不同表面活性劑鍍液中BN(h)微粒的分散特性

邵 越，康 敏，金世偉，杜曉霞，張欣穎

（南京農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，江蘇南京210031）

Ni-P合金鍍層因具有較高的硬度、耐摩擦磨損性能、耐腐蝕性能、電催化性能及較低的內(nèi)應(yīng)力與摩擦系數(shù)，故可作為保護(hù)性鍍層應(yīng)用在易磨損、易腐蝕的金屬表面，并有替代硬鉻鍍層的趨勢(shì)[1-2]。研究表明，由基質(zhì)金屬和第二相顆粒構(gòu)成的金屬基復(fù)合鍍層具有基質(zhì)金屬和復(fù)合微粒的雙重特點(diǎn)；利用某些微粒與金屬共沉積方法制備的復(fù)合鍍層材料具有比單一合金鍍層更高的顯微硬度及耐摩擦磨損特性或其他功能特性[3]。

BN(h)是一種類似于石墨的層狀六方結(jié)構(gòu)，層與層之間是靠范德華力連接，易產(chǎn)生滑動(dòng)，具有良好的自潤(rùn)滑作用。BN(h)的導(dǎo)熱性、絕緣性、高溫?zé)岱€(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性優(yōu)良，是復(fù)合鍍層中較理想的添加顆粒[4-5]。但由于BN(h)微粒具有很大的比表面積和較高的表面能，在鍍液中易團(tuán)聚形成較大的顆粒，故會(huì)影響懸浮液的穩(wěn)定性。因此，選擇適合的表面活性劑對(duì)鍍液中BN(h)微粒的分散和復(fù)合鍍層的質(zhì)量具有較大的影響。

本文研究了在十二烷基硫酸鈉（SDS）、十六烷基三甲基溴化銨（CTAB）、聚乙烯醇（PVA-1750）、三乙醇胺（TEA）、十二烷基苯磺酸鈉（SDBS）、聚乙二醇（PEG-6000）等 6種表面活性劑條件下，BN(h)微粒在鍍液中的分散特性。通過(guò)檢測(cè)鍍液中BN(h)微粒表面的Zeta電位、觀察BN(h)微粒的懸浮情況及不同表面活性劑條件下Ni-P-BN(h)復(fù)合鍍層的表面形貌與摩擦磨損情況，對(duì)不同表面活性劑進(jìn)行了綜合評(píng)價(jià)。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料

分散體系為Ni-P合金鍍液，其組分見(jiàn)表1。表面活性劑為 SDS、CTAB、PVA、TEA、SDBS 及 PEG，濃度均為0.1 g/L。使用的試劑均為分析純，用去離子水配置。

表1 Ni-P合金鍍液組分

此外，BN(h)微粒的粒徑分布見(jiàn)圖1。其中，粒徑≤1 μm的約占70.23%；粒徑≤3 μm的約占99.63%。

圖1 BN(h)微粒的粒徑分布

1.2 試驗(yàn)儀器

試驗(yàn)使用的儀器有：精度為0.1 mg的Sartorius BSA系列精密電子天平，JJ-1定時(shí)電動(dòng)攪拌器，HH數(shù)顯恒溫水浴鍋，KH-200KDE型高功率數(shù)控超聲波清洗機(jī)，MP-2A金相試樣磨拋機(jī)，JS94H2型微電泳儀，SMD-500型電鍍電源，M-2000A型磨損試驗(yàn)機(jī)，Hitachi S-4800型掃描電子顯微鏡。

1.3 試驗(yàn)方法

先分別稱取BN(h)微粒1 g，加入酒精中進(jìn)行充分?jǐn)嚢?，使微粒表面得到充分?rùn)濕后進(jìn)行過(guò)濾除雜質(zhì)；再將過(guò)濾后的BN(h)微粒加入1 L含有不同分散劑的Ni-P合金鍍液中，在超聲波清洗機(jī)中超聲振蕩20 min。

各取5 mL用于檢測(cè)BN(h)微粒表面的Zeta電位，每種樣品測(cè)5次，取平均值；各取200 mL含有不同分散劑的Ni-P合金鍍液并靜置30 min，用于觀察懸浮液的穩(wěn)定狀況；分別在所配制的含有不同表面活性劑和BN(h)微粒的溶液中進(jìn)行電沉積試驗(yàn)，觀察得到Ni-P-BN(h)鍍層的表面形貌，電沉積試驗(yàn)工藝參數(shù)見(jiàn)表2；最后，將所得到的試樣進(jìn)行摩擦磨損試驗(yàn)，觀察其磨痕。對(duì)上述4項(xiàng)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，從而確定最佳的表面活性劑。

表2 電沉積試驗(yàn)工藝參數(shù)

2 結(jié)果與討論

2.1 不同表面活性劑鍍液中BN(h)微粒的Zeta電位

根據(jù)Stern雙電層理論，BN(h)微粒與鍍液接觸時(shí)，BN(h)微粒表面的荷電導(dǎo)致了固-液界面中的液體一側(cè)帶著相反電荷，這種界面電荷影響著界面周圍介質(zhì)中的離子分布，從而形成擴(kuò)散雙電層[6-7]。雙電層中靠近固體側(cè)的為緊密層，靠近液體側(cè)的為擴(kuò)散層，緊密層和滑動(dòng)層的界面為滑動(dòng)面，該處對(duì)遠(yuǎn)離界面的某點(diǎn)電位即為Zeta電位。Zeta電位可用來(lái)表征BN(h)微粒表面所帶電荷的數(shù)量，衡量微粒分散體系的物理穩(wěn)定性。一般認(rèn)為，Zeta電位絕對(duì)值越高，其BN(h)微粒間的靜電斥力越大，物理穩(wěn)定性越好。

不同表面活性劑鍍液中BN(h)微粒的Zeta電位絕對(duì)值見(jiàn)圖2。由于對(duì)照組未加任何表面活性劑，故鍍液中BN(h)微粒的Zeta電位絕對(duì)值最低，僅為3.93 mV。而在鍍液中加入表面活性劑后，BN(h)微粒的Zeta電位絕對(duì)值均有較大的提高。其中，陽(yáng)離子表面活性劑CTAB和非離子表面活性劑PEG對(duì)BN(h)微粒的Zeta電位絕對(duì)值的影響最大，其值分別為20.41 mV和20.30 mV。

圖2 不同表面活性劑鍍液中BN(h)微粒的Zeta電位

2.2 不同表面活性劑鍍液中BN(h)微粒的懸浮穩(wěn)定性

在分散穩(wěn)定性差的體系中，微粒易團(tuán)聚而形成絮狀沉淀，且沉淀速度很快；在分散穩(wěn)定性好的體系中，微粒在溶液中由上到下呈逐漸增濃的彌散分布，微粒不易形成沉淀或形成沉淀物的速度慢。圖3是BN(h)微粒在不同表面活性劑鍍液中靜置30 min的沉淀情況。可看出，未加任何表面活性劑的對(duì)照組中，微粒沉淀量最大；加入CTAB和TEA兩種表面活性劑后的BN(h)微粒的沉淀量較小。

圖3 BN(h)微粒在不同表面活性劑鍍液中的懸浮情況

2.3 不同表面活性劑鍍液中制備的Ni-P-BN(h)復(fù)合鍍層表面形貌

在不同表面活性劑鍍液中制備的Ni-P-BN(h)復(fù)合鍍層的表面形貌見(jiàn)圖4。可看出，在加入陽(yáng)離子表面活性劑CTAB的復(fù)合鍍液中制備的鍍層表面球狀顆粒分布較均勻，鍍層質(zhì)量較好（圖4a）；在加入非離子表面活性劑TEA的復(fù)合鍍液中制備的鍍層表面有些發(fā)黑，鍍層質(zhì)量較差（圖4b）；在加入非離子表面活性劑PEG的復(fù)合鍍液中制備的鍍層表面有些灰色的浮層（圖4c）。

2.4 不同表面活性劑鍍液中制備的Ni-P-BN(h)復(fù)合鍍層磨損特性

圖4 Ni-P-BN(h)復(fù)合鍍層的表面形貌

在不同表面活性劑鍍液中制備的Ni-P-BN(h)復(fù)合鍍層經(jīng)磨損試驗(yàn)后的表面形貌見(jiàn)圖5。可看出，在無(wú)鍍層保護(hù)的情況下，45鋼表面的磨損情況較嚴(yán)重，摩擦面出現(xiàn)了較嚴(yán)重的劃痕，局部地方出現(xiàn)大塊的脫落現(xiàn)象，屬于粘著磨損（圖5a）。這是由于在磨損的時(shí)候，45鋼和對(duì)磨件組成的摩擦副之間出現(xiàn)了粘結(jié)點(diǎn)，粘接點(diǎn)的剪切強(qiáng)度高于45鋼，破壞發(fā)生在離粘接點(diǎn)不遠(yuǎn)處的45鋼金屬表層。而在加入陽(yáng)離子表面活性劑CTAB（圖5b）及非離子表面活性劑PEG（圖5c）的復(fù)合鍍液中制備的鍍層在磨損時(shí)，出現(xiàn)了輕微的犁溝痕跡，兩者均屬于磨粒磨損，且圖5b所示的磨痕深度較淺。這是由于此時(shí)45鋼基體表面電沉積了一層硬度較大的Ni-P-BN(h)復(fù)合鍍層，該鍍層和對(duì)磨件組成的摩擦副在相互運(yùn)動(dòng)時(shí)，接觸表面上的粗糙峰將會(huì)先被磨平形成磨粒，磨粒運(yùn)動(dòng)的方向和鍍層表面接近平行，磨粒和鍍層接觸的地方應(yīng)力較低，于是在鍍層表面產(chǎn)生了輕微的犁溝痕跡。

在Ni-P-BN(h)鍍層磨損的時(shí)候，鍍層中的BN(h)微粒將會(huì)起到固體潤(rùn)滑劑的作用。BN(h)微粒在鍍液中的分散情況會(huì)影響其在復(fù)合鍍層中的分布效果。在鍍液中分散得好，BN(h)微粒會(huì)均勻彌散地分布在復(fù)合鍍層中；反之，BN(h)微粒就會(huì)團(tuán)聚，不均勻地分布在復(fù)合鍍層中。從磨損的情況來(lái)看，陽(yáng)離子表面活性劑CTAB的效果最好。

圖5 試樣的磨痕形貌

3 結(jié)論

（1）在鍍液中加入表面活性劑后，BN(h)微粒的Zeta電位絕對(duì)值有了較大的提高。在加入表面活性劑CTAB和PEG的鍍液中，BN(h)微粒的Zeta電位絕對(duì)值最大，其值分別為20.41 mV和20.30 mV。

（2）在不加任何表面活性劑的鍍液中，BN(h)微粒的沉淀量最大；加入CTAB和TEA兩種表面活性劑后，BN(h)微粒的沉淀量較小。

（3）在加入CTAB表面活性劑的復(fù)合鍍液中，制備的鍍層表面球狀顆粒分布較均勻，鍍層質(zhì)量最好。

（4）在磨損試驗(yàn)中，在無(wú)鍍層保護(hù)的情況下，45鋼表面出現(xiàn)了較嚴(yán)重的粘著磨損，摩擦面有較嚴(yán)重的劃痕，局部地方有大塊的脫落現(xiàn)象；而在加入CTAB及PEG的復(fù)合鍍層中，制備的鍍層出現(xiàn)了磨粒磨損，有輕微的犁溝痕跡。從磨損的情況來(lái)看，CTAB的效果最好。

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