高溫高壓的情況下還能轉化成立方晶體型的氮化硼。碳化硼相對氮化硼來說具有高耐磨性和高硬度的特點，被廣泛用作抗沖擊硬質材料和耐磨材料。近年來，硼酸在摩擦學的運用日漸受到關注，因其與六方氮化硼具有相似的層狀結構，表現為三斜軸面鱗片狀結晶或白色粉末狀結晶，具有解理性的特點，在潮濕的環(huán)境中有很好的潤滑性。另外，如硼酸酯、有機硼化物等多種含硼化合物也被用做潤滑油添加劑或金屬加工液。

2 無機納米硼酸鹽添加劑的合成方法

2.1 研磨法

利用研磨法，可以將含有一定數量或是不含結晶水的硼酸鹽按比例的與基礎油混合，在加入分散劑后，將混合物置于研缽或球磨罐中進行研磨，經過膠體磨的碾磨或震動膜的振磨，可以方便的制備硼酸鹽-油分散體系，但其缺點是不易獲取粒度小的硼酸鹽分散體系。

2.2 復分解法

利用復分解的方法，將B(OH)3、Na2CO3或NaOH分別溶于水中，然后將B(OH)3與Na2CO3或NaOH的水溶液放置反應，在含有分散劑的油中乳化所得產物，最后將產物升溫脫水，即可制得硼酸鹽-油分散體系。通過復分解法值制得的硼酸鹽-油分散體的穩(wěn)定性強、粒度較小。但在實際操作中脫水操作的難度大，硼酸鹽在脫水時較易凝結析出，從而導致其穩(wěn)定性降低。

2.3 超聲波乳化法

超聲波乳化法是指運用較強超聲波使將溶液內不溶固體粉碎成微粒，并將粉碎產物與液體充分混合得到乳化液的技術。微乳液通常由溶劑、水、表面活性劑和助表面活性劑組成。利用微乳液可以精準控制納米材料的穩(wěn)定性，限制納米粒子的聚結等過程，使形成的納米粒子具有一定凝聚態(tài)結構，包裹一層表面活性劑。

2.4 直接沉淀法

直接沉淀法被廣泛運用在制取超細微粒操作中，其操作原理是將沉淀劑加入到金屬鹽溶液中，得到析出沉淀物。對沉淀物進行洗滌和熱分解等處理后得到超細微產物。直接沉淀法的操作方法簡單易行，對操作設備的要求不高，成本較低，并且產品純度較高。但是難以清除原溶液內的陰離子，得到的粒子分布較寬。

3 納米硼酸鹽作為潤滑油添加劑的作用機制

硼酸鹽潤滑油添加劑擁有良好的摩擦學性能，能適用于潤滑脂、齒輪油、發(fā)動機油、金屬切削油、拖拉機液壓油和金屬成型潤滑劑。但是，由于摩擦學在摩擦熱、接觸壓力、接觸面積等方面存在的復雜性，以及含硼化合物自身結構的多樣性，致使人們對硼酸鹽潤滑油添加劑在抗磨作用方面的認識存在爭議?，F階段人們對含硼化合物潤滑油添加劑作用機制存在兩種觀點，一種是沉積成膜，另一種是滲硼。

3.1 沉積成膜

針對硼酸鹽潤滑油添加劑的作用機制，有人提出沉積成膜的觀點，認為硼酸鹽會在機械摩擦表面生成幾種固體反應物膜：硼酸鹽聚合成為大分子膜，長時間沉積在機械摩擦的表面起的抗磨作用;硼酸鹽分解后的兩種或兩種以上的潤滑膜，部分或全部沉積在金屬機械表面起潤滑作用。添加劑分子在機械金屬表面進行異化從而構成新物質并表現出抗磨性能。

3.2 滲硼

從事油品應用教學和科研工作的專家董浚修對含硼有機化合物添加劑進行了相關測試分析，并提出滲硼的觀點。在相關測試中他們發(fā)現，被測金屬表面具有堅實并完整的表面膜，其中B與Ca、Fe、O、Na的原子數之比分別為：163:1、7.3:1、18:1和729:1。據他們分析認為，實驗中被測金屬表面覆蓋既不是硼酸鈉和硼酸鈣，也不是B的氧化物和硼酸，而是在金屬表面形成的間隙化合物FexBy，這種間隙化合物能夠溶解游離態(tài)的物質B從而形成的固溶體，最后覆蓋在金屬表面，減少剪切應力和提高機械的承載能力，達到減摩抗磨的最終目的。從其實質上看，滲硼作用是化學反應的一種。因此，結合滲硼觀點可以得出：在極壓情況下硼酸鹽能與摩擦副表面進行化學反應，產生金屬硼化物，進而達到減摩抗磨的目的。

4 結語

納米技術是興起于20世紀80年代末，在90年代初逐漸發(fā)展起的交叉性強的新型綜合學科，被廣泛運用在各個領域。隨著納米技術的迅猛發(fā)展，我國現階段工業(yè)技術領域發(fā)生了革命性的改變。在納米技術支持下，硼酸銅作為潤滑油的納米添加劑，改善了硼酸鹽在減磨性能方面的弱點，為無機納米材料在實際生產中的運用提供了參考憑證。

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