論納米硼酸鹽潤(rùn)滑油添加劑的研究進(jìn)展

高永強(qiáng)（滄州華海煉油化工有限責(zé)任公司河北 任丘061000）

長(zhǎng)期以來(lái)使用的潤(rùn)滑劑是以礦物油為基礎(chǔ)，在機(jī)械生產(chǎn)中所發(fā)揮的作用是節(jié)約能源、減少機(jī)械摩擦所造成的磨損，從而延長(zhǎng)機(jī)械的使用壽命和滿足苛刻條件下的潤(rùn)滑需求等功效。硼酸鹽具有較好的摩擦學(xué)性能，是受到極大關(guān)注的潤(rùn)滑油添加劑。因硼酸鹽具有良好的極壓抗磨性能，能夠在高溫的情況下對(duì)銅、鐵等金屬產(chǎn)生不產(chǎn)生腐蝕作用，并且對(duì)金屬還具有一定程度的防銹功能。雖然硼酸鹽具有可觀的實(shí)用性，但在研究開(kāi)發(fā)中存在一些阻礙性的問(wèn)題，因其在潤(rùn)滑劑基礎(chǔ)油中具有分散性和油溶性的特點(diǎn)，導(dǎo)致硼酸鹽不能充分發(fā)揮減小摩擦的特點(diǎn)，在生產(chǎn)應(yīng)用受到限制。硼酸鹽的納米粒子因其粒徑小并且表面能高，極易發(fā)生團(tuán)聚現(xiàn)象，這種團(tuán)聚現(xiàn)象在熱力學(xué)上是不可逆的。納米粒子在團(tuán)聚后的二次粒徑要比一次粒徑大幾十倍。因此，如何合成有機(jī)無(wú)機(jī)混合物，并通過(guò)其表面改性來(lái)控制其形貌和尺度，成為了各個(gè)領(lǐng)域爭(zhēng)相關(guān)注的熱點(diǎn)。

1 硼元素及其潤(rùn)滑化合物

硼大多以礦物質(zhì)的形式存在于自然界，具有非常大的實(shí)用性能。運(yùn)用在工業(yè)添加劑中的硼化合物被用于抗菌、防霉和抗氧化。在摩擦學(xué)領(lǐng)域，硼酸、氮化硼、碳化硼、過(guò)渡金屬硼化物等硼的化合物被廣泛運(yùn)用在機(jī)械生產(chǎn)中，它們以薄膜或塊狀形式來(lái)減輕機(jī)械摩擦和防止機(jī)械磨損。其中氮化硼是由碳原子和氮原子構(gòu)成的晶體，具有以下四種不同變體：立方氮化硼、六方氮化硼、纖鋅礦氮化硼和菱方氮化硼。常溫下的立方氮化硼潤(rùn)滑性能較弱，常與石墨、二硫化鉬及氟化石墨混合組成高溫潤(rùn)滑劑；而六方氮化硼結(jié)構(gòu)類似于石墨的層狀晶體結(jié)構(gòu)，又被稱為白色石墨，經(jīng)常被用作潤(rùn)滑脂或潤(rùn)滑油的添加劑或是固體潤(rùn)滑劑，其在高溫高壓的情況下還能轉(zhuǎn)化成立方晶體型的氮化硼。碳化硼相對(duì)氮化硼來(lái)說(shuō)具有高耐磨性和高硬度的特點(diǎn)，被廣泛用作抗沖擊硬質(zhì)材料和耐磨材料。近年來(lái)，硼酸在摩擦學(xué)的運(yùn)用日漸受到關(guān)注，因其與六方氮化硼具有相似的層狀結(jié)構(gòu)，表現(xiàn)為三斜軸面鱗片狀結(jié)晶或白色粉末狀結(jié)晶，具有解理性的特點(diǎn)，在潮濕的環(huán)境中有很好的潤(rùn)滑性。另外，如硼酸酯、有機(jī)硼化物等多種含硼化合物也被用做潤(rùn)滑油添加劑或金屬加工液。

2 無(wú)機(jī)納米硼酸鹽添加劑的合成方法

2.1 研磨法

利用研磨法，可以將含有一定數(shù)量或是不含結(jié)晶水的硼酸鹽按比例的與基礎(chǔ)油混合，在加入分散劑后，將混合物置于研缽或球磨罐中進(jìn)行研磨，經(jīng)過(guò)膠體磨的碾磨或震動(dòng)膜的振磨，可以方便的制備硼酸鹽-油分散體系，但其缺點(diǎn)是不易獲取粒度小的硼酸鹽分散體系。

2.2 復(fù)分解法

利用復(fù)分解的方法，將B(OH)3、Na2CO3或NaOH分別溶于水中，然后將B(OH)3與Na2CO3或NaOH的水溶液放置反應(yīng)，在含有分散劑的油中乳化所得產(chǎn)物，最后將產(chǎn)物升溫脫水，即可制得硼酸鹽-油分散體系。通過(guò)復(fù)分解法值制得的硼酸鹽-油分散體的穩(wěn)定性強(qiáng)、粒度較小。但在實(shí)際操作中脫水操作的難度大，硼酸鹽在脫水時(shí)較易凝結(jié)析出，從而導(dǎo)致其穩(wěn)定性降低。

2.3 超聲波乳化法

超聲波乳化法是指運(yùn)用較強(qiáng)超聲波使將溶液內(nèi)不溶固體粉碎成微粒，并將粉碎產(chǎn)物與液體充分混合得到乳化液的技術(shù)。微乳液通常由溶劑、水、表面活性劑和助表面活性劑組成。利用微乳液可以精準(zhǔn)控制納米材料的穩(wěn)定性，限制納米粒子的聚結(jié)等過(guò)程，使形成的納米粒子具有一定凝聚態(tài)結(jié)構(gòu)，包裹一層表面活性劑。

2.4 直接沉淀法

直接沉淀法被廣泛運(yùn)用在制取超細(xì)微粒操作中，其操作原理是將沉淀劑加入到金屬鹽溶液中，得到析出沉淀物。對(duì)沉淀物進(jìn)行洗滌和熱分解等處理后得到超細(xì)微產(chǎn)物。直接沉淀法的操作方法簡(jiǎn)單易行，對(duì)操作設(shè)備的要求不高，成本較低，并且產(chǎn)品純度較高。但是難以清除原溶液內(nèi)的陰離子，得到的粒子分布較寬。

3 納米硼酸鹽作為潤(rùn)滑油添加劑的作用機(jī)制

硼酸鹽潤(rùn)滑油添加劑擁有良好的摩擦學(xué)性能，能適用于潤(rùn)滑脂、齒輪油、發(fā)動(dòng)機(jī)油、金屬切削油、拖拉機(jī)液壓油和金屬成型潤(rùn)滑劑。但是，由于摩擦學(xué)在摩擦熱、接觸壓力、接觸面積等方面存在的復(fù)雜性，以及含硼化合物自身結(jié)構(gòu)的多樣性，致使人們對(duì)硼酸鹽潤(rùn)滑油添加劑在抗磨作用方面的認(rèn)識(shí)存在爭(zhēng)議。現(xiàn)階段人們對(duì)含硼化合物潤(rùn)滑油添加劑作用機(jī)制存在兩種觀點(diǎn)，一種是沉積成膜，另一種是滲硼。

3.1 沉積成膜

針對(duì)硼酸鹽潤(rùn)滑油添加劑的作用機(jī)制，有人提出沉積成膜的觀點(diǎn)，認(rèn)為硼酸鹽會(huì)在機(jī)械摩擦表面生成幾種固體反應(yīng)物膜：硼酸鹽聚合成為大分子膜，長(zhǎng)時(shí)間沉積在機(jī)械摩擦的表面起的抗磨作用;硼酸鹽分解后的兩種或兩種以上的潤(rùn)滑膜，部分或全部沉積在金屬機(jī)械表面起潤(rùn)滑作用。添加劑分子在機(jī)械金屬表面進(jìn)行異化從而構(gòu)成新物質(zhì)并表現(xiàn)出抗磨性能。

3.2 滲硼

從事油品應(yīng)用教學(xué)和科研工作的專家董浚修對(duì)含硼有機(jī)化合物添加劑進(jìn)行了相關(guān)測(cè)試分析，并提出滲硼的觀點(diǎn)。在相關(guān)測(cè)試中他們發(fā)現(xiàn)，被測(cè)金屬表面具有堅(jiān)實(shí)并完整的表面膜，其中B與Ca、Fe、O、Na的原子數(shù)之比分別為：163:1、7.3:1、18:1和729:1。據(jù)他們分析認(rèn)為，實(shí)驗(yàn)中被測(cè)金屬表面覆蓋既不是硼酸鈉和硼酸鈣，也不是B的氧化物和硼酸，而是在金屬表面形成的間隙化合物FexBy，這種間隙化合物能夠溶解游離態(tài)的物質(zhì)B從而形成的固溶體，最后覆蓋在金屬表面，減少剪切應(yīng)力和提高機(jī)械的承載能力，達(dá)到減摩抗磨的最終目的。從其實(shí)質(zhì)上看，滲硼作用是化學(xué)反應(yīng)的一種。因此，結(jié)合滲硼觀點(diǎn)可以得出：在極壓情況下硼酸鹽能與摩擦副表面進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生金屬硼化物，進(jìn)而達(dá)到減摩抗磨的目的。

4 結(jié)語(yǔ)

納米技術(shù)是興起于20世紀(jì)80年代末，在90年代初逐漸發(fā)展起的交叉性強(qiáng)的新型綜合學(xué)科，被廣泛運(yùn)用在各個(gè)領(lǐng)域。隨著納米技術(shù)的迅猛發(fā)展，我國(guó)現(xiàn)階段工業(yè)技術(shù)領(lǐng)域發(fā)生了革命性的改變。在納米技術(shù)支持下，硼酸銅作為潤(rùn)滑油的納米添加劑，改善了硼酸鹽在減磨性能方面的弱點(diǎn)，為無(wú)機(jī)納米材料在實(shí)際生產(chǎn)中的運(yùn)用提供了參考憑證。

[1]劉維民,薛群基.無(wú)機(jī)硼酸鹽潤(rùn)滑油抗磨添加劑的發(fā)展現(xiàn)狀[J].摩擦學(xué)學(xué)報(bào),1993,13(4):382-387.

[2]夏延秋,任霞.潤(rùn)滑油極壓抗磨添加劑的應(yīng)用及發(fā)展預(yù)測(cè)[J].沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2006,28(3):241-245,254.