LaF3纳米颗粒的制备及其润滑作用

尤建伟 李芬芳 范成凯

摘要:LaF₃纳米材料作为一种新型的润滑油添加剂显示出了优异的摩擦学性能。文章综述了近年来LaF₃纳米材料的制备方法、表面改性技术以及润滑作用机制和应用进展,指出LaF₃纳米材料在润滑中所面临主要问题是它的分散性和稳定性问题。展望了LaF₃纳米材料作为润滑添加剂的发展趋势。随着现代工业的快速发展,LaF₃纳米颗粒作为极压抗磨剂是未来的发展方向,在摩擦学领域中它的摩擦学性能和润滑机理必将受到人们更为广泛的关注。

关键词:LaF₃;纳米材料;润滑

中图分类号:TE624.82 文献标识码: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

纳米微粒是指颗粒尺度为纳米量级(1~100 nm)的超细微粒。当材料的颗粒缩小到只有几纳米到几十纳米时,材料的性质发生了意想不到的变化。由于组成纳米材料的超微粒尺度,其界面原子数量比例极大,一般占总原子数的40%～50%,使材料本身具有宏观量子隧道、表面和界面等效应,从而具有许多与传统材料不同的物理、化学性质[1]。纳米材料是当前材料学科研究的热点之一。纳米材料的奇异特性和广阔的应用前景,使得材料、凝聚态物理、胶体化学、原子物理、配位化学、化学反应动力学和表面、界面科学等学科领域的科学家纷纷投身于纳米材料的研究工作中[2]。由于纳米材料具有比表面积大、高扩散性、易烧结性、熔点降低等特性,可以预见新型纳米润滑材料应用于摩擦系统中,将以不同于传统添加剂的作用方式,起到减摩抗磨作用[3]。纳米粒子作为润滑油添加剂在国外已研究多年,并有产品投放到中国市场如美国的JB、加拿大的倍力、美国的APOLLO等。这些产品具有降低摩擦、延长设备使用寿命、降低噪音、修补金属表面等优点,主要应用于转动、有摩擦、有燃烧的各种仪器、设备等。而我国的纳米润滑油添加剂还处在研制及如何添加到润滑油的阶段[4]。

镧元素位于元素周期表中第六周期第ⅢB族,原子序数为57。研究发现:LaF₃纳米材料作为润滑油添加剂具有优良的抗磨减摩性能,同时,与常用润滑油添加剂的活性元素具有协同效应。由于镧元素是镧系的第一个元素,镧化合物与其他镧系化合物的化学性质相似,因此研究LaF₃纳米材料对于研究其他镧系纳米材料具有一定的指导意义。本文综述近年来LaF₃纳米材料的制备、相关的摩擦学性能及在润滑油中的作用机制和应用进展,并指出了LaF₃作为润滑油添加剂在摩擦学中的研究现状和发展趋势,以及需要解决的技术难题。

1 LaF₃纳米材料的制备和稳定分散技术

1.1 LaF₃纳米材料的制备方法

纳米微粒制备方法按有无化学反应发生,可分为物理方法和化学方法两大类[5-6]。物理方法是利用低温、超声波、水锤、高能球和冲击波粉碎等方法对较粗物质的颗粒进行粉碎,制成纳米颗粒。化学方法是通过适当的化学反应,从分子、原子出发制备纳米材料的方法,化学方法按分散介质种类可分为液相、固相和气相三种反应方法。LaF₃纳米材料通常采用化学方法制备。

1.1.1 液相反应法

液相反应法是目前实验室和工业制备纳米粒子的主要方法,其原理是在溶液中对不同的分子或离子进行反应,控制反应物浓度、温度和搅拌速度,可得到纳米级固体产物。液相法一般分为水热法、微乳液聚合法、沉淀法、溶胶—凝胶法、聚合物基模板法等。而LaF₃纳米粒子的制备主要有以下几种方法。

(1)溶剂热法

溶剂热法是制备一维纳米材料的简单方法。张茂峰[7]等通过利用溶剂热法制备的LaF₃纳米线,结晶性好,为六方晶系,P3cl空间群。LaF₃纳米线直径约80 nm,长度约4～8 μm。并且研究了它的形成机理:刚加入的F-与溶液中的自由La3+以一定的反应速率结合成LaF₃晶粒;溶液中离子的扩散运动使晶粒成核长大,当周围离子的扩散速率小于成核速率时,在边缘处开始出现明显的断面从而形成一系列颗粒带;晶体将沿生长速度快的晶面方向生长。并促使周围晶粒发生团聚和定向排列;定向排列的晶粒通过自组装作用粘结在一起并重结晶成棒状颗粒,这些棒状颗粒可能提供生长纳米线的初始模板。使颗粒带中微粒扩散到棒的两端并发生晶体的成核和外延生长,从而形成细纳米线。

(2)醇水法

陈爽等[8]在醇和水(V_醇∶V_米=1∶1)混合溶剂中合成了表面为油酸修饰的LaF₃纳米粒子,所制备的LaF₃纳米粒子大小均匀,粒径约为8 nm,其纳米核为六方结构的LaF₃。易书理[9]通过相转移将醇水法制备的表面修饰过的纳米LaF₃,从水相转移到油相(500SN基础油),得到纳米LaF₃含量为10.2%的液体添加剂。