添加了油酸改性的Fe?O?和氨基化的SiO?纳米添加剂的水基润滑剂的摩擦性能得到了提升

《Applied Surface Science》：Enhanced tribological performance of water-based lubricant with oleic acid-modified Fe 3O 4 and aminated SiO 2 nano additives

水基润滑剂纳米添加剂协同效应研究首次将Fe3O4-OA与SiO2-NH2复合应用于水润滑系统，通过SANS分析揭示了Fe3O4-OA浓度调控oleic酸分子链构象，与氨基二氧化硅形成多机制协同作用（配位-氢键-静电吸附），构建稳定三联润滑膜，使摩擦系数降低72.4%和磨损体积减少81.7%。

　　

陈一欣|图尔孙依西玛伊莉|罗平军|吴桐|陈泽曦|柯玉斌|褚胜

中山大学材料科学与工程学院，中国广州510006

摘要

基于水的润滑系统因其环保性、经济性和安全性而越来越受到关注。虽然油酸改性的磁铁矿纳米颗粒（Fe₃O₄-OA）在油基润滑系统中作为添加剂表现出良好的性能，但它们在水基润滑系统中的性能尚未得到充分研究，因为Fe₃O₄-OA纳米颗粒在水环境中的分散稳定性和摩擦学性能有限。在这项研究中，将Fe₃O₄-OA与胺官能化的二氧化硅（SiO₂-NH₂）纳米颗粒结合使用，以提高水基润滑的抗摩擦和抗磨损性能。对比摩擦学测试表明，在100 N的负载下，添加1 wt%的Fe₃O₄-OA和1 wt%的SiO₂-NH₂可使摩擦系数降低72.4%，磨损体积减少81.7%。小角中子散射（SANS）分析显示，增加Fe₃O₄-OA的浓度使得油酸分子链的排列更加有序，从而促进了与SiO₂-NH₂表面胺基团的相互作用。这些相互作用通过路易斯酸-碱配位、氢键和静电吸引作用形成了稳定且致密的摩擦膜。改进的摩擦性能为通过纳米颗粒添加剂设计高性能水基润滑系统提供了依据。

引言

大约1/3的动能耗散和超过80%的机械部件故障是由摩擦和磨损引起的，每年由此造成巨大的经济损失[1]。传统的减少摩擦和磨损的策略包括表面纹理处理、化学添加剂和先进材料涂层[2]。近年来，基于纳米材料的润滑剂添加剂（如碳基纳米材料[3]、[4]和金属氧化物纳米颗粒[5]、[6]、[7]）因其独特的尺寸依赖性物理和化学性质而受到广泛关注。纳米添加剂表现出滚动效应[8]、[9]、[10]、摩擦膜形成效应[11]、[12]以及摩擦过程中的抛光效应[14]、[15]，显著提高了润滑剂的摩擦学性能。然而，纳米润滑剂添加剂的较差分散稳定性限制了它们的应用。特别是使用有机配体对纳米颗粒进行表面修饰，已成为提高基于纳米颗粒的润滑剂分散稳定性和摩擦学性能的有效方法。

多项研究表明，Fe₃O₄纳米颗粒作为润滑剂添加剂具有显著的摩擦学优势，其效果取决于纳米颗粒的浓度和形态。Wang等人[16]系统比较了Fe₃O₄纳米球、纳米线和纳米片在液体石蜡中的添加效果，发现纳米球在最佳浓度下表现出最佳的抗摩擦和抗磨损性能，磨损体积减少了91.0%，这归因于它们的自修复能力和滚动摩擦效应[17]。为了克服分散问题，广泛采用了表面修饰方法。Fe₃O₄-OA是一个经典例子，它能够在油基润滑剂中实现稳定分散，并显著降低摩擦系数（COF）和磨损体积[16]、[18]、[19]。Fe₃O₄-OA的油酸包覆核壳结构优化了纳米颗粒的分散性，并显著降低了COF[17]、[20]、[21]、[22]。Zhou等人[23]使用滑动法测试了0.45%的碳钢，发现Fe₃O₄-OA纳米颗粒在10 N负载下将摩擦系数降低了25%，磨损体积减少了64.7%。Huang等人[18]发现，即使在低浓度下，Fe₃O₄-OA纳米颗粒也能改善润滑油的抗磨损性能和承载能力。含有4 wt% Fe₃O₄的磁流体将最大无卡住负载提高了38.4%，磨损疤痕直径从0.68 mm减小到0.53 mm，并将摩擦系数降低了31.3%。尽管上述研究表明浓度显著影响Fe₃O₄基添加剂的摩擦学性能，但其影响表面分子构型和界面反应的机制仍不完全清楚。

尽管在安全和法规方面取得了进展，但大多数现有研究仍集中在油基润滑剂上，而将Fe₃O₄-OA纳米颗粒应用于水基润滑剂的研究仍很少。随着环境法规压力的增加以及对更安全、更环保解决方案的需求，水基润滑系统因其低环境影响、内在安全性和经济性而受到越来越多的关注[24]、[25]、[26]、[27]、[28]。然而，与油基系统相比，水基润滑剂的性能较差，主要是由于水的润滑性能不佳，这突显了开发有效添加剂以增强水基润滑剂抗摩擦和抗磨损性能的迫切需求[29]、[30]、[31]。例如，Liu等人指出，传统的水基流体中常用的油溶性润滑剂添加剂具有较差的生物降解性、有限的稳定性和较高的沉淀倾向；因此，研究人员正将注意力转向具有更好环境兼容性和多功能性能的水溶性添加剂[29]。Rahman等人报告称，尽管水基润滑剂具有环保性，但通常粘度低且抗腐蚀性能不足，这严重限制了它们在金属摩擦系统中的应用[30]。因此，开发能够在各种操作条件下增强水基润滑效果的先进添加剂至关重要且非常必要。

在水基润滑系统中，油酸分子包裹纳米颗粒形成亲水双层结构，显著提高了纳米颗粒的分散稳定性和水溶性[32]、[33]。然而，这些有机层在摩擦过程中容易分解、脱落或氧化，导致摩擦膜不稳定和润滑性能下降[34]、[35]。为了解决这些问题，本研究将SiO₂-NH₂作为协同添加剂引入Fe₃O₄-OA润滑系统中。SiO₂-NH₂上的胺基团设计用于与Fe₃O₄-OA上的油酸分子发生化学反应，形成强颗粒间键，从而稳定摩擦膜[36]、[37]。此外，我们利用了磁性和非磁性纳米颗粒以及磁流体界面的屏障效应来探究界面相互作用，这些相互作用涉及路易斯酸-碱配位、氢键和静电吸引[38]、[39]、[40]、[41]。结合使用小角中子散射（SANS）和摩擦学测量方法，阐明了混合纳米颗粒系统的结构演变和润滑机制，为设计稳定高效的水基纳米润滑剂提供了基础。

材料与化学品

所有化学品均为分析级，按收到状态使用，无需进一步纯化。七水合硫酸亚铁（FeSO₄·7H₂O，99%）、六水合氯化铁（FeCl₃·6H₂O，99.5%）、氢氧化钠（NaOH，95%）、油酸（OA，98%）、3-氨基丙基三乙氧基硅烷（APTES，98%）和甲苯（98%）购自上海阿拉丁生化科技有限公司。乙醇（≥99%）和去离子水购自国药化学试剂有限公司。二氧化硅纳米颗粒的平均...

材料表征

透射电子显微镜（TEM）图像（图1a）显示Fe₃O₄-OA纳米颗粒的平均直径为10 ± 2 nm，与Wang等人的结果一致[42]。高均匀性确保了在润滑剂中的稳定分散，这对于润滑剂添加剂的有效性能至关重要。高分辨率TEM（图1b）证实了明显的晶格条纹（d = 0.285 nm），属于立方Fe₃O₄的（220）面[43]。X射线衍射（XRD）分析（图1c）显示Fe₃O₄-OA的衍射峰清晰...

结论

在这项研究中，我们首次探讨了Fe₃O₄-OA与SiO₂-NH₂作为协同添加剂在水基润滑系统中的应用。我们利用SANS阐明了Fe₃O₄-OA浓度如何调节油酸链构型和界面相互作用，从而增强摩擦膜稳定性和摩擦学性能。我们发现，虽然Fe₃O₄-OA单独作为润滑剂添加剂可以显著降低水的摩擦系数（COF），但它会增加磨损...

未引用参考文献

[49]、[50]、[51]、[52]。

CRediT作者贡献声明

陈一欣：撰写——初稿、方法学、实验研究、数据分析、概念构思。图尔孙依西玛伊莉：撰写——审稿与编辑、监督、方法学。罗平军：撰写——审稿与编辑、方法学。吴桐：方法学、实验研究。陈泽曦：方法学、实验研究。柯玉斌：撰写——审稿与编辑、监督、资金获取。褚胜：监督、项目管理、方法学、资金获取。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

我们感谢中国散裂中子源小角中子散射小组的工作人员和学生。