LaF₃納米顆粒的制備及其潤滑作用

尤建偉 李芬芳 范成凱

摘要:LaF₃納米材料作為一種新型的潤滑油添加劑顯示出了優異的摩擦學性能。文章綜述了近年來LaF₃納米材料的制備方法、表面改性技術以及潤滑作用機制和應用進展,指出LaF₃納米材料在潤滑中所面臨主要問題是它的分散性和穩定性問題。展望了LaF₃納米材料作為潤滑添加劑的發展趨勢。隨著現代工業的快速發展,LaF₃納米顆粒作為極壓抗磨劑是未來的發展方向,在摩擦學領域中它的摩擦學性能和潤滑機理必將受到人們更為廣泛的關注。

關鍵詞:LaF₃;納米材料;潤滑

中圖分類號:TE624.82 文獻標識碼:A

Survey of Preparation and Lubrication of LaF₃Nanoparticles as Lubricating Oil Additive

YOU Jian-wei, LI Fen-fang, FAN Cheng-kai

(School of Chemistry and Chemical Engineering,Central South University,Changsha 410083,China)

Abstract:LaF₃nanomaterials have shown excellent tribological properties as a kind of new additive in lubricating oil and grease. The preparation method, surface-modification technology, lubricating mechanism and application development of LaF₃nanomaterials are summarized in this paper. It is pointed out that the key problems of LaF₃nanoparticles in lubricant are the dispersity and stability. The future development of LaF₃nanomaterials as lubricating oil additive is presented as well. With the accelerative development of modern industry nowadays, LaF₃nanomaterials will be a young conception in the field of tribology. And the tribological properties and lubricating mechanism will be gotten more and more attention. Key words:LaF₃; nanomaterials; lubrication

0 前言

納米微粒是指顆粒尺度為納米量級(1~100 nm)的超細微粒。當材料的顆粒縮小到只有幾納米到幾十納米時,材料的性質發生了意想不到的變化。由于組成納米材料的超微粒尺度,其界面原子數量比例極大,一般占總原子數的40%～50%,使材料本身具有宏觀量子隧道、表面和界面等效應,從而具有許多與傳統材料不同的物理、化學性質[1]。納米材料是當前材料學科研究的熱點之一。納米材料的奇異特性和廣闊的應用前景,使得材料、凝聚態物理、膠體化學、原子物理、配位化學、化學反應動力學和表面、界面科學等學科領域的科學家紛紛投身于納米材料的研究工作中[2]。由于納米材料具有比表面積大、高擴散性、易燒結性、熔點降低等特性,可以預見新型納米潤滑材料應用于摩擦系統中,將以不同于傳統添加劑的作用方式,起到減摩抗磨作用[3]。納米粒子作為潤滑油添加劑在國外已研究多年,并有產品投放到中國市場如美國的JB、加拿大的倍力、美國的APOLLO等。這些產品具有降低摩擦、延長設備使用壽命、降低噪音、修補金屬表面等優點,主要應用于轉動、有摩擦、有燃燒的各種儀器、設備等。而我國的納米潤滑油添加劑還處在研制及如何添加到潤滑油的階段[4]。

鑭元素位于元素周期表中第六周期第ⅢB族,原子序數為57。研究發現:LaF₃納米材料作為潤滑油添加劑具有優良的抗磨減摩性能,同時,與常用潤滑油添加劑的活性元素具有協同效應。由于鑭元素是鑭系的第一個元素,鑭化合物與其他鑭系化合物的化學性質相似,因此研究LaF₃納米材料對于研究其他鑭系納米材料具有一定的指導意義。本文綜述近年來LaF₃納米材料的制備、相關的摩擦學性能及在潤滑油中的作用機制和應用進展,并指出了LaF₃作為潤滑油添加劑在摩擦學中的研究現狀和發展趨勢,以及需要解決的技術難題。

1 LaF₃納米材料的制備和穩定分散技術

1.1 LaF₃納米材料的制備方法

納米微粒制備方法按有無化學反應發生,可分為物理方法和化學方法兩大類[5-6]。物理方法是利用低溫、超聲波、水錘、高能球和沖擊波粉碎等方法對較粗物質的顆粒進行粉碎,制成納米顆粒。化學方法是通過適當的化學反應,從分子、原子出發制備納米材料的方法,化學方法按分散介質種類可分為液相、固相和氣相三種反應方法。LaF₃納米材料通常采用化學方法制備。

1.1.1 液相反應法

液相反應法是目前實驗室和工業制備納米粒子的主要方法,其原理是在溶液中對不同的分子或離子進行反應,控制反應物濃度、溫度和攪拌速度,可得到納米級固體產物。液相法一般分為水熱法、微乳液聚合法、沉淀法、溶膠—凝膠法、聚合物基模板法等。而LaF₃納米粒子的制備主要有以下幾種方法。

(1)溶劑熱法

溶劑熱法是制備一維納米材料的簡單方法。張茂峰[7]等通過利用溶劑熱法制備的LaF₃納米線,結晶性好,為六方晶系,P3cl空間群。LaF₃納米線直徑約80 nm,長度約4～8 μm。并且研究了它的形成機理:剛加入的F-與溶液中的自由La3+以一定的反應速率結合成LaF₃晶粒;溶液中離子的擴散運動使晶粒成核長大,當周圍離子的擴散速率小于成核速率時,在邊緣處開始出現明顯的斷面從而形成一系列顆粒帶;晶體將沿生長速度快的晶面方向生長。并促使周圍晶粒發生團聚和定向排列;定向排列的晶粒通過自組裝作用粘結在一起并重結晶成棒狀顆粒,這些棒狀顆粒可能提供生長納米線的初始模板。使顆粒帶中微粒擴散到棒的兩端并發生晶體的成核和外延生長,從而形成細納米線。

(2)醇水法

陳爽等[8]在醇和水(V_醇∶V_米=1∶1)混合溶劑中合成了表面為油酸修飾的LaF₃納米粒子,所制備的LaF₃納米粒子大小均勻,粒徑約為8 nm,其納米核為六方結構的LaF₃。易書理[9]通過相轉移將醇水法制備的表面修飾過的納米LaF₃,從水相轉移到油相(500SN基礎油),得到納米LaF₃含量為10.2%的液體添加劑。