納米銅在220#礦山潤滑油中的懸浮穩(wěn)定性與摩擦性

孫引忠，王 瓊，孟 昭

(1.中國平煤神馬集團 煉焦煤資源開發(fā)及綜合利用國家重點實驗室，河南 平頂山 467099；2.中國平煤神馬集團 能源化工研究院，河南 平頂山 467099；3.西安科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安 710054)

在采礦生產(chǎn)中，采礦機械工作環(huán)境惡劣，條件苛刻且作業(yè)時間較長，所以與其他類型機械相比，其需要更優(yōu)異的潤滑性能[1]。對采礦機械設(shè)備進行合理有效的潤滑保養(yǎng)和管理，在一定程度上可以降低設(shè)備磨損、延長其使用壽命[2]。采礦作業(yè)中，大型機械設(shè)備大多采用電機拖動，日常機械設(shè)備運行采用220#潤滑油維護齒輪、軸承間的正常運行。傳動零件間的磨損主要形式為劃傷、點蝕、剝落、氧化腐蝕及塑性變形。形成磨損的原因主要是設(shè)備的連續(xù)高負荷運行和多種工況(溫度，因磨損產(chǎn)生的磨削雜質(zhì))的綜合作用，特別是潤滑油在摩擦副表面形成油膜，因此，機械設(shè)備的磨損與目前所用潤滑油的抗磨性有很大關(guān)系。

銅納米微粒具有良好的減摩、抗磨和極壓性能，經(jīng)過表面修飾的銅納米微粒用作潤滑油添加劑，不但具有良好的摩擦學(xué)性能，而且對摩擦副表面具有良好的修復(fù)效果[3-7]。目前，將納米銅添加進潤滑油基油中提高潤滑油的潤滑性能已有大量基礎(chǔ)性研究，但不同品牌及牌號的潤滑油成分差別較大，因此，納米銅在這方面的實際應(yīng)用還處于實驗室研究階段。

針對上述問題，研究了所制備的納米銅的懸浮性、摩擦學(xué)性能，開發(fā)出針對采礦機械設(shè)備常用的潤滑油納米銅添加劑。

1 試驗部分

1.1 試驗原料及主要設(shè)備

納米銅懸浮液，專利技術(shù)自制；非離子表面活性劑聚氧乙烯失水山梨醇單油酸脂(吐溫-80)與失水山梨醇單油酸脂(司盤-80)，山東優(yōu)索化工科技有限公司；220#齒輪油，平頂山泰克斯特高級潤滑油有限公司。

DS-3510型超聲波振蕩儀，上海向帆儀器有限公司；800型離心機，江蘇省金壇市正基儀器；D/max 2200pc型XRD衍射儀，日本理學(xué)公司；LS230型激光粒度儀，美國貝克曼庫爾特；JEM-200CX型透射電鏡，日本NEC公司；Varian 715-ES等離子體發(fā)射光譜儀，美國瓦里安公司；MFT-R4000高速往復(fù)摩擦磨損試驗儀，蘭州華匯儀器科技有限公司；AW潤滑油抗磨試驗機，天津遠恒潔凈機械設(shè)備廠。

利用電感耦合等離子體發(fā)射光譜法研究納米銅潤滑油的懸浮穩(wěn)定性，利用MFT-R4000高速往復(fù)摩擦磨損試驗儀與AW潤滑油抗磨試驗機研究不同質(zhì)量分數(shù)納米銅添加到220#潤滑油中的減摩、極壓與抗磨性能。

1.2 試驗方法

1.2.1 納米銅懸浮液的制備

根據(jù)專利[8]和文獻[9-14]，采用液相還原法制備納米銅。銅源為CuSO4，還原劑為水合聯(lián)氨，保護劑為聚乙烯吡咯烷酮(PVP)，分散劑為十六烷基三甲基溴化銨(CTAB)，嚴格控制反應(yīng)速度；同時，依據(jù)文獻[15]對所得納米銅進行凈化、濃縮并調(diào)整pH，得到濃縮納米銅懸浮液；采用XRD、激光粒度分析儀和TEM等方法分析納米銅懸浮液的成分、粒度和形態(tài)。

1.2.2 納米銅懸浮液的表面改性

納米銅顆粒與分散介質(zhì)潤滑油的表面或界面性質(zhì)不同，二者相容性較差，單純利用納米銅顆粒表面的自然性質(zhì)在潤滑油中難以達到有效、穩(wěn)定和均勻的分散。納米銅的改性不但需要將納米銅

裹上一層親油高分子化合物，還必須利用靜電同性相斥原理對納米銅顆粒進行復(fù)合包覆，阻止其相互絮凝。試驗選用非離子表面活性劑聚氧乙烯失水山梨醇單油酸脂(吐溫-80)與失水山梨醇單油酸脂(司盤-80)，其在潤滑油中形成的復(fù)合包覆示意如圖1所示。二者在水中不電離，穩(wěn)定性強，不易受強電解質(zhì)無機鹽及酸、堿的影響。

圖1 吐溫-80與司盤-80在液固界面的復(fù)配示意

按表1的添加比例，借助磁力攪拌器將4組吐溫-80、司盤-80、納米銅及緩沖液在1 500 r/min速率下攪拌15 min，混合均勻，得到改性納米銅。其中，納米銅用量均為100 g，緩沖液均為233 g，添加緩沖液的目的是提高納米銅顆粒與改性劑和潤滑油之間的互溶性，提高懸浮穩(wěn)定性。緩沖液的物理特性介于乙醇和潤滑油之間。

諸多研究報道，MRI具備多參數(shù)、多序列成像和高軟組織分辨力，可提供患者不同影像學(xué)參考信號的對比圖像，是一種診斷準確性高和無創(chuàng)傷的診斷方式[5]。除此之外，MRI診斷可清晰顯示腫瘤病灶的大小、形態(tài)及生長方式，對腫瘤淋巴結(jié)轉(zhuǎn)移和臨床治療方案選擇具有重要作用[6]。本研究通過增強MRI應(yīng)用于結(jié)直腸癌患者的臨床診斷，結(jié)果發(fā)現(xiàn)MRI圖像顯示42例結(jié)直腸癌患者中，結(jié)腸癌26例，直腸癌16例；MRI增強掃描病灶明顯強化，38例病灶清晰顯示，侵及的周圍組織或器官與鄰近器官間間隙消失，鄰近器官與腫塊粘連。與諸多學(xué)者研究報道相似[7]。

表1 改性納米銅添加劑配比

1.2.3 改性納米銅與潤滑油調(diào)和

將表1中4種改性納米銅分別與220#油按表2所示比例進行調(diào)和，得到不同改性劑配比的納米銅潤滑油，然后測試納米銅在潤滑油中的懸浮分散性能。調(diào)和方法為將改性納米銅添加到100.0 g 220#潤滑油中自然攪拌。測試結(jié)果表明，d組改性納米銅的懸浮分散效果最佳，因此試驗選擇在d組配方基礎(chǔ)上調(diào)整納米銅用量，再將其分別添加到100.0 g 220#潤滑油中，以考察其摩擦磨損效果。不同納米銅質(zhì)量分數(shù)的改性納米銅添加劑用量及比例見表3。

表2 4組改性納米銅的實際用量及比例

表3 納米銅質(zhì)量分數(shù)不同的改性納米銅潤滑油中d組改性納米銅添加量及比例

1.3 納米銅在潤滑油中的懸浮穩(wěn)定性

將純潤滑油和添加了納米銅的潤滑油(添加了緩沖液)分別置于電磁加熱攪拌器中，并在55 ℃加熱條件下旋渦攪拌；準確稱取上述各組潤滑油5 g于小口塑料瓶中，按m(二甲苯)/m(油)=10/1比例進行稀釋，充分混合均勻后分別靜止0、2和11 d后取上層清液進行ICP測試。

1.4 納米銅在潤滑油中的摩擦學(xué)性能

在MFT-R400高速往復(fù)摩擦磨損試驗儀上進行摩擦頻率為2 Hz，摩擦長度為10 mm，載荷分別為5、10、20 N的10 min對磨試驗，考察220#潤滑油及含有不同質(zhì)量分數(shù)納米銅的潤滑油的減摩性能；采用AW潤滑油抗磨試驗機測試220#潤滑油及含有不同質(zhì)量分數(shù)改性納米銅潤滑油的極壓與抗磨性能。

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 納米銅懸浮液的表征

圖2為納米銅的XRD分析結(jié)果?？梢钥闯觯苌浞逯杏?個較強，它們對應(yīng)的衍射角分別為2θ=43.48°、50.56°和74.26°，分別對應(yīng)于面心立方銅的(111)、(200)和(220)晶面，與標準卡JCPDS(No.04-0836)的銅單質(zhì)的特征峰完全吻合，因此，可確定其為立方晶型純單質(zhì)銅。根據(jù)謝樂公式計算平均晶粒粒徑約為32 nm。粒度分析D50=140 nm左右，故可知采用液相還原法制備的納米銅由2～4個單晶銅顆粒組成。

圖2 納米銅的XRD分析結(jié)果

圖3為納米銅的粒度分布?？梢钥闯?，納米銅的平均粒徑為139 nm。設(shè)備零件表面的粗糙度一般在100～500 nm之間，針對這一表面粗糙度范圍可判斷出納米銅顆粒的最佳粒徑應(yīng)在150 nm左右，故所制備的納米銅顆粒粒徑符合要求。

圖3 納米銅的粒度分布

圖4為納米銅的TEM分析結(jié)果。放大觀察納米銅顆粒的形貌，可以看出：納米銅顆粒被團絮狀有機物充分包覆，支撐納米銅顆粒懸浮在溶液中；產(chǎn)物顆粒形狀不規(guī)則，粒徑為100 nm左右。

圖4 納米銅的TEM照片

2.2 納米銅潤滑油的ICP測定

改性納米銅潤滑油的ICP測定結(jié)果如圖5所示。對每組樣品來說，靜置時間越長，上清液中銅質(zhì)量濃度之間的差值越小，說明其在油品中的懸浮穩(wěn)定性能越好。由圖5看出：d組試驗效果更好，即復(fù)配非離子表面活性劑吐溫-80與司盤-80的用量比為1∶1，且與納米銅的質(zhì)量比均為2.0%時，納米銅在潤滑油中的懸浮效果最佳。

吐溫-80與司盤-80用量比：—★—0；—▲—0.8∶1；—◆—1∶1；—■—1.2∶0.8；—●—2∶2。

圖5 改性納米銅潤滑油的ICP測定結(jié)果

2.3 納米銅潤滑油的摩擦學(xué)性能

為了考察不同用量納米銅對220#潤滑油性能的影響，試驗測試了3個代表性指標，即減摩性能、極壓性能和抗磨性能。這3個性能分別用平均摩擦系數(shù)、最大無卡咬負荷(PB)和磨痕面積(S)予以表征。

結(jié)合2.2中ICP測定結(jié)果，緩沖液、吐溫-80及司盤-80用量分別為納米銅質(zhì)量的233%、2%和2%；同時，為了確定不同銅用量對潤滑油減摩效果的影響，對表3中4種配比的納米銅潤滑油進行摩擦學(xué)性能測定。

2.3.1 減摩性能

在5、10和20 N載荷條件下，不同納米銅質(zhì)量分數(shù)對潤滑油摩擦系數(shù)的影響試驗結(jié)果如圖6所示。

圖6 不同納米銅質(zhì)量分數(shù)對潤滑油摩擦系數(shù)的影響

由圖6看出：在5 N載荷下，潤滑油中加入少量改性納米銅即可起到明顯減摩作用；隨改性納米銅潤滑油中納米銅質(zhì)量分數(shù)增大，潤滑油平均摩擦系數(shù)先降低后升高；納米銅質(zhì)量分數(shù)較少時，潤滑減摩作用效果稍差；納米銅質(zhì)量分數(shù)為0.50%時，因為所含納米粒子較多，固體顆粒對油膜潤滑阻力過大，減摩效果受到影響?？傮w來看，納米銅質(zhì)量分數(shù)為0.30%時，減摩效果最佳，摩擦系數(shù)降低了67.07%左右。

在10 N載荷條件下，納米銅質(zhì)量分數(shù)為0.30%的改性納米銅潤滑油平均摩擦系數(shù)下降最為明顯，其下降了15.79%左右，說明此時潤滑油形成的油膜逐漸減薄，納米銅粒子起到了潤滑減摩作用；但納米銅質(zhì)量分數(shù)低至0.05%和0.10%時，納米銅粒子較少，其減摩效果較差；納米銅質(zhì)量分數(shù)過高，為0.50%時，過多的納米銅顆粒對摩擦副表面的相對運動產(chǎn)生較大阻力，導(dǎo)致平均摩擦系數(shù)增大。

在20 N載荷條件下，當改性納米銅潤滑油中納米銅質(zhì)量分數(shù)為0.05%時，潤滑油平均摩擦系數(shù)略有增大，這主要是負荷較高，油膜在短時間內(nèi)發(fā)生破裂，潤滑主要靠添加的納米銅粒子的滑動作用；而納米銅質(zhì)量分數(shù)為0.05%時用量過少，難以為摩擦副表面提供穩(wěn)定潤滑；隨納米銅質(zhì)量分數(shù)增加，摩擦副表面間的滑動摩擦阻力降低，且摩擦過程中的局部高溫使納米銅粒子更易鋪展，從而形成了更加致密的銅膜。納米銅質(zhì)量分數(shù)為0.30%時可達最好的減摩效果，平均摩擦系數(shù)降低43.40%左右。

由圖6看出：在5、10及20 N載荷條件下，納米銅質(zhì)量分數(shù)為0.3%時，潤滑油的平均摩擦系數(shù)下降最為明顯。

2.3.2 極壓與抗磨性能

由圖6看出：納米銅質(zhì)量分數(shù)為0.50%時，不同載荷下潤滑油平均摩擦系數(shù)均略高于220#潤滑油，故試驗只選擇納米銅質(zhì)量分數(shù)為0.05%、0.1%與0.3%的潤滑油進行極壓與抗磨性能對比研究。

納米銅質(zhì)量分數(shù)對潤滑油的極壓與抗磨性能的影響如圖7所示。

圖7 納米銅質(zhì)量分數(shù)對潤滑油的極壓與抗磨性能的影響

由圖7看出，納米銅潤滑油比220#潤滑油的極壓性能有較大提高：隨納米銅質(zhì)量分數(shù)逐漸增大，PB達到設(shè)備極限值1 200 kg以上，比220#潤滑油的PB(1 000 kg)提高了20%，說明納米銅顆粒起到了很好的極壓作用。同時，添加改性納米銅的潤滑油在抗磨性方面也有了較大提升，其磨痕面積從1 000 kg PB載荷下的12.46 mm2下降到1 200 kg PB載荷下的4.55 mm2，說明抗磨性能極大提高；隨納米銅質(zhì)量分數(shù)增加，其抗磨性呈下降趨勢，在納米銅質(zhì)量分數(shù)0.30%時，極壓與抗磨性能均較好，PB提高了20%以上，磨痕面積降低了63.9%。

3 結(jié)論

采用化學(xué)還原法可有效制備納米銅的棕紅色懸浮液。分析結(jié)果表明，納米銅平均粒徑為139 nm，分布較為集中；其為立方晶型單質(zhì)銅，晶粒平均粒徑為32 nm，即納米銅顆粒由2～5個單晶銅顆粒組成；顆粒形狀不規(guī)則，在溶液中能夠穩(wěn)定懸浮，粒徑為100 nm左右。

納米銅經(jīng)2種非離子表面活性劑復(fù)配改性后，可有效懸浮于目標油中，即采用非離子表面活性劑吐溫-80和司盤-80按照1∶1復(fù)配，可使納米銅顆粒在油中有良好的懸浮分散效果；同時添加適量緩沖液能進一步提高納米銅顆粒的懸浮分散性。

將改性納米銅添加到220#潤滑油中，能夠顯著提高潤滑油減摩性能。在載荷為5、10和20 N條件下，納米銅質(zhì)量分數(shù)為0.30%時，效果均達到最佳，平均摩擦系數(shù)分別降低了67.07%、15.79%和43.40%；同時能夠明顯提高潤滑油的極壓性能和抗磨性能，220#潤滑油的最大無卡咬負荷提高了20%，磨痕面積降低了63.9%。