一种用于机械系统的润滑油添加剂及其制备方法和应用

技术领域

本发明涉及润滑油技术领域，特别是一种用于机械系统的润滑油添加剂及其制备方法和应用。

背景技术

从摩擦学的角度来看，摩擦磨损会直接造成机械设备的能量损失，导致零部件失效和严重的机械事故，而润滑被认为是降低摩擦和控制磨损最有效的方法之一。随着机械系统工况和环境的极端化、苛刻化发展，润滑油添加剂已广泛应用于许多类型的机械，而将石墨烯、六方氮化硼、金属(如Cu、Co和Ni)和金属氧化物(如Al

目前，石墨相氮化碳作为一类由碳和氮组成的新型材料，主要应用于可见光光催化、太阳能转换和吸附等领域，其具有成本低、制备容易、热稳定性可靠和环境友好等优点，理论上可以替代传统添加剂。尤其是，石墨相氮化碳片层之间的范德华力很弱，易于剪切，因而在摩擦领域中，可用作润滑油添加剂，以提高摩擦学性能，具有较好的发展前景。然而，令人遗憾的是，石墨相氮化碳具有极高的活性和表面能，意味着它们在基础油中分散性不佳，导致其多层团聚结构存在，所以目前涉及石墨相氮化碳用作基础油添加剂的研究极少。

因鉴于此，特提出此发明。

发明内容

为了解决现有的技术问题，本发明提供了一种用于机械系统的润滑油添加剂及其制备方法，通过冷凝回流法用长链烷基酸改性石墨相氮化碳，使石墨相氮化碳在作为添加剂添加到基础油中后不发生团聚，且在极端苛刻环境中仍然具有良好的减摩抗磨效果。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

第一方面，本发明提供了一种用于机械系统的润滑油添加剂的制备方法，按下述步骤进行：

(1)称取石墨相氮化碳，加入溶剂，超声分散制得石墨相氮化碳溶液；

(2)向步骤(1)获得的石墨相氮化碳溶液中添加改性剂、DMAP和DCC，搅拌，在惰性气氛下加热回流反应；

(3)反应完成后，离心取沉淀物，用无水乙醇和石油醚洗涤，干燥即得。

优选或可选地，所述石墨相氮化碳溶液中石墨相氮化碳的浓度为0.005-0.05g/mL。

优选或可选地，所述溶剂为去离子水、乙酸乙酯、无水乙醇、甲苯、异丙醇中的任意一种。

优选或可选地，所述改性剂包括油酸、亚油酸、硬脂酸、棕榈酸中的任意一种。

优选或可选地，步骤(2)中添加的改性剂、DMAP、DCC与石墨相氮化碳的质量比为30-40:1-2:2-3:0.5-3。

优选或可选地，步骤(2)中加热回流反应的温度为60-120℃，反应时间为8-15h。

优选或可选地，步骤(3)中，离心的转速为6000-12000rpm，离心时间为5-10min。

优选或可选地，步骤(3)中，干燥方式为真空冷冻干燥、低温真空干燥、鼓风干燥、喷雾干燥中的任意一种。

第二方面，本发明提供了一种用于机械系统的润滑油添加剂，采用上述的方法制备而成。

第三方面，本发明还提供了一种上述的润滑油添加剂在150BS基础油中的应用。

有益效果

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

本发明采用冷凝回流法制备出石墨相氮化碳润滑油添加剂，其容易吸附在机械系统摩擦副的表面上，形成阻碍表面之间直接接触的润滑油膜，起到更好的减摩抗磨效果。该方法和工艺简单高效，操作方便，易于实现工业化生产；

进一步的通过配方设计和工艺调整，可与150BS再生基础油充分的混溶，克服了分散到基础油里团聚问题，可显著提高150BS再生基础油的摩擦学性能，并延长机械系统的使用寿命；

更进一步的，本发明制备的润滑油添加剂不含硫、磷和氯等元素，对环境友好，也符合低碳环保理念，其作为高效润滑油添加剂具有很大的应用潜力。

附图说明

图1为本发明效果实施例1中实施例1组四球摩擦实验摩擦副表面的SEM照片；

图2为本发明效果实施例1中实施例2组四球摩擦实验摩擦副表面的SEM照片；

图3为本发明效果实施例1中实施例3组四球摩擦实验摩擦副表面的SEM照片；

图4为本发明效果实施例1中实施例4组四球摩擦实验摩擦副表面的SEM照片；

图5为本发明效果实施例1中空白对照组四球摩擦实验摩擦副表面的SEM照片；

图6为本发明效果实施例1中对比例1组四球摩擦实验摩擦副表面的SEM照片；

图7为本发明效果实施例2中平均摩擦系数的测试结果；

图8为本发明效果实施例2中磨斑直径的测试结果。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将结合说明书附图和较佳实验例对本发明作更全面、细致地描述，但本发明的保护范围并不限于以下具体的实施例。

除非另有定义，下文中所使用的所有专业术语与本领域技术人员通常理解的含义相同。本文中所使用的专业术语只是为了描述具体实施例的目的，并不是旨在限制本发明的保护范围。

除非另有特别说明，本发明中用到的各种原材料、试剂、仪器和设备等均可通过市场购买得到或者可通过现有方法制备得到。

本发明各实施例中所使用的石墨相氮化碳按下述的方法制备：

称取10g三聚氰胺置于50mL的带盖刚玉坩埚中，将坩埚放入马弗炉中，以5℃/min的升温速率加热至550℃，并煅烧4小时，自然冷却至室温后，经研磨得到黄色块状粉末；将一定量的黄色粉末在燃烧船平铺一层，再以2℃/min的升温速率加热至550℃，并煅烧2小时，待冷却后取出研磨，用去离子水和无水乙醇交替洗涤3次，在60℃下干燥8h，得到片层状石墨相氮化碳。

实施例1

本发明实施例提供了一种用于机械系统的润滑油添加剂。

取0.1g石墨相氮化碳于100mL烧瓶内，加入20mL乙酸乙酯，以频率20～30kHz的超声处理处理5～30min使石墨相氮化碳均匀分散。

加入4mL棕榈酸，0.16g DMAP(4-二甲氨基吡啶)和0.27g DCC(N,N'-二环己基碳酰亚胺)，连续搅拌，在氮气气氛下，将体系在90℃回流反应10h。

反应完成后，在6000rpm下离心10min，取沉淀物，用无水乙醇和石油醚各洗涤3次，置于100℃烘箱中干燥过夜即得。

实施例2

本发明实施例提供了一种用于机械系统的润滑油添加剂。

取0.2g石墨相氮化碳于100mL烧瓶内，加入20mL去离子水，以频率20～30kHz的超声处理处理5～30min使石墨相氮化碳均匀分散。

加入4mL亚油酸，0.16g DMAP和0.27g DCC，连续搅拌，在氮气气氛下，将体系在80℃回流反应8h。

反应完成后，在6000rpm下离心10min，取沉淀物，用无水乙醇和石油醚各洗涤3次，置于60℃烘箱中干燥过夜即得。

实施例3

本发明实施例提供了一种用于机械系统的润滑油添加剂。

取0.2g石墨相氮化碳于100mL烧瓶内，加入20mL甲苯，以频率20～30kHz的超声处理处理5～30min使石墨相氮化碳均匀分散。

加入4mL油酸，0.16g DMAP和0.27g DCC，连续搅拌，在氮气气氛下，将体系在110℃回流反应12h。

反应完成后，在6000rpm下离心10min，取沉淀物，用无水乙醇和石油醚各洗涤3次，置于80℃烘箱中干燥过夜即得。

实施例4

本发明实施例提供了一种用于机械系统的润滑油添加剂。

取0.2g石墨相氮化碳于100mL烧瓶内，加入20mL无水乙醇，以频率20～30kHz的超声处理处理5～30min使石墨相氮化碳均匀分散。

加入4mL硬脂酸，0.16g DMAP和0.27g DCC，连续搅拌，在氮气气氛下，将体系在80℃回流反应15h。

反应完成后，在6000rpm下离心6min，取沉淀物，用无水乙醇和石油醚各洗涤3次，置于-20℃真空冷冻干燥过夜即得。

对比例1

本对比例提供了一种用于机械系统的润滑油添加剂。

取0.1g石墨相氮化碳于100mL烧瓶内，加入20mL异丙醇，以频率20～30kHz的超声处理处理5～30min使石墨相氮化碳均匀分散。

加入4mL肉豆蔻酸，0.16g DMAP和0.27g DCC，连续搅拌，在氮气气氛下，将体系在80℃回流反应10h。

反应完成后，在6000rpm下离心5min，取沉淀物，用无水乙醇和石油醚各洗涤3次，置于80℃烘箱中干燥过夜即得。

效果实施例1

分别取实施例1-4和对比例1中制备的添加剂产品，按照0.03wt％添加在150BS基础油中，并磁力搅拌0.5h，超声分散0.5h使添加剂在基础油中分散均匀，并以未添加添加剂的150BS基础油为空白对照，分别对每组产品进行四球摩擦试验。

其中摩擦试验采用四球摩擦试验机机型，所述四球摩擦试验机为济南辰达试验机制造有限公司生产的型号为MRS-10W的四球摩擦试验机。

试验参数为：载荷392N，油品温度75℃，测试时长30min，转速1200r/min。

试验所用的钢球为上海钢球厂有限公司生产的GCr15钢球(Ф＝12.7mm，60～65HRC)，且钢球在摩擦测试前和后均需要在石油醚和无水乙醇中进行超声清洗。

试验完成后，以上海光学仪器一厂生产的型号为19JPC-V的微机万能工具显微镜测定磨斑直径，并以场发射扫描电子显微镜观察摩擦副表面。

四球试验后，各组的摩擦副表面的SEM照片如图1-6所示。

由图1-6可以看出，实施例1-4中的添加剂产品相较于空白组和对比例1而言，摩擦副的磨损情况更好，特别是实施例3，其减摩抗磨效果最优。

效果实施例2

采用与效果实施例1中相同的设备测定效果实施例1中制备的各样品油的摩擦学性能，试验参数为：载荷392N，油品温度75℃，测试时长30min，转速1200r/min。结果如图7-8所示。

由图7-8可得，实施例1-4中的添加剂产品相较于空白组和对比例1而言，摩擦学性能更优，特别是实施例3，其摩擦学性能最优，其相较于空白对照组而言，其平均摩擦系数和磨斑直径分别降低了27.7％和9.2％。

本发明采用石墨相氮化碳为主要原料制备润滑油添加剂，石墨相氮化碳具有与石墨烯类似的片层结构，在摩擦过程中，石墨相氮化碳能够更好的发生静电吸附，从而更易形成薄的保护油膜，使摩擦副接触面更加光滑。而经进一步的通过配方设计和工艺调整，本发明采用长链烷基酸改性石墨相氮化碳，并配合活化剂DMAP和DCC的选择和使用，使改性的石墨相氮化碳扩大了片层间距，阻碍范德华力的相互作用，可以促进具有相似结构的修复纳米材料均匀分散，减少团聚结构的存在，同时其可以有效填充表面划痕，减少机械损伤，两者协同作用，共同实现减摩抗磨效果。

需要说明的是，在实际操作过程中，溶剂的选择需要与后续的反应温度对应，使溶剂的沸点尽可能的与反应温度接近。

作为一种可能的调整方案，可按下表选择溶剂与反应温度。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。