硬脂酸修饰纳米Fe3O4的制备及摩擦学性能的研究

杜润平，柴多里（.山西工程技术学院，山西阳泉045000；.合肥工业大学，安徽合肥30009）

硬脂酸修饰纳米Fe3O4的制备及摩擦学性能的研究

杜润平1，柴多里2
（1.山西工程技术学院，山西阳泉045000；2.合肥工业大学，安徽合肥230009）

摘要：通过微波水热法制备了表面修饰硬脂酸的纳米Fe3O4颗粒。运用红外光谱对其结构进行了分析，该添加剂具有较好的分散性与稳定性。经四球长磨实验表明,当表面修饰硬脂酸的纳米Fe3O4颗粒在液体石蜡油中的添加量为1.00%时，摩擦系数降至0.025，磨斑直径为0.47。

关键词：润滑油添加剂；修饰；纳米Fe3O4粒子；摩擦学特性

表面修饰纳米微粒是降低摩擦磨损的有效途径之一。近几年的研究表明[1-4]，经过表面修饰的纳米粒子加入润滑油中,可使润滑油的摩擦学性能有很大提高，明显优于市售添加剂，而且还可以明显降低摩擦系数。

微波是一种频率在300MHz～300GHz，即波长在1～1000mm范围内的电磁波。由于其具有可以使被加热物体的不同深度同时产生热、反应快、产率高等特点，微波辐射能技术正在悄悄取代传统加热方法而应用于有机合成。微波水热法通常用于制备纳米粉体,很少有报道用于制备硬脂酸修饰的纳米Fe3O4粒子。

本文采用化学改性方法，在醇/水液相体系中，通过微波水热法，利用硬脂酸和纳米Fe3O4表面的羟基发生反应，制备了表面修饰硬脂酸的纳米Fe3O4颗粒。运用红外光谱检测其结构，并利用在有机溶剂中的分散性实验等对纳米Fe3O4的改性效果进行分析；另外，还利用四球长磨实验对其在液体石蜡油中的摩擦学性能进行了考查。

1　实验部分

1.1试剂和仪器

纳米Fe3O4，自制；正丙醇，天津市博迪化工有限公司；硬脂酸，上海化学试剂-清明化工厂；盐酸，上海中试化工总公司；液体石蜡，宿州化学试剂有限公司，以上试剂和药品均为分析纯。

KQ- 100E超声波分散仪，昆山市超声仪器有限公司；微波炉，广东格兰仕有限公司；Spectrum 100型红外光谱仪，美国PE公司；MQ- 800型四球实验机，济南试验机厂。

1.2实验方法

在250mL平底烧瓶中加入正丙醇与蒸馏水（体积比为1∶1）的混合溶液，并且用1∶50的盐酸溶液调节此混合溶液的pH值为6左右，再加入一定量的纳米Fe3O4颗粒，超声分散，然后把混合溶液放入改制的微波炉中，装上回流装置，预热1min，取出，趁热加入一定量的硬脂酸，超声溶解后，再在微波下辐照5 min，取出，迅速转移至内衬聚四氟乙烯的不锈钢反应釜中，在150℃下恒温反应5 h，冷却，开釜取出沉淀，过滤，洗涤烘干。

2　结果和讨论

2.1红外光谱分析

图1　硬脂酸修饰Fe3O4微粒的红外光谱图

图1为硬脂酸有机表面改性纳米Fe3O4后的红外光谱图。改性前纳米Fe3O4表面羟基吸收峰一般在3415.54cm-1，而从图1可以看出，改性后的纳米Fe3O4表面羟基吸收峰红移到3299 cm-1，吸收峰红移表明- O- H键的极性减弱。图中出现了2919 cm-1、2800 cm-1、1469 cm-1、704 cm-1吸收峰，表明改性后粉体表面有长链烷基特征吸收峰存在；在1700～1725 cm-1范围内没有吸收峰出现，表明产物中已经没有游离- COOH中的C=O特征吸收峰；但在1555cm-1处出现了硬脂酸盐羧酸根阴离子（CH3（CH2）16COO-）的C＝O吸收峰。因此可以断定硬脂酸和纳米Fe3O4表面的- OH发生了化学反应，形成了新的化学键，所以羧酸的特征峰消失，而出现了羧酸盐的特征峰。

2.2在有机试剂中的分散性能测试

分别取少许硬脂酸、改性和未改性的Fe3O4纳米粒子，在室温下考查它们在三氯甲烷、甲苯中的分散性,结果见表1。

表1　Fe3O4纳米粒子在有机试剂中的分散性

从表1可知，改性后的Fe3O4纳米颗粒比未改性的Fe3O4纳米粒子在有机溶剂中分散性较好，说明在Fe3O4纳米粒子表面接枝了非极性基团，其展露在外与其它有机介质亲和，降低了界面张力，由亲水疏油转变为亲油疏水性。

2.3沉降体积测定

称取0.5 g表面改性前后的纳米Fe3O4粒子，置于带磨口的刻度量筒中，加入少量二甲苯，待纳米粉体充分润湿后，再加入二甲苯至20 mL，超声波分散2 min，在室温下静置12 h，记录不同沉降时间与相应的沉降体积（或清液高度），改性前后纳米Fe3O4在二甲苯中的沉降曲线见图2，其中a、b分别为改性前后纳米Fe3O4在二甲苯中的沉降情况。从两曲线对比可看出，未改性的纳米Fe3O4在二甲苯中分散不稳定，约5 h就完全沉淀，说明改性后的纳米Fe3O4在二甲苯中分散性较好，经过9 h才有14%的分层，20h后只有约18%的分层。

图2　改性前后纳米Fe3O4在二甲苯中的沉降曲线

2.4抗磨减摩性能

将硬脂酸修饰的纳米Fe3O4颗粒按一定比例加入基础油液体石蜡中，在四球实验机上考查磨斑直径（WSD）、摩擦系数（f）、最大无卡咬负荷（PB）随添加剂加入量的变化。实验结果见表2。

表2　四球实验结果

从表2可以看出，加入硬脂酸修饰的纳米Fe3O4颗粒后对液体石蜡的抗磨减摩性能均有较大改善：①加入纳米Fe3O4颗粒后对液体石蜡的抗磨性能有较大改善。磨斑直径随着添加剂添加量的增大先是迅速减小到一个最低值，然后开始慢慢上升，接着又缓慢下降。当添加剂添加量为0.13%时，磨斑直径达到最小值0.43mm，比未添加纳米Fe3O4颗粒时的磨斑直径值（0.66mm）降低了35%。②加入硬脂酸修饰的纳米Fe3O4颗粒后对液体石蜡的减摩性能有更大改善。摩擦系数随着添加剂加入量的增大先缓慢增大，当添加量达到一定程度时，摩擦系数随着添加剂加入量的增大反而急剧减小。原因可能是当添加剂添加浓度＞0.25%时，由于无机纳米粒子的“滚珠轴承效应”，能够有效地将滑动摩擦转变为滚动摩擦，起到减摩作用。当添加剂添加浓度＜0.25%时，无机纳米粒子含量相对较少，不能发挥无机纳米粒子的“滚珠轴承效应”，进而没有起到减摩效果。当添加量为1.00%时，摩擦系数达到最小值0.025，比未添加硬脂酸修饰的纳米Fe3O4颗粒时的摩擦系数值（0.111）降低了77.5%。③随着添加剂添加量的增加，PB值先增大后减小，但总体上加入硬脂酸修饰的纳米Fe3O4颗粒的油品都比基础油的PB值有显著提高。当添加量达到0.50%时，PB值也达到最大值48kg，比未添加纳米Fe3O4颗粒时的PB值（34kg）提高了41.2%。

3　结论

（1）采用微波水热法可制得表面修饰硬脂酸的Fe3O4纳米粒子。红外光谱分析表明，硬脂酸与纳米Fe3O4表面的- OH发生了类似酸与醇之间的酯化反应，使纳米Fe3O4颗粒的表面接枝了非极性基团。

（2）在纳米Fe3O4表面改性剂选择实验中，硬脂酸的改性效果最好。改性后的纳米颗粒可以很好地分散于有机试剂中，并且稳定性能也较好。

（3）将硬脂酸修饰的纳米Fe3O4颗粒加入液体石蜡中后，油品的润滑性能得到较大改善，特别是加入1.00%纳米Fe3O4颗粒后，油品的摩擦系数仅为0.025。

参考文献

[1]周静芳，张治军，王晓波，等.油溶性铜纳米微粒作为液体石蜡添加剂的摩擦学性能研究[J].摩擦学学报，2000，20（2）:44- 47.

[2]岳美娥，周惠娣.纳米微粒在摩擦学中的应用研究[J].润滑与密封，2003（2）:85- 87.

[3]国秋菊，郑少华，苏登成.用硅烷偶联剂修饰的纳米Fe3O4粒子作为润滑油添加剂的摩擦学性能研究[J].润滑与密封，2007，32 （3）:118- 122.

[4]宣瑜，刘颖，赵修臣，等.纳米AlOOH及纳米Fe3O4粒子在液体石蜡中的摩擦学性能研究[J].摩擦学学报，2010，30（2）: 107- 114.□

doi：10.3969/j.issn.1008- 553X.2015.01.010

中图分类号：TB383

文献标识码：A

文章编号：1008- 553X（2015）01- 0042- 03

收稿日期：2014- 09- 01

作者简介：杜润平（1982-），女，硕士，讲师，研究方向：有机合成及绿色化学，15035311648，huiyi1984@126.com。

Study on Preparation and Tribological Performance of Stearic Acid Capped Fe3O4Nanoparticle

DU Run-ping1，CHAI Duo-li2
（1. Shanxi Institute of Technology，Yangquan 045000，China；2. Hefei Universityof Technology，Hefei 230009，China）

Abstract:Stearic acid capped Fe3O4nanoparticle was synthesized by using microwave hydrothermal method. The product was discussed on structure by IR. It has good dispersion and stability. A four- ball tribometer was employed to evaluate its tribological properties. The best tribological performance could be obtained with the coefficient of friction of 0.025，wear scar diameter of0.47 mm，when the addition weight ratioof Stearic acid capped Fe3O4nanoparticle in liquid paraffin is 1.00%．

Key words:lubrication additive；capped；Fe3O4nanoparticle；tribological performance