納米六方氮化硼負(fù)載離子液體潤滑添加劑的摩擦學(xué)特性

何忠義，賈廣躍，2，張萌萌，2，晏金燦，熊麗萍，紀(jì)紅兵

（1 華東交通大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，江西南昌330013； 2 中山大學(xué)惠州研究院，廣東惠州516081； 3 惠州學(xué)院化學(xué)與材料工程學(xué)院，廣東惠州516007； 4 中山大學(xué)化學(xué)學(xué)院，精細(xì)化工研究院，廣東省低碳化學(xué)與過程節(jié)能重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東廣州510275； 5 廣東石油化工學(xué)院化學(xué)工程學(xué)院，廣東茂名525000）

引 言

近年來，納米材料特別是層狀納米材料由于其特殊的性質(zhì)如尺寸小、比表面積大、層間分子間作用力小等特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于潤滑油添加劑[1?3]。這類材料不僅可以降低摩擦系數(shù)，還可以提高承載能力，大幅改善接觸面的抗磨減摩性能[4?5]。與傳統(tǒng)的有機(jī)潤滑添加劑如二烷基二硫代磷酸鋅鹽等相比，它們不僅化學(xué)穩(wěn)定性更好，還減少了毒性與環(huán)境污染，在環(huán)保、可持續(xù)性發(fā)展方面更有優(yōu)勢[6]。

納米六方氮化硼具有類石墨烯層狀結(jié)構(gòu)，層間的范德華力作用比層中硼和氮的共價(jià)鍵作用力弱得多，導(dǎo)致層間易剪切滑移[7?8]，是一種良好的納米潤滑材料，相比石墨烯等二維層狀材料具有更高的化學(xué)穩(wěn)定與抗氧化性能。作為良好的耐熱材料，在900℃高溫下，仍然保持結(jié)構(gòu)穩(wěn)定且摩擦系數(shù)幾乎不變[9]。六方氮化硼的負(fù)荷性能也優(yōu)于其他層狀材料，不含硫、磷和鹵素，且生產(chǎn)成本較為低廉，可作為綠色潤滑添加劑[10]。但由于常見的六方氮化硼粒徑較大，表面官能團(tuán)很少，表面能較高，對有機(jī)溶劑的親和力較差，粒子間范德華力的作用使它們?nèi)菀自诨A(chǔ)油中團(tuán)聚，不能夠穩(wěn)定地分散，且不能與金屬摩擦副表面產(chǎn)生良好的吸附作用，導(dǎo)致潤滑效果不佳[11]。

離子液體是陰陽離子組成的室溫熔融鹽，近年來研究者們對離子液體作為潤滑添加劑進(jìn)行了廣泛研究，研究表明離子液體由于其很強(qiáng)的極性對金屬基材具有很強(qiáng)的表面吸附性能[12]，且在很多時(shí)候還具有優(yōu)異的摩擦學(xué)性能[13]。在高載荷下離子液體還可以發(fā)生分解并發(fā)生摩擦化學(xué)反應(yīng)[14?15]，從而提高了抗磨減摩效果。特別是由于離子液體與水性體系有很好的相容性，很容易在水性潤滑體系中使用。而水性潤滑體系由于有良好的散熱性能、低毒性和耐火性等特點(diǎn)越來越受到關(guān)注，其中聚乙二醇400(PEG400)常被用作水性潤滑體系的基礎(chǔ)液[16?18]。

本文合成了油酸咪唑離子液體(OL?IL)并將其負(fù)載于超聲剝離的納米六方氮化硼(h?BN)上，制備了六方氮化硼負(fù)載油酸咪唑離子液體(OL?IL/h?BN)潤滑添加劑，利用SEM、TEM、FTIR、TG 及XRD 等表征手段對添加劑進(jìn)行了表征，利用Zeta 電位測試等手段表征了其在PEG400 中的分散穩(wěn)定性。利用四球摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)測試了其在PEG400 中的摩擦學(xué)性能，并利用SEM 和XPS 對其磨斑表面形貌和成分進(jìn)行了分析。

1 實(shí)驗(yàn)材料和方法

1.1 材料

六方氮化硼(純度≥99%)，南京先豐納米材料科技有限公司；溴代正丁烷、N?甲基吡咯烷酮(NMP)、N?甲基咪唑，分析純，上海麥克林生化科技有限公司；油酸鈉，分析純，上海阿拉丁生化科技股份有限公司。

1.2 分析測試儀器

STA409PC 型熱重分析儀(TG)，德國Netzsch 公司；MS?10A 型四球摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)，廈門天機(jī)自動化有限公司；DHG?9123A 型電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱，上海精宏實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司；JT?1027HT 超聲波清洗機(jī)，深圳市潔拓電子科技公司；Nicolet6700?Contiuum 型傅里葉變換紅外光譜，美國Thermo Scientific 公司；SU?1510 型掃描電子顯微鏡(SEM)，日本日立高新技術(shù)公司；FEI Tecnai G2F30 透射電子顯微鏡(TEM)，美國FEI 公司；D?Max 2200VPC 型X 射 線 衍 射 儀(XRD)，日 本Rigaku 公 司；PHI Quantera II 型X 射 線 光 電 子 能 譜 儀(XPS)，日 本Ulvac?Phi 公司；Zetasizer Nano ZS90 型動態(tài)光散射儀，英國馬爾文儀器有限公司。

1.3 納米六方氮化硼負(fù)載油酸咪唑離子液體材料制備

油酸咪唑離子液體的合成過程如圖1 所示[19]。取N-甲基咪唑(12.36 g，150 mmol)加入圓底燒瓶中，加入溴代正丁烷(24.50 g，178 mmol)，80℃水浴加熱攪拌24 h。反應(yīng)結(jié)束后，用乙酸乙酯洗滌3 次，70℃真空干燥8 h，制得黃色黏稠狀液體1?丁基?3?甲基咪唑溴鹽中間體23.30 g，產(chǎn)率71.91%。取中間體(2.19 g，10 mmol)加入油酸鈉(3.04 g，10 mmol)在水中室溫?cái)嚢?0 h 進(jìn)行離子交換[20?22]，旋蒸，真空干燥12 h 至恒重，得到黃色黏稠狀液體OL?IL 2.09 g，產(chǎn)率49.80%。

圖1 油酸咪唑離子液體的合成Fig.1 The schematic illustration of the synthesis of OL?IL

圖2 六方氮化硼負(fù)載油酸咪唑離子液體的合成Fig.2 The schematic illustration of the synthesis of OL?IL/h?BN

六方氮化硼負(fù)載油酸咪唑離子液體的合成過程如圖2所示[23]。向200 ml N?甲基吡咯烷酮中加入六方氮化硼(6.00 g，240 mmol)，超聲(220 V，50 Hz，1500 W)24 h，將上述分散液在8000 r/min 的條件下離心30 min，下層沉淀用無水乙醇洗滌，真空干燥8 h，得到剝離后的六方氮化硼(h?BN)1.70 g，回收率28.33%。在圓底燒瓶中依次加入剝離后的六方氮化硼(1.00 g，40 mmol)、OL?IL(0.50 g，1.1 mmol)和50 ml 甲苯，90℃攪拌回流24 h，冷卻至室溫后抽濾，用二氯甲烷洗滌，60℃真空干燥12 h，得到白色固體OL?IL/h?BN產(chǎn)物0.92 g[24]，產(chǎn)率61.30%。

1.4 分散穩(wěn)定性測試

(1)將0.5%(質(zhì) 量)的h?BN 和OL?IL/h?BN 在PEG400 中超聲分散10 min，得到白色懸浮液，室溫靜置，每天觀察其分散情況。

(2)配制0.5%(質(zhì)量)的h?BN 和OL?IL/h?BN 的PEG400分散液，測試Zeta電位進(jìn)行比較。

1.5 摩擦學(xué)性能測試

將0.5%(質(zhì)量)的OL?IL、h?BN 和OL?IL/h?BN分散到PEG400 中制得分散液，利用四球摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行摩擦學(xué)性能測試，實(shí)驗(yàn)條件：載荷(392±2) N、(196±2) N，30℃，轉(zhuǎn)速1200 r/min，實(shí)驗(yàn)時(shí)間30 min。實(shí)驗(yàn)所用鋼球?yàn)镚Cr15 軸承鋼(上海鋼球廠)，硬度為(58±2)HRC，直徑為12.7 mm，摩擦系數(shù)(FC)由計(jì)算機(jī)直接記錄得出，磨斑直徑(WSD)用顯微鏡測量，取三個(gè)鋼球平均值，兩次實(shí)驗(yàn)?zāi)グ咧睆秸`差不超過5%。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 結(jié)構(gòu)表征

六方氮化硼、剝離后的六方氮化硼以及OL?IL/h?BN 的SEM 圖如圖3 所示，從圖3(a)可見原始六方氮化硼呈大的塊狀片層結(jié)構(gòu)，顆粒較厚，而從圖3(b)可以看出剝離后的h?BN 顆粒較小，顆粒緊密地堆積在一起，比表面積較大，也說明超聲剝離成功。圖3(c)則顯示出OL?IL/h?BN 同樣表現(xiàn)出片層狀小顆粒，顆粒排列更加有序。這說明油酸咪唑離子液體可能吸附于表面，但并未改變氮化硼結(jié)構(gòu)[25]。

圖4 為OL?IL/h?BN 的TEM 圖，圖中清晰顯示了其片層狀結(jié)構(gòu)，在高分辨下可以明顯觀察到平行線特征，通過測量其晶面層間距為0.33 nm，這與h?BN的層間距非常接近[26?27]。

圖5 為材料的紅外光譜、熱重和XRD 分析。圖5(a)為六方氮化硼、油酸咪唑離子液體和六方氮化硼負(fù)載離子液體的紅外光譜圖，從圖中可以看出h?BN 在817 cm?1處出現(xiàn)了明顯的吸收峰，可以歸屬于氮化硼B(yǎng)—N—B 鍵的面外彎曲振動，1375 cm?1處的強(qiáng)吸收峰可以歸屬于B—N 的面內(nèi)伸縮振動[28]。OL?IL 在2929 cm?1和2852 cm?1處的特征峰分別歸屬于甲基和亞甲基伸縮振動，羰基的吸收峰在1631 cm?1處[29]。與h?BN 相比，OL?IL/h?BN 出現(xiàn)了2941 cm?1、2858 cm?1處的特征峰,這可以歸屬于甲基和亞甲基伸縮振動，1660 cm?1處的特征峰可以歸屬于油酸咪唑離子液體上的羰基伸縮振動，未經(jīng)過改性的h?BN 沒有以上吸收峰，這表明在六方氮化硼表面負(fù)載了油酸咪唑離子液體。

圖3 六方氮化硼(a)、剝離后的六方氮化硼(b)和OL?IL/h?BN(c)的SEM圖Fig.3 SEM images of h?BN(a),h?BN after exfoliation(b)and OL?IL/h?BN(c)

圖5(b)為h?BN、OL?IL和OL?IL/h?BN的熱重曲線，由圖可見，從室溫到700℃，超聲剝離后的h?BN質(zhì)量損失很小,可能僅僅由于水分的損失。OL?IL在442℃時(shí)殘余的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15.6%，說明了OL?IL高溫下大量分解。相比之下，六方氮化硼負(fù)載油酸咪唑離子液體在室溫至700℃質(zhì)量損失較為明顯。在700℃時(shí)OL?IL/h?BN 剩余質(zhì)量分?jǐn)?shù)為90.7%，而h?BN 在700℃時(shí)，剩余質(zhì)量分?jǐn)?shù)為98.76%，這可能是由于在升溫過程中，負(fù)載到六方氮化硼表面上的油酸咪唑離子液體高溫分解導(dǎo)致質(zhì)量損失，可以發(fā)現(xiàn)離子液體的負(fù)載率為8.01%[30]，這同樣說明油酸咪唑離子液體負(fù)載在六方氮化硼表面上，這與TEM和紅外光譜結(jié)果一致。

圖4 OL?IL/h?BN的TEM圖Fig.4 TEM images of OL?IL/h?BN

圖5(c)為h?BN 和OL?IL/h?BN 的XRD 譜圖，由圖可見主要特征峰都在26.52°、41.62°、50.24°和76.06°處，可分別歸屬于h?BN的(002)、(100)、(102)和(110)晶面，圖中衍射峰較強(qiáng)且尖銳，證明了樣品具有良好的結(jié)晶度，沒有發(fā)現(xiàn)具有明顯的雜質(zhì)峰，這表明樣品具有較高的純度。這與h?BN 的六方結(jié)構(gòu)(JCPDS Card No.34?0421)一致。結(jié)果表明，六方氮化硼負(fù)載油酸咪唑離子液體，并未影響其晶體結(jié)構(gòu)[31]，這與SEM圖顯示結(jié)果一致。

0.5%(質(zhì)量)h?BN 和0.5%(質(zhì)量)OL?IL/h?BN 在PEG400 中的分散性能如圖6 所示，從圖中可以看出，與OL?IL/h?BN 相比，h?BN 在第4 d 開始出現(xiàn)明顯聚集，而OL?IL/h?BN 分散充分且穩(wěn)定。9 d 后0.5%(質(zhì)量)h?BN 產(chǎn)生大量沉淀，而0.5%(質(zhì)量) OL?IL/h?BN 依然保持穩(wěn)定分散，說明經(jīng)過離子液體改性后的六方氮化硼具有良好的分散穩(wěn)定性。分散液還進(jìn)行了Zeta 電位測試，結(jié)果顯示0.5%(質(zhì)量)h?BN 的Zeta 電位為13.9 mV，而0.5%(質(zhì)量) OL?IL/h?BN 的Zeta 電位為71.8 mV，OL?IL/h?BN 電勢絕對值遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于h?BN，分散穩(wěn)定性較好，說明OL?IL/h?BN在PEG400 可以形成穩(wěn)定分散的體系[32]。這可能是由于六方氮化硼負(fù)載離子液體后，極性親水的離子液體在表面更容易與PEG400 相溶，使添加劑在PEG400中的分散穩(wěn)定性得到大大提升[33]。

圖5 h?BN、OL?IL、OL?IL/h?BN的紅外譜圖(a)、熱重曲線(b)和h?BN、OL?IL/h?BN的XRD譜圖(c)Fig.5 FTIR spectra(a)and TG curves(b)of h?BN,OL?IL,OL?IL/h?BN;XRD patterns of h?BN,OL?IL/h?BN(c)

圖6 0.5%(質(zhì)量)h?BN(左)和0.5%(質(zhì)量)OL?IL/h?BN(右)在PEG400中的分散性能Fig.6 The dispersion of 0.5%(mass)h?BN(left)and 0.5%(mass)OL?IL/h?BN(right)in PEG400

2.2 OL-IL/h-BN的摩擦學(xué)性能

392 N 與196 N 下PEG400 和0.5%(質(zhì)量)h?BN、0.5%(質(zhì) 量)OL?IL 以 及0.5%(質(zhì) 量) OL?IL/h?BN PEG400 分散液的摩擦系數(shù)和磨斑直徑如圖7 所示，從圖中可以看出PEG400 的摩擦系數(shù)與磨斑直徑較大，當(dāng)加入0.5%(質(zhì)量)h?BN 時(shí)，摩擦系數(shù)和磨斑直徑都有所降低，這可能是由于六方氮化硼作為類石墨烯層狀納米材料，層間由于弱的范德華力作用而易滑移，具有良好的潤滑效果，但由于六方氮化硼較小的尺寸及表面較少的官能團(tuán)[12]，表面能相對較高，使其在PEG400 中的分散穩(wěn)定性及金屬摩擦副表面吸附性較差，導(dǎo)致摩擦性能提高有限[34]。當(dāng)加入0.5%(質(zhì)量)OL?IL 時(shí)，摩擦學(xué)性能同樣有所提升，這可能是由于油酸咪唑離子液體末端極性基團(tuán)對金屬摩擦副表面產(chǎn)生化學(xué)吸附作用，長碳鏈有序排列形成一層化學(xué)吸附膜保護(hù)了接觸面[26]。而當(dāng)0.5%(質(zhì)量) OL?IL/h?BN 加入到PEG400 中時(shí)，在392 N 或196 N 下，摩擦系數(shù)分別為0.059 和0.064，與h?BN 相比，分別降低了25.32%和22.89%?？梢钥闯瞿Σ料禂?shù)有非常明顯降低，這可能是由于OL?IL/h?BN 添加劑中的離子液體首先能在摩擦副表面形成了良好的化學(xué)吸附膜，也能更好地分散在基礎(chǔ)液中，繼而六方氮化硼的層狀結(jié)構(gòu)能更好地在摩擦副之間起作用，從而有效降低了接觸面摩擦磨損。整體來說，在392 N和196 N時(shí)摩擦學(xué)性能的變化趨勢相當(dāng)，說明添加劑在相對比較寬的載荷范圍內(nèi)都有很好的適應(yīng)性，潛在可用于多種應(yīng)用場景[35?36]。

圖7 不同載荷下，PEG400和0.5%(質(zhì)量)h?BN、0.5%(質(zhì)量)OL?IL、0.5%(質(zhì)量)OL?IL/h?BN PEG400分散液的摩擦系數(shù)和磨斑直徑Fig.7 Friction coefficient and wear spot diameter of PEG400 and 0.5%(mass)h?BN,0.5%(mass)OL?IL,0.5%(mass)OL?IL/h?BN PEG400 dispersion under different loads

圖8 不同載荷下，PEG400和0.5%(質(zhì)量)h?BN、0.5%(質(zhì)量)OL?IL、0.5%(質(zhì)量)OL?IL/h?BN PEG400分散液的摩擦系數(shù)動態(tài)曲線Fig.8 Friction coefficient curves of PEG400 and 0.5%(mass)h?BN hybrid,0.5%(mass)OL?IL hybrid,0.5%(mass)OL?IL/h?BN PEG400 dispersion hybrid lubricated under different loads

在392 N 和196 N 下，PEG400 和0.5%(質(zhì)量) h?BN，0.5%(質(zhì) 量) OL?IL，0.5%(質(zhì) 量) OL?IL/h?BN PEG400 分散液的摩擦系數(shù)動態(tài)曲線如圖8 所示。通過對比發(fā)現(xiàn)，392 N下，PEG400摩擦系數(shù)為0.097，且曲線存在較大波動，這說明基礎(chǔ)液不能很好地抗磨減摩。196 N 下，PEG400 摩擦系數(shù)為0.101，曲線較為穩(wěn)定，這可能是由于低載荷情況下摩擦磨損相對沒有高載荷劇烈。在392 N 與196 N 下，當(dāng)0.5%(質(zhì)量) h?BN 或0.5%(質(zhì) 量) OL?IL 添加到PEG400中，摩擦系數(shù)分別降低至0.079、0.083 和0.084、0.079。0.5%(質(zhì)量) h?BN 的摩擦曲線保持較大波動，表明六方氮化硼在表面的作用不穩(wěn)定，這可能是由于六方氮化硼團(tuán)聚引起的，0.5%(質(zhì)量) OL?IL的摩擦曲線波動較小，但平均摩擦系數(shù)較大，這可能是由于離子液體可以在表面形成化學(xué)吸附膜，但不能持續(xù)減摩。因此單獨(dú)的油酸咪唑離子液體和六方氮化硼都有顯示出一定的摩擦學(xué)性能，但效果不佳。在392 N和196 N下，當(dāng)0.5%(質(zhì)量)OL?IL/h?BN 加入時(shí)，摩擦系數(shù)降低至0.059和0.064。摩擦系數(shù)降至最低且摩擦曲線波動較小，結(jié)果表明，離子液體可以有效吸附在摩擦副表面上形成的吸附膜，而層狀六方氮化硼則可以生成摩擦化學(xué)反應(yīng)膜，起到減摩抗磨的作用，從而實(shí)現(xiàn)整體較為穩(wěn)定的摩擦過程[37?38]。

2.3 鋼球磨斑表面形貌分析

圖9 是392 N 下加入PEG400 和0.5%(質(zhì)量) h?BN、0.5%(質(zhì)量) OL?IL/h?BNPEG400 分散液后進(jìn)行摩擦實(shí)驗(yàn)后的鋼球表面SEM 磨斑形貌。從PEG400基礎(chǔ)液[圖9(a)、(b)]的磨斑可以看出，磨斑直徑最大，說明磨損嚴(yán)重，另外還存在大量溝槽、較深的劃痕，接觸面產(chǎn)生一定的腐蝕磨損。當(dāng)0.5%(質(zhì)量)h?BN添加到PEG400中，如圖9(c)、(d)所示，磨損情況并未得到明顯改善，一些區(qū)域出現(xiàn)不均勻外觀，這可能是由于0.5%(質(zhì)量) h?BN 失效造成的，未改性的六方氮化硼潤滑性能不能很好地發(fā)揮，在這種情況下，摩擦副表面不能得到很好的保護(hù)。0.5%(質(zhì)量)OL?IL/h?BN 添加至PEG400 中如圖9(e)、(f)所示，磨痕表面更加光滑、磨痕淺而細(xì)且較為規(guī)整，其磨斑直徑最小，且磨斑表面的腐蝕磨損情況得到改善，OL?IL/h?BN 的加入明顯降低了體系的磨損。這可能是由于OL?IL/h?BN 的層狀結(jié)構(gòu)，層間很容易發(fā)生滑動，其具有高硬度、耐腐蝕等特性，在摩擦過程中不易破碎，減少磨粒磨損的形成且在摩擦副表面具有良好的吸附性，形成了良好的潤滑保護(hù)膜，對摩擦減少具有較大的作用[39]。在摩擦過程中其可能填充在摩擦表面的溝槽與裂紋和其他缺陷中，對磨痕表面具有一定的保護(hù)和修復(fù)作用，能夠與接觸面發(fā)生摩擦化學(xué)反應(yīng)形成了摩擦化學(xué)反應(yīng)膜[40]，避免粗糙面的直接接觸，從而降低了摩擦磨損[41?42]。

圖9 加入PEG400(a)～(b)和0.5%(質(zhì)量)h?BN(c)～(d)和0.5%(質(zhì)量)OL?IL/h?BN(e)～(f)PEG400分散液的鋼球磨痕表面SEM圖Fig.9 SEM images of the wear scar on the balls lubricated with PEG400(a)—(b),0.5%(mass)h?BN(c)—(d),0.5%(mass)OL?IL/h?BN(e)—(f)PEG400 dispersion

圖10 加入0.5%(質(zhì)量)OL?IL/h?BNPEG400分散液的鋼球磨痕表面XPS分析Fig.10 XPS spectrum of C 1s(a),O 1s(b),Fe 2p(c),B 1s(d),N 1s(e)on the surface of the wear scar lubricated with 0.5%(mass)OL?IL/h?BN PEG400 dispersion

對加入OL?IL/h?BN PEG400 分散液的鋼球表面的磨斑進(jìn)行XPS 分析結(jié)果如圖10所示，由圖可見C 1s 的結(jié)合能分別位于284.8、288.5 和285.8 eV，分別歸屬于C sp3 (C—C/C—H)、—COO?，及附著在咪唑環(huán)氮原子上的烷基[23]，說明了摩擦過程中形成的摩擦化學(xué)反應(yīng)膜可能含有有機(jī)物，鋼球表面產(chǎn)生的吸附膜經(jīng)過摩擦化學(xué)反應(yīng)形成了摩擦化學(xué)反應(yīng)膜保護(hù)摩擦副表面。O 1s 的結(jié)合能分別位于530、531.5 和532 eV，說明磨痕表面有Fe2O3、B2O3的生成，可能是由于在摩擦過程中，硼的氧化反應(yīng)或部分六方氮化硼邊緣缺陷位B—OH 氧化反應(yīng)和PEG400 的摩擦化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)物。Fe2O3是潤滑膜中重要組成成分，有利于改善抗磨減摩性能。Fe 位于724.6 和710.8 eV 的結(jié)合能為Fe 2p3/2和Fe 2p1/2峰，主要是形成了Fe2O3和B2O3，在706.8 和720.1 eV 處可能是存在少量的Fe(0)[36]。B 1s峰和N 1s峰的歸屬于OL?IL/h?BN 添加劑吸附于摩擦副表面，并發(fā)生了摩擦化學(xué)反應(yīng)，在表面生成B2O3等摩擦反應(yīng)膜[43]。以上的XPS 分析說明，添加OL?IL/h?BN 的PEG400在摩擦表面生成了B2O3、Fe2O3等邊界潤滑膜，增強(qiáng)了其抗磨減摩性能。

圖11 0.5%(質(zhì)量)h?BN與0.5%(質(zhì)量)OL?IL/h?BN PEG400分散液中添加劑潤滑示意圖Fig.11 Schematic diagram of the lubrication mechanism of water?based lubricant containing 0.5%(mass)h?BN and 0.5%(mass)OL?IL/h?BN PEG400 dispersion

添加劑在水基基礎(chǔ)液中可能的摩擦過程如圖11所示，h?BN具有類石墨烯層狀結(jié)構(gòu)，層間的范德華力作用比層中硼和氮的共價(jià)鍵作用力弱得多，導(dǎo)致層間易剪切滑移，從而提高了摩擦學(xué)性能，當(dāng)h?BN添加至PEG400中時(shí),h?BN由于其表面高的表面能使它們?nèi)菀自诨A(chǔ)油中團(tuán)聚，導(dǎo)致分散穩(wěn)定性不佳，h?BN表面官能團(tuán)較少,其在金屬摩擦副表面的吸附性較差，潤滑效果不佳。而當(dāng)加入OL?IL/h?BN時(shí)，由于油酸咪唑離子液體易與PEG400互溶，經(jīng)過離子液體負(fù)載后,OL?IL/h?BN的分散穩(wěn)定性得到顯著改善，其末端極性基團(tuán)易與金屬摩擦副表面缺電子空位發(fā)生化學(xué)鍵合作用產(chǎn)生化學(xué)吸附,提高了h?BN的表面吸附性，形成一層化學(xué)吸附膜，且OL?IL/h?BN顆粒易于填充在摩擦副表面凹坑內(nèi)，起到表面修復(fù)作用，在摩擦過程中形成的化學(xué)反應(yīng)膜增強(qiáng)了接觸面的抗磨減摩效果，從而降低接觸面的摩擦磨損。

3 結(jié) 論

本文合成了油酸咪唑離子液體(OL?IL)并將其負(fù)載于超聲剝離的納米六方氮化硼(h?BN)上，制備了六方氮化硼負(fù)載油酸咪唑離子液體(OL?IL/h?BN)潤滑添加劑并用于PEG400中，結(jié)論如下。

(1)從SEM、TEM、FTIR、TG 及XRD 等表征結(jié)果可見離子液體OL?IL 成功負(fù)載到h?BN 上，而h?BN的晶型并未發(fā)生改變，負(fù)載量為8.01%。

(2)OL?IL/h?BN 在PEG400 中可以保持9 d 不沉降，Zeta電位也顯示有很好的分散穩(wěn)定性，這可能是h?BN 表面的油酸咪唑離子液體易與PEG400 相容，因而分散穩(wěn)定性得到大幅提升。

(3)當(dāng)加入0.5%(質(zhì)量) h?BN 時(shí)，摩擦學(xué)性能有所提升但都不是很明顯，這可能是由于六方氮化硼在PEG400 中分散穩(wěn)定性差以及易于團(tuán)聚。而當(dāng)0.5%(質(zhì)量) OL?IL/h?BN 加入到PEG400 中時(shí)，摩擦系數(shù)有非常明顯的降低，這可能是由于OL?IL/h?BN添加劑中的離子液體首先能在摩擦副表面形成良好的化學(xué)吸附膜，也能更好地分散在基礎(chǔ)液中，繼而六方氮化硼的層狀結(jié)構(gòu)能更好地在摩擦副之間起作用，從而有效降低了接觸面摩擦磨損。

(4)磨斑表面的XPS 結(jié)果顯示表面膜中含有化學(xué)吸附膜以及Fe2O3和B2O3等化學(xué)反應(yīng)膜，這些膜的形成對減摩抗磨性能起到至關(guān)重要的作用。

符 號 說 明

COF——摩擦系數(shù)

h?BN——六方氮化硼

OL?IL——油酸咪唑離子液體

OL?IL/h?BN——六方氮化硼負(fù)載離子液體

t——摩擦實(shí)驗(yàn)持續(xù)時(shí)間，s

WSD——磨斑直徑