哪些层状硅酸盐矿物可用作润滑材料添加剂?

发表于:2018-06-07 来源:全球涂料网
关键词: 层状硅酸盐

微纳米固体润滑材料是近年来摩擦、润滑以及材料相关领域的研究热点。层状硅酸盐是一类具有层状结构的固体矿物材料,与石墨和二硫化钼的结构非常相似,层间结构的范德华力远小于层内的离子力,当受到挤压时可以发生层间滑动,具有作为润滑添加剂的结构优势;同时层状硅酸盐矿物微粉还具有热稳定性好、成本低廉、功能全面及使用无污染的优点,是一种具有巨大开发潜力的固体润滑材料

在自然界中,有很多层状硅酸盐,例如高岭土、石墨、云母、蛇纹石、蒙脱石、滑石、叶腊石等。

1、石墨

石墨在摩擦状态下,能沿着晶体层间滑移,并沿着摩擦方向定向。石墨与钢、铬和橡胶等的表面有良好的粘附能力,因此,在一般条件下,石墨是一种优良的润滑剂。但是,当吸附膜解吸后,石墨的摩擦磨损性能会变坏。所以,一般倾向于在氧化的钢或铜的表面上以石墨作润滑剂。

2、蛇纹石

近年来关于蛇纹石的摩擦学研究主要集中在作为自修复添加剂和作为减摩抗磨剂两个方面。以蛇纹石为主要成分制备的原位磨损自修复添加剂在摩擦过程中改变了摩擦副表面的纳米硬度及表面粗糙度等润滑状态,形成了一层原位自修复膜,实现了摩擦副的自修复。研究表明:

(1)蛇纹石的自修复膜主要成分为Fe2O3、含硅有机化合物和有机物碎片。

(2)蛇纹石在摩擦副表面的成膜机理:自修复材料首先在摩擦副表面物理吸附,其次转变为化学吸附,最后通过能量交换和物质交换形成一层均匀的自修复膜,避免了摩擦副的直接接触,有效地降低了摩擦副的摩擦和磨损。

(3)蛇纹石微粉的减摩抗磨性能与其在油品中的分散性紧密相关,表面修饰过的蛇纹石微粉的润滑性能要优于未经修饰的蛇纹石微粉。蛇纹石微粉直接参与了摩擦界面复杂的物理和化学作用,诱发形成包含铁镁氧化物、水合氧化物、硅的氧化物及其他无机化合物的润滑膜,从而提高了摩擦副的抗磨损性能及润滑性能。

(4)在蛇纹石热处理产物的摩擦学性能方面,发现适当的热处理温度(300℃-600℃)可以提高微粉的活性,增强其在摩擦表面的吸附力,从而促进摩擦化学反应膜的形成。

3、滑石

滑石是一种天然的含镁、铝双金属氢氧化物的T:O:T型层状硅酸盐,具有阴离子可交换性以及阳离子可搭配性的特点,通过同晶取代可以制备各种类型的类水滑石化合物。研究表明:

(1)滑石的层状结构是滑石具有减摩效果的主要原因。

(2)在高温下滑石在金属摩擦副表面形成了一层过渡膜,降低了摩擦和磨损,而在室温下没有发现过渡膜。

(3)纳米滑石及其焙烧产物能够显著降低摩擦副的表面粗糙度,减少摩擦阻力。而类水滑石微粉可显著降低摩擦因数,是一种具有潜在应用价值的润滑材料。

4、蒙脱石

蒙脱石是一种含水的层状铝硅酸盐,其层间常吸附一些可交换的阳离子。研究表明:

(1)蒙脱土纳米添加剂与基础油相比较,平均摩擦因数下降48.8%,对应的摩擦副试件失重减少45.5%。

(2)蒙脱石微粉优良的摩擦学性能与其细小的粒度、层间结合力弱以及与摩擦副的物质交换有关。

5、叶蜡石

叶蜡石为T:O:T型的层状含水铝硅酸盐,是一种较为理想的润滑添加剂。叶腊石分子层间易于滑动而产生蠕变,本身硬度又较低,还有比较低的抗剪强度和较好的电热绝缘性,是人造金刚石高温、高压设备中的密封材料和传压介质。

6、云母

云母是层状含水铝硅酸盐的总称,其层间距大,层与层之间易滑动,具有作为润滑添加剂的结构优势。研究表明:

(1)云母可使磨痕表面形貌由粗糙锐利变为光滑平缓,改善矿物油的摩擦学性能。

(2)云母的摩擦特性受其解理时间、湿度以及测试针尖的变化等多种因素的影响,表面摩擦性能不稳定。

7、层状硅酸盐与稀土化合物复合微粉

稀土镧、铈等因其六方层状晶体结构、独特的外围电子构型及较大的原子半径,除具有良好的润滑性能外,还易与硅、氧等形成高熔点化合物,促进碳、氧及硅向摩擦界面扩散与富集,提高润滑膜的形成能力、致密性和连续性,可对硅酸盐微粉的减摩抗磨性能产生积极的作用关于稀土化合物在润滑过程中所起的作用有两种观点:

一是层状硅酸盐与稀土化合物复合微粉中稀土化合物直接参与了摩擦界面复杂的物理和化学作用,在磨损表面生成含有硅酸盐及稀土化合物特征元素的润滑膜,从而起到润滑作用。

二是稀土化合物在摩擦过程中主要起催化作用,并没有直接参与物理和化学作用。

虽然上述观点对于稀土化合物在润滑过程中所起的作用不同,但都一致认为层状硅酸盐与稀土化合物复合微粉较单一微粉具有更好的减摩抗磨性能。

8、层状硅酸盐的摩擦学机理

由于层状硅酸盐的摩擦过程非常复杂,所以对于层状硅酸盐微粉的摩擦学机理还没有一个统一的认识,大致有如下几种观点:

(1)层间滑动机理层状硅酸盐微粉层间范德华力小于层内离子力,受到挤压作用时,易于沿与层面平行的方向发生滑移,从而表现出良好的减摩性能;

(2)吸附和沉积机理分散于润滑油中的层状硅酸盐微粉与摩擦副微凸体接触时,层状硅酸盐微粉会被摩擦副微凸体剪切、挤压和研磨,产生粒度更小的微粉,并与摩擦副表面基体发生吸附作用,形成一层物理吸附膜,同时一部分具有高表面能的微粉沉积在摩擦副的凹坑处,对摩擦副表面进行微加工,改善摩擦副的表面形貌。微粉的吸附和沉积阻止了摩擦副的直接接触;

(3)摩擦化学机理微粉通过摩擦副高速的相对运动产生研磨和抛光,在瞬间高温高压环境下,微粉中的元素渗透到金属的亚表面或在摩擦表面上发生化学反应,生成一层含有特定元素的坚固耐磨的化学反应膜,将金属表面隔开,降低了摩擦磨损;

(4)修复机理层状硅酸盐微粉具有独特的亚稳态层状结构,其断裂面上存在许多活性中心,如O-Si-O键、Si-O-Si键、羟基和氢键等,微凸体发生断裂时产生的能量形成瞬间点状高温,使微粉中的金属原子(镁或铝)与金属表层的铁原子发生置换反应,在摩擦表面生成硅酸铁盐新晶体,在持续的摩擦机械和摩擦化学作用下,微粉继续在摩擦副表面铺展、压延,直至形成覆盖摩擦副表面的自修复膜层。

9、层状硅酸盐微粉在应用中存在的问题

到目前为止,层状硅酸盐微粉作为润滑添加剂在商业上还没有得到广泛的应用,其主要原因是层状硅酸盐微粉作为润滑添加剂还存在着几个重要的问题没有得到彻底的解决。

(1)层状硅酸盐微粉在润滑油中的分散稳定性由于微粉本身具有比表面积大,化学活性高、易吸附等特点,导致其在液体润滑介质中的分散稳定性较差,容易产生团聚沉淀,不但不能很好地发挥减摩抗磨自修复功能,还可能因为团聚而引起磨粒磨损。

采用表面改性的方法对微粉进行表面修饰,在一定程度上可以延缓其团聚沉淀,提高其分散稳定性。但是表面改性剂有可能会对油品最终的性能产生影响,因此如何通过选择合适的表面改性剂以及修饰工艺以实现微粉在润滑油中的稳定分散有待深入研究。

(2)层状硅酸盐微粉与目标润滑油中其他添加剂的协同作用现阶段关于矿物微粉添加剂的研究主要是集中在减摩抗磨及自修复作用上,很少有关于矿物微粉对其他传统添加剂的影响方面的研究。

在实际应用中,成品润滑油不可能只含有一种添加剂,这就需要考虑各种添加剂之间的互相影响,使各种添加剂能够在目标油品中最优地发挥各自的作用,并且尽量不影响其他添加剂的性能。这方面依然需要一些实验去验证、优化和改进。

(3)摩擦机理的研究在形成统一的摩擦机理之前,依然需要采用不同的实验及表征方法去探索新的机理,验证现有的机理和假设。只有很好地掌握其中的作用过程和机理,才能更有指导性和目的性地去改进现有的成果和开发新的微粉产品。

层状硅酸盐微粉作为润滑添加剂的研究受到了学者们的广泛关注和重视,层状硅酸盐微粉润滑添加剂技术的突破与创新可为微纳米技术与摩擦学相结合找到了一个准确的切合点。同时,由于层状硅酸盐微粉应用过程中的复杂性,也对该类材料的技术研究提出了新的挑战。

微纳米层状硅酸盐微粉作为一种成本低廉、功能全面及使用无污染的固体润滑材料,可以降低摩擦,修复磨损,延长机械设备的使用寿命。随着人们对低碳经济、循环经济和绿色经济要求的不断提高,层状硅酸盐微粉在润滑领域定会显示出举足轻重的地位。

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