[发明专利]一种水基2D/0D纳米复合材料润滑剂

说明书

本发明公开了一种水基2D/0D纳米复合材料润滑剂，该润滑剂由0.02～2wt.％的2D纳米薄片、0.02～2wt.％的0D纳米颗粒和96～99.6wt.％的去离子水混合搅拌而成；其中，所述2D纳米薄片选自一种或多种包含C和O官能团的2D纳米薄片，所述0D纳米颗粒选自一种或多种包含Al、Fe、Cu、Zr、Zn或Ti和O官能团的金属氧化物颗粒；所述2D纳米薄片和0D纳米颗粒形成2D/0D纳米复合材料。其结合2D和0D纳米材料自身优异的特性呈现出协同效应，具有稳定性好、易重复分散、摩擦系数低、抗磨性能好，环境友好的优点，可代替传统油基润滑剂系统实现低能源消耗并延长设备的使用寿命。

技术领域

本发明涉及一种2D/0D纳米复合材料水溶性纳米润滑剂，可应用于各类工业制造、机械装置及发动机摩擦副，实现低成本、高性能、环境友好的水基纳米润滑。

背景技术

在工业领域中，润滑剂在降低摩擦磨损相关的机械损伤及能源效率和生产率上起到至关重要的作用，但润滑剂使用后存在难回收、易产生环境污染等一系列问题。因此，发展对环境友好的水溶性润滑剂已成为工业领域的一个重要课题。目前，各类型润滑剂在特定环境和测试条件下的摩擦学机理已被证实。传统上，包含各类固、液态润滑剂和化学添加剂的水油乳化液被大量的应用于制造业，机械零部件和发动机中，以实现对滑动摩擦界面的润滑。为提高油基润滑剂润滑效果，人们对润滑油类型、浓度及包括喷射角度、喷嘴结构和位置的润滑油供给方法进行了深入的研究。研究表明，调节乳化液中油基的类型或油水比例，可实现对摩擦接触面的界面性能的控制，进而降低摩擦接触面的摩擦力和磨损。然而，传统油基润滑系统的使用却会产生大量包含作为边界润滑添加剂的脂肪酸的残余有机污染物，易形成高黏度油相，进而导致摩擦接触面润滑的不均匀性，甚至出现卡咬现象。同时，由于微生物作用，残余的有机污染物会进一步转变为生物污垢，进而破坏摩擦界面的润滑并增加设备维护成本。此外，乳化液的大量使用会引发一系列复杂的环境问题。例如，钢的热轧操作中废弃润滑剂排放所导致的水污染问题以及高温下有机润滑剂燃烧所导致的空气污染问题。

为改善传统油基润滑剂系统，新型润滑剂系统不仅需具有优异的摩擦学性能而且还应对经济、环境友好。功能无机纳米颗粒构成的水基润滑剂系统现已成为一个非常有前途的可广泛用于工业制造领域的新型润滑剂系统，因其可成功解决传统油基润滑剂使用带来的问题。水基纳米润滑剂的配制可分为两个步骤：首先，对无机纳米颗粒进行表面改性，从而获得润滑性能好和分散稳定的纳米颗粒。其次，将改性的纳米颗粒溶于去离子水配制成纳米颗粒悬浮液。通常，TiO₂,Al₂O₃,SiO₂,ZrO等无机纳米材料可作为此类润滑剂的添加剂，由于它们可呈现出好的润滑性和稳定的物理化学性能。然而，无机纳米材料由于其自身的材料属性，易导致差的力学特性。例如，在2.7GPa高接触压力和6cm s-1滑动速度下，Al₂O₃对比未润滑条件时呈现出更高的磨损和波动的摩擦系数。由于高载易导致Al₂O₃晶粒间快速的裂缝扩展及晶粒的剥落，使得摩擦界面存在少数磨粒而加速磨粒磨损。相反，对比单一的Al₂O₃溶液，由于2D的石墨烯薄片易在摩擦面和石墨烯-Al₂O₃复合材料间形成一层保护润滑膜，使得石墨烯-Al₂O₃复合纳米润滑剂可显著降低磨损率并获得稳定的摩擦系数值。此外，由于2D石墨烯和0DAl₂O₃纳米颗粒的复合材料可以在干摩擦条件下呈现出一个好的抗磨性能，因此应用2D/0D纳米复合水基润滑剂系统可显示出更优异的摩擦学性能。然而，前期的大量研究集中报道了2D/0D-石墨烯/无机纳米颗粒在干摩擦或者油基润滑剂系统下的摩擦磨损性能，而对于其在水基润滑剂中的性能却研究甚少。同时，由于石墨烯的强疏水性，使其不能在离子水中分散且不能与无机纳米颗粒形成复合纳米水基润滑剂。为此，有必要对水溶性2D/0D纳米复合材料的协同润滑效应开展研究，以便获得经济、环境友好、高性能的新型水基纳米复合材料润滑剂。

发明内容