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納米碳酸鈣在潤滑領域的妙用！

發(fā)布時間：2023-01-04 來源：中國無機鹽工業(yè)協(xié)會分享到：

納米材料自問世以來，因其特有的性能在許多領域引起研究者們的廣泛關注。在潤滑領域，研究發(fā)現(xiàn)納米碳酸鹽具有良好的抗磨損作用。目前研究中用到的碳酸鹽主要有CaCO₃、MgCO₃、BaCO₃、Na₂CO₃ 等，在綜合考慮環(huán)境友好、制備成本、性能等因素，納米CaCO₃ 在潤滑領域中的應用較為廣泛。

1.納米碳酸鈣在潤滑領域的應用

隨著人們環(huán)保意識的增強和環(huán)保法規(guī)的完善，綠色環(huán)保類納米潤滑添加劑越來越受到人們的青睞。納米碳酸鈣顆粒對金屬不產生腐蝕，同時不對環(huán)境造成污染，是一種具有發(fā)展前景的潤滑添加劑。因此越來越多的研究者考察了其在潤滑體系中的應用性能?？偟膩碚f，納米碳酸鈣在潤滑油領域中的應用主要體現(xiàn)在三個方面：高堿性金屬清凈劑、潤滑脂的稠化劑(尤其在高堿性復合磺酸鈣基潤滑脂中)、高效極壓抗磨劑。

1.1 高堿性金屬清凈劑

納米碳酸鈣在潤滑領域的最早應用就是制備高堿性金屬清凈劑。20 世紀50 年代，由于大功率增壓柴油機及船用柴油機燃燒高含硫燃料，為解決活塞積炭增多和缸套腐蝕問題，人們開始研制含堿性金屬(碳酸鹽膠體體系)多倍于正鹽中金屬含量的高堿性金屬清凈劑。高堿性金屬清凈劑必須滿足以下幾個條件：強堿性；與酸反應后穩(wěn)定性好；反應后產物對油品無不良影響；具有較好的流動性；產品透亮，穩(wěn)定，油溶性好；價廉。滿足這些條件的只有無機碳酸鹽膠體體系，目前用到的碳酸鹽中鈣鹽發(fā)展較快。

一般認為堿性金屬清凈劑的有效部分由穩(wěn)定的載荷膠團和游離的表面活性劑分子及其膠束組成。該載荷膠團由碳酸鹽(含鎂、鈣、鈉等，質量分數15 %~40 %)及吸附在表面的表面活性劑(質量分數20%~45 %)組成有效組分以膠體體系穩(wěn)定分散于油品中，其結構如圖1 所示。

載荷膠團粒子的粒徑必須小于80nm，否則就不能穩(wěn)定分散于油中，使得產品混濁，影響使用性能。較好的粒徑應在20 nm 以下，且粒徑分布均勻。膠體的粒徑分布及平均粒徑大小極大地影響金屬清凈劑的酸中和能力、膠體穩(wěn)定性和清凈分散能力，膠體體系的粒徑分布越均勻，平均粒徑越小，清凈劑的堿值越高、熱氧化安定性和高溫清凈性能越好。因此納米碳酸鈣在高堿性金屬清凈劑中應用時，需要解決的重要問題就是納米碳酸鈣的粒徑控制及在潤滑油中的分散穩(wěn)定性。

1.2 潤滑脂的稠化劑

納米碳酸鈣作為潤滑脂的稠化劑，正處于研究開發(fā)階段，目前主要應用于復合磺酸鈣基潤滑脂。復合磺酸鈣基潤滑脂具有優(yōu)良的高低溫性能(滴點大于330 ℃)、機械安定性、膠體安定性、氧化安定性、抗腐蝕性、抗水性、優(yōu)異的防銹性和極壓抗磨性，被稱為“新一代高效潤滑脂”，可以作為通用潤滑脂取代現(xiàn)用的鈣基、鈉基、鋰基和鋁基脂等，其應用已擴展到鋼鐵、冶煉、發(fā)電、航運、鐵路、汽車、建筑、食品機械等領域。

復合磺酸鈣基潤滑脂由基礎油、稠化劑和添加劑等組成，與普通皂基脂不同的是稠化劑。復合磺酸鈣基潤滑脂的稠化劑主要由兩部分組成：高堿性非牛頓體磺酸鈣和復合鈣皂，兩者之間既有物理混合，又有化學締合，是一個較復雜的化合物體系。非牛頓體磺酸鈣由油溶性的牛頓體轉化而來，牛頓體高堿值磺酸鈣由烷基苯磺酸鈣正鹽和碳酸鈣組成，其結構如圖2 所示，其中R是C20-C30 的烷基，m 可高達40，碳酸鈣微粒一般小于10 nm，被磺酸鈣分子包裹，形成穩(wěn)定的膠粒溶于油中，高堿值來源于分散在膠粒中的碳酸鈣。

通常碳酸鈣占牛頓體高堿性磺酸鈣的30 %左右，磺酸鈣占20 %，其余為稀釋油。另外據研究，在牛頓體高堿值磺酸鈣中，納米碳酸鈣是無定形狀態(tài)，當經促進劑將牛頓體高堿值磺酸鈣轉變?yōu)榉桥ｎD體高堿值磺酸鈣后，發(fā)現(xiàn)納米碳酸鈣由原來的無定形變?yōu)榍蛐畏浇馐翌w粒尺寸增大。值得一提的是復合磺酸鈣基潤滑脂良好的低溫性能源自于體系中含有大量的球形納米碳酸鈣顆粒，這些顆粒阻止了基礎油在低溫下凝結的趨勢?？梢?，納米碳酸鈣作為潤滑脂的稠化劑，其粒徑、晶型和形貌對其性能均有影響。

1.3 高效極壓抗磨劑

目前應用和研究的極壓抗磨劑可分為含硫、磷和氯的極壓抗磨劑、有機金屬鹽類、還有因環(huán)保而發(fā)展起來的硼酸鹽類和稀土類等極壓抗磨劑。在環(huán)保類抗磨劑發(fā)展過程中，人們發(fā)現(xiàn)磺酸鹽具有一定的抗磨能力，磺酸鹽作為惰性極壓劑可以減小摩擦、防止熔結，還可以中和酸性污染物、對金屬不產生腐蝕，同時不造成環(huán)境污染，是一種具有發(fā)展前景的極壓抗磨劑。目前人們已將此類極壓抗磨劑利用硼化、硫化等方法處理來提高其極壓抗磨性。

普遍認為磺酸鹽的抗磨能力是由載荷膠團中的碳酸鈣起作用。張建榮等人研究了高堿值磺酸鈣極壓抗磨性能，他們認為金屬之間的摩擦可使摩擦表面產生局部高溫，從而使高堿值石油磺酸鈣釋放出CaCO3，在摩擦表面形成CaCO3 沉積保護膜，因而高堿值磺酸鈣都有一定的極壓性能，但差別較大。張建榮等人認為影響其極壓性能的重要因素是CaCO3 的結構，CaCO3 為方解石晶體時，能在摩擦表面形成較厚的含CaCO3 的保護膜，極壓性能較好；CaCO3 為無定形時，在摩擦表面形成較薄的含CaCO3 的保護膜，極壓性能較差。另外也有學者研究了金屬種類、有機基團結構、碳酸鹽的粒徑大小等因素對極壓抗磨性的影響，其中Cahoon認為金屬種類、有機基團結構對極壓抗磨性的影響較大，而碳酸鹽的粒徑影響較小。

總的來說，納米碳酸鈣在潤滑領域中的應用越來越廣泛，其晶型和粒徑對其潤滑性能影響較大，因此納米碳酸鈣的可控制備顯得尤為重要。

2、結論

納米碳酸鈣作為綠色環(huán)保類納米潤滑添加劑的一種，越來越多的學者研究了其在高堿性金屬清凈劑、潤滑脂的稠化劑和高效極壓抗磨劑方面的應用性能。經分析發(fā)現(xiàn)納米碳酸鈣的晶型、粒徑和形狀對其潤滑性能均有影響，如在高堿性金屬清凈劑中，需要解決的重要問題就是納米碳酸鈣的粒徑控制；在潤滑脂的稠化劑方面，需要控制納米碳酸鈣的粒徑、晶型和形狀；在高效極壓抗磨劑方面，其晶型對磺酸鹽的極壓性能影響較大。因此，納米碳酸鈣的可控制備尤為重要。

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