大分子修饰铜纳米微粒的制备及其作为水基添加剂的摩擦学性能研究

发布时间：2020-06-11 23:53

【摘要】：近些年来随着人们对能源利用要求的进一步提高,水作为润滑剂用于工业作业领域引起了很大的关注。但是水在使用时存在润滑性能和防锈防腐性能不足的缺点,这些问题限制了水基润滑剂的使用,因此有必要研究高性能的水基润滑添加剂来改善水基润滑剂的性能。纳米材料作为润滑添加剂时表现出了良好的摩擦学性能,其中铜纳米微粒作为油溶性润滑添加剂时表现出优异的减摩抗磨及极压性能。基于铜纳米微粒自身的优点,本文设计合成表面修饰铜纳米微粒作为水溶性润滑添加剂,以此解决水作为润滑剂时润滑性能不足及腐蚀性强的问题。为解决铜纳米微粒在水中易氧化及分散稳定性问题,选用具有良好水溶性的大分子作为修饰剂,通过对其功能化,使其化学修饰于铜纳米微粒表面,赋予铜纳米微粒在水中良好的分散稳定性和化学稳定性。所选大分子如聚乙二醇和氧化石墨烯,可与铜纳米微粒形成复合材料,并在作为水基添加剂时发挥协同作用,表现出优良的减摩抗磨作用。同时考察了大分子修饰铜纳米微粒作为水基添加剂的抗腐蚀性能,结果表明大分子修饰铜纳米微粒的加入,降低了水的腐蚀性。具体如下:(1)聚丙烯酸修饰铜纳米微粒的制备及其作为水溶性润滑添加剂的摩擦学性能研究采用水溶性高分子聚丙烯酸钠(PAAS)为修饰剂,以氢氧化铜为铜源,80%水合肼为还原剂,制备了聚丙烯酸修饰的铜纳米微粒,并考察了其分散在蒸馏水中的摩擦学性能。采用X射线能谱仪(EDS)、X射线光电子能谱仪(XPS)分析磨斑上的元素及其价态;钢球磨斑表面的形貌利用扫描电子显微镜(SEM)、三维形貌轮廓仪进行分析,探究摩擦机制。同时按照国标考察铜纳米微粒作为水基添加剂的抗腐蚀性能。结果表明聚丙烯酸修饰的铜纳米微粒在蒸馏水中具有良好的分散性,这是利用了高分子的空间位阻,防止了铜纳米微粒的团聚。聚丙烯酸修饰铜纳米微粒作为水基添加剂时,与蒸馏水相比,在添加量为1wt%时,摩擦系数和磨斑直径分别降低30%和18%,最大无卡咬载荷(P_B值)和最小烧结载荷(P_D值)分别由低于88 N和1190 N提高到127 N和1960 N。与市场化切削液对比,不同载荷下磨斑直径最多降低7%,可以使P_D值由1568 N提高到1960N。对钢球磨斑进行EDS、SEM、XPS分析可知,含有铜纳米微粒的蒸馏水润滑下,在钢球磨斑上形成了少量含铜及铁的氧化物的润滑膜,改善了蒸馏水的润滑性能,提高了蒸馏水的极压性能。腐蚀实验结果表明聚丙烯酸修饰的铜纳米微粒加入,降低了蒸馏水的腐蚀性。(2)聚乙二醇黄原酸修饰铜纳米微粒的制备及其作为水溶性润滑添加剂的摩擦学性能研究聚乙二醇作为一种水溶性高分子,其本身是一种水基润滑剂。本章对聚乙二醇进行改性并作为修饰剂,制备了聚乙二醇黄原酸修饰的铜纳米微粒。采用透射电子显微镜(TEM)对制备的铜纳米微粒进行表征,考察了其作为蒸馏水的润滑添加剂的摩擦学性能。利用三维形貌轮廓仪和扫描电子显微镜(SEM)分析磨斑表面形貌,钢球表面磨斑上的元素及价态分析采用X射线光电子能谱仪(XPS),同时探究其摩擦机制。按照国标考察铜纳米微粒作为水基添加剂的抗腐蚀性能。结果表明当铜纳米微粒含量为0.5wt%时,与蒸馏水相比,摩擦系数和磨斑直径分别降低79%和27%,最大无卡咬载荷(P_B)提高到206 N,最小烧结载荷(P_D)提高到3087 N,添加量为2wt%时,P_B、P_D值分别提高到274 N和7840 N。SEM和XPS结果表明在钢球磨斑表面形成了主要含有铜及硫化亚铁的摩擦膜,它的存在可以使摩擦接触压减小,同时将钢-钢接触面分隔开来,从而起到提高蒸馏水润滑性能的作用。铜纳米微粒加入到蒸馏水中,可以降低蒸馏水的腐蚀性。(3)巯基化氧化石墨烯修饰铜纳米微粒的制备及其作为水溶性润滑添加剂的摩擦学性能研究基于氧化石墨烯二维层状结构,良好的水溶性和一定的减摩抗磨性,通过对氧化石墨烯进行巯基功能化来修饰铜纳米微粒,制备了改性氧化石墨烯修饰的铜纳米微粒(GO-Cu复合材料)。采用四球摩擦试验机考察巯基功能化氧化石墨烯修饰铜纳米微粒作为水基添加剂的摩擦学性能和极压性能。采用SEM、三维形貌仪分析磨斑的形貌,利用XPS、X射线能谱仪(EDS)分析钢球磨斑表面的元素组成及其价态,进而探究摩擦机理。按照国标考察GO-Cu纳米复合材料作为水基添加剂的抗腐蚀性能。结果表明改性氧化石墨烯修饰的铜纳米微粒分散在蒸馏水中,具有良好的分散性,当添加量为0.6wt%时可以使蒸馏水的P_B值由低于88 N提高到333 N,P_D值由1190 N提高到4900 N,摩擦系数和磨斑直径分别降低41%和31%。与市场化切削液对比,随着载荷变化,摩擦系数最大降低50%,P_B值和P_D值分别由303 N和1568 N提高到333 N和4900 N。GO-Cu纳米复合材料的添加量为1wt%,P_B值和P_D值可以达到431 N和7840 N。经过SEM、EDS、XPS分析钢球磨斑可知,在钢球磨斑上形成了Cu、FeS_2及含氮有机物组成的摩擦膜,在改善蒸馏水的摩擦学性能以及极压性能方面起到了作用。腐蚀实验结果表明GO-Cu纳米复合材料作为水基添加剂,可以降低蒸馏水的腐蚀性。
【图文】：

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图 2-4 聚丙烯酸修饰铜纳米微粒的 TEM 及分散在蒸馏水中的光学图片图 2-4 为聚丙烯酸修饰铜纳米微粒的 TEM 及铜纳米微粒分散在蒸馏水的光学学图片可以看到聚丙烯酸修饰的铜纳米微粒在蒸馏水中具有良好的分散性，透明制备的铜纳米微粒分布均匀，没有发生团聚，平均粒径为 4 nm 左右，这是

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图 2-11 不同润滑体系下的钢球磨斑的三维形貌图（载荷：50 N；转速：1450 rpm）图 2-11a、图 2-11b、图 2-11c 分别为蒸馏水、蒸馏水含聚丙烯酸钠、蒸馏水含 1wt%铜纳米微粒润滑体系下的钢球磨斑三维形貌图(放大倍数均为 5x)。载荷为 50 N 下，从图 2-11b 可以看到，加入聚丙烯酸钠后，比蒸馏水体系的磨斑直径有所降低；从图 2-11
【学位授予单位】：河南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TH117.1;TB383.1

【参考文献】