唐詩洋，張樹華，劉　巖，李　健，陳慶海

（黑龍江省能源環(huán)境研究院，黑龍江哈爾濱150027）

微米稀土粉體表面改性技術研究*

唐詩洋，張樹華，劉巖，李健，陳慶海

（黑龍江省能源環(huán)境研究院，黑龍江哈爾濱150027）

摘要：本文采用稀土粒子與蛇紋石粉體組成的微米復合粉體，研究了油酸、Span、硼酸酯對其的表面改性效果，確定了復合改性劑的復配配比為油酸∶Span∶硼酸酯=43.1∶24.1∶32.8。通過實驗，得到了較優(yōu)工藝條件：復合改性劑添加量5.8%，改性溫度75℃，改性時間80min。改性后的微米稀土粉體表現(xiàn)出良好的親油疏水性，提高了其在機油中的分散穩(wěn)定性。

關鍵詞：微米復合粉體；表面改性；分散性

磨損是材料與設備報廢的3種主要原因之一[1]，目前，全世界每年因摩擦磨損造成的資源浪費已超過上千億美元。機械的潤滑與潤滑油息息相關。目前使用的潤滑油一般由基礎油和添加劑兩部分組成。添加劑可彌補和改善基礎油性能方面的不足，賦予某些新的性能，是潤滑油重要組成部分。潤滑油品質的每一次提升，幾乎都是添加劑發(fā)展的結果。近年來，發(fā)展具有優(yōu)良抗磨損、顯著節(jié)能效果、環(huán)境友好的潤滑油添加劑，一直是國際潤滑研究領域的前沿課題。國內外學者在開發(fā)優(yōu)異的抗磨減摩和抗極壓性能的潤滑油添加劑的過程中，逐漸將注意力轉向超細粉體[2 ]，并對其進行了一系列的摩擦學性能研究，取得了良好的效果。但粉體粒子在潤滑油中的分散性及穩(wěn)定性問題還沒很好地解決，從而限制了超細粉體作為潤滑添加劑的使用。

超細粉體潤滑添加劑在潤滑油中的分散穩(wěn)定性是潤滑技術領域中的關鍵技術。復合粉體具有很強的親水性，需要利用改性劑對其表面進行改性，提高其在非極性溶劑中的分散性，并且不會因外部環(huán)境變化而在潤滑油中再次產生凝集與沉淀，這是目前國內外的研究熱點，也是應用潤滑油技術促進高效節(jié)能環(huán)保產業(yè)發(fā)展的重要因素。其對緩解能源、原材料等問題有著不同尋常的意義。

1　實試部分

1.1主要試驗材料與儀器

含稀土復合礦石粉體（俄羅斯）；油酸（A.R.天津市博迪化工有限公司）；司班（Span）（C.P.天津市河東區(qū)紅巖試劑廠）。硼酸酯（A.R.韶關市翁江化學試劑有限公司）。無水乙醇（A.R.天津市富宇精細化工有限公司）。長城牌汽油機油（SD級中國石油化工股份有限公司潤滑油分公司）。

FA2004電子天平（山東菏澤市生化儀器廠）；GM06A電熱恒溫干燥箱（北京市永光明醫(yī)療儀器廠）；85- 2數(shù)顯磁力攪拌器（金壇市瑞華儀器有限公司）；KQ- 100B超聲清洗器（昆山市超聲儀器有限公司）；OSB- 2000油浴鍋（重慶市永生實驗儀器廠）。

1.2試驗方法

1.2.1含稀土復合礦石粉體的改性[3]將一定量的改性劑和溶劑置于三口燒瓶中，加熱攪拌至其混合均勻，然后將含稀土復合礦石粉體緩慢加入，加熱至指定溫度，恒溫回流。待攪拌反應進行一定時間后，抽濾，并在與改性溫度相同的溫度條件下干燥，經(jīng)研磨、篩分，得到表面改性的含稀土復合礦石粉體。

1.2.2親油化度測試親油化度值的測定即疏水程度的檢驗，此值的大小可以作為評價改性效果的標準，值越高說明粉體的疏水性越好。測試方法為將改性粉體置于50mL蒸餾水中，然后逐滴加入無水乙醇，當漂浮于水面上的粉體完全浸潤時，記錄無水乙醇的加入量V（mL）[4]，則：

2　結果與分析

2.1不同改性劑的改性效果

2.1.1油酸的改性效果在改性溫度為75℃，改性時間為1h的條件下，考察油酸[5 ]不同添加量（m/m）對復合粉體改性效果的影響，結果見圖1。

圖1　油酸用量對親油化度的影響Fig.1 Effect of oleic acid amount on lipophilicity

由圖1的試驗結果可以看出，油酸的用量明顯影響復合粉體的修飾效果。復合粉體的親油化度值隨油酸的增加而大幅度增大，當油酸添加量達到2.5%時，親油化度值達到了42.30%的最大值。

2.1.2司班（Span）的改性效果在改性溫度為75℃，改性時間為1h的條件下，考察硬脂酸不同添加量（m/m）對復合粉體改性效果的影響，結果見圖2。

由圖2中曲線可以看到，Span的用量為0.5% ～1.5%時，明顯影響復合粉體的修飾效果，親油化度值大幅度增大。當Span的添加量繼續(xù)增加，親油化度值開始緩慢減小，并且有呈大幅度減小的趨勢。以上實驗數(shù)據(jù)得出，司班（Span）的最佳改性用量是1.5%。

圖2　硬脂酸用量對親油化度的影響Fig.2 Effect of octadecanoic acid amount on lipophilicity

2.1.3硼酸酯的改性效果在改性溫度為75℃，改性時間為1h的條件下，考察硼酸酯[ 6 ]不同添加量（m/m）對復合粉體改性效果的影響，見圖3。

圖3　硼酸酯用量對親油化度的影響Fig.3 Effect of boric acid ester amount on lipophilicity

由實驗結果看到，當用量低于2%時，粉體的親油化度值呈大幅度增大趨勢，這是由于硼酸酯中存在著活性基團，其既與復合粉體表面羥基發(fā)生脫水反應，也可與不飽和鍵鍵合，從而提高其在有機介質中的分散性與懸浮穩(wěn)定性。

2.2復合改性劑用量對改性效果的影響

在改性溫度為75℃，改性時間為1h條件下，考察各單劑最優(yōu)值復配復合改性劑（m/m）對復合粉體改性效果的影響，見表1。

通過表1的試驗數(shù)據(jù)得出，當油酸、Span、硼酸酯的添加量分別為2.5%、1.4%、1.9%，即復合改性劑中油酸∶Span∶硼酸酯= 43.1∶24.1∶32.8，添加量為5.8%時，對粉體表面的改性效果最明顯，親油化度值達到83.86%。油酸、Span、硼酸酯之間與粉體有很好的相溶性，產生了良性的復合協(xié)同效應，使分散體系最穩(wěn)定。

表1　改性單劑復配復合改性劑對親油化度的影響Tab.1 Effect of composite modifier on lipophilicity

2.3改性溫度對改性效果的影響

在改性時間為1h，復合改性劑用量為5.8%的條件下，考察改性溫度對復合粉體改性效果的影響，見表圖4。

圖4　改性溫度對親油化度的影響Fig.4 Effect of modified temperature on lipophilicity

由圖4可以看出，改性效果隨溫度的增加變得明顯，在75℃時，反應得到最大親油化度。

2.4改性時間對改性效果的影響

在改性溫度為75，復合改性劑用量為5.8%的條件下，考察改性時間對復合粉體改性效果的影響，見圖5。

圖5　改性時間對親油化度的影響Fig.5 Effect of modified time on lipophilicity

由圖5可見，隨著反應時間的增加，復合改性劑和粉體迅速發(fā)生反應，親油化度值迅速增大。隨著修飾時間增加到80min時，包覆趨近飽和，親油化度達到最大值。

2.5改性前后復合粉體的接觸角

為了考察改性前后復合粉體的親水疏水程度，對其進行了接觸角的測定。

表2　改性前后含稀土復合粉體接觸角的測定結果Tab.2 Determination results of contact angles before and after modified

由表2中數(shù)據(jù)可以看出，未改性的復合粉體接觸角為10.705°，表面具有很強的親水性。經(jīng)過復合改性劑表面修飾后，復合粉體的接觸角增加到152. 475°，表明粉體表面的疏水性大幅度增加，改性效果非常明顯。

3　結論

（1）考察改性單劑的改性效果，得到復合改性劑的復配配比為油酸∶Span∶硼酸酯=43.1∶24.1∶32.8。

（2）通過實驗，得到較優(yōu)改性工藝條件：復合改性劑添加量5.8%，改性溫度75℃，改性時間80min。

（3）經(jīng)復合改性劑處理后，微米稀土粉體表現(xiàn)出良好的親油疏水性，降低了粉體間的聚集，有利于粉體分散。

參考文獻

［1］陳文剛.硅酸鹽粉體作為添加劑對金屬摩擦副磨損特性影響的研究［D］.大連：大連海事大學載運工具運用工程系, 2006: 13- 27.

［2］曹娟,張振忠,趙芳霞.超細蛇紋石粉體改善潤滑油摩擦磨損性能的研究［J］.潤滑與密封, 2007, 32（12）: 53- 55.

［3］陳志剛.微米碳酸鈣、稀土粒子用作潤滑油添加劑的摩擦學性能和機理研究［D］.上海：上海海事大學輪機工程系, 2004: 37- 42.

［4］呂靜.蛇紋石微粒潤滑油添加劑的研究［D］.大連：大連海事大學輪機工程系, 2011: 21- 33.

［5］許一,張保森,徐濱士，等.鑭/蛇紋石復合潤滑材料的熱力學及摩擦學性能［J］.粉末冶金材料科學與工程,2011,16（3）:349-354.

［6］李桂金,白志民,黃衛(wèi)俊.蛇紋石粉體表面改性研究［J］.硅酸鹽通報, 2008, 27（6）: 1091- 1095.

中圖分類號：TH117.3

文獻標識碼：A

DOI：10.16247/j.cnki.23-1171/tg 20150255

收稿日期：2015- 01- 08

基金項目：黑龍江省科學院青年創(chuàng)新基金資助項目

作者簡介：唐詩洋（1986-），女，研究實習員，2012年畢業(yè)于哈爾濱理工大學，碩士，主要從事油品助劑的研發(fā)工作。

Research of the micron composite powders containing rare earth surface modification*

TANG Shi-Yang，ZHANG Shu-Hua，LIU Yan，LI Jian，CHEN Qing-Hai

（Energy and Environment Research Institute of Heilongjiang Province，Harbin 150027，China）

Abstract：This paper studies the effect of surface modification on composite powders containing rare earth and serpentine by using oleic acid, Span and boric acid ester. The composite modifier which is mixed oleic acid, span and boric acid ester by 43.1∶24.1∶32.8 is ascertained. The optimized process condition is obtained through the experiment: composite modifier dosage 5.8% , modification temperature 75℃, modification time 80 min. The modified micron composite powders containing rare earth are showing better oil-wet hydrophobic, improved the dispersion stability in the engine oil.

Key words：micro composite powders；surface modification；dispersity