Optimalisatie van Tribologische Prestaties van Gelagen Zirconiumfosfaat Nanoplatelets in Olie door Oppervlakte- en Tussenlaag Functionalisering

Samenvatting

Tweedimensionale anorganische gelaagde nanoplatelets zijn veelbelovende smeermiddelen in zowel vaste als olie-gedispergeerde systemen. In deze studie onderzochten we systematisch hoe oppervlakte-grafting en tussenlaag-intercalatie de wrijvingsverlagende en anti-slijtage eigenschappen van α-zirconiumfosfaat (ZrP) nanoplatelets in minerale olie beïnvloeden. Zuivere ZrP werd eerst gefunctionaliseerd met silaankoppelingsagents met C8, C12, of C16 alkylketens om de olie-oplosbaarheid te verbeteren, en daarna werden de gemodificeerde platen geïntercaleerd met hexylamine (N6) of 1-dodecanamine (N12) om de tussenlaafruimte te vergroten. Tribologische tests onthulden dat een langere alkylketen op het buitenoppervlak, gecombineerd met een bescheiden toename van de tussenlaafafstand, de meest gunstige wrijvingscoëfficiënten en slijtagespoordiameters oplevert, met name onder hogere belasting. Deze resultaten tonen aan dat door de oppervlakte- en tussenlaagchemie nauwkeurig te sturen, de prestaties van 2D nanoplatelets in smeroliën kunnen worden afgestemd, wat een pad biedt voor het ontwerpen van next-generation nanosmeermiddelen.

Achtergrond

Nanosmeeroliën - conventionele oliën versterkt met anorganische nanoparticles - hebben veel belangstelling gewekt vanwege hun superieure wrijvings- en slijtageverlagende mogelijkheden vergeleken met zuivere organische additieven. Veelvoorkomende nanovullers zijn nul-dimensionale oxiden en fullerenen, eendimensionale nanotubes, en tweedimensionale (2D) nanoplatelets zoals graphene, MoS₂, en gelaagde metaalfosfaten. De laatste bieden anisotrope geometrie en tussenlaafglijding, wat ze bijzonder veelbelovend maakt voor smering.

α-Zirconiumfosfaat (ZrP) en derivaten zijn recent als een krachtige 2D klasse opgedoken, met wrijvingscoëfficiënten zo laag als 0,17-0,20 en slijtagespoordiameters onder 700 µm onder zware belasting, wat MoS₂ en grafiet in minerale oliën overtreft. ZrP's robuuste kristalrooster en sterke tussenlaagbinding dragen bij aan de duurzaamheid in oliemedia, terwijl oppervlakteadsorptie van smeermiddelen de viscositeit en filmvorming verder kan verbeteren.

Ondanks deze voordelen vereist praktische toepassing een dieper begrip van hoe deeltjesgrootte, oppervlaktechemie, en tussenlaafafstand dispersie, rheologie, en tribologische prestaties beïnvloeden. ZrP is van nature hydrofiel; daarom zijn olie-oplosbare surfactantia essentieel voor stabiele dispersies. Eerder werk intercaleerde alkylamines in ZrP, maar deze benadering modificeert tegelijkertijd het oppervlak en de tussenlaag, wat hun individuele effecten verduistert. Hier scheiden we deze twee modificaties om hun afzonderlijke bijdragen aan smering te isoleren.

Methoden

Synthese van Zuivere ZrP Nanoplatelets

Zuivere ZrP werd hydrothermaal bereid (Sun et al.). ZrOCl₂·8H₂O (4,0 g) werd gemengd met 40,0 mL 6,0 M H₃PO₄, geseald in een Teflon-gelijnde vat, en verwarmd bij 200 °C gedurende 24 u. Na afkoeling werd het product vijf keer gewassen door centrifugatie met gedemineraliseerd water om overtollig zuur te verwijderen, gedroogd bij 80 °C gedurende 24 u, en gemalen tot fijn poeder. Dit materiaal wordt aangeduid als zuivere ZrP.

Oppervlaktemodificatie van Zuivere ZrP Nanoplatelets

Zuivere ZrP (10 g) werd gedispergeerd in tolueen met 20 g van een van de drie alkylsilanen (C8, C12, of C16). Het mengsel werd verwarmd bij 100 °C met roeren gedurende 48 u, daarna werd het oplosmiddel verwijderd door centrifugatie en het vast stof drie keer gewassen met petroleumether. De gedroogde poeders werden verkregen bij 70 °C gedurende 24 u en opnieuw gemalen. De resulterende oppervlaktemodificeerde monsters worden aangeduid als C8-ZrP, C12-ZrP, en C16-ZrP.

Tussenlaagmodificatie van ZrP Nanoplatelets

Twee gram van elk oppervlaktemodificeerde ZrP werden gemengd met ofwel 5 g hexylamine (N6) of 10 g 1-dodecanamine (N12) in 60 mL hexaan. De mengsels werden gesonicateerd bij 40 kHz gedurende 3 u, daarna drie keer gewassen met petroleumether en gedroogd bij 70 °C gedurende 24 u. De geïntercaleerde producten zijn gelabeld C8-ZrP-N6, C8-ZrP-N12, C12-ZrP-N6, C12-ZrP-N12, C16-ZrP-N6, en C16-ZrP-N12.

Bereiding van Nanosmeeroliën

Een 1,0 wt% master batch van elk ZrP monster werd gemaakt door het poeder met minerale olie te mengen onder mechanisch roeren, gevolgd door 20 min ultrasonicatie. De master batch werd vervolgens verdund tot 0,1 wt% met basisminerale olie onder ultrasonicatie, wat de testoliën opleverde.

Karakterisatie

Kristalstructuren werden beoordeeld door Röntgendiffractie (Rigaku DMAX-2500). Morfologie werd onderzocht met SEM (TESCAN Vega3) bij 30 kV. Oppervlakte functionele groepen werden geïdentificeerd door FTIR (PerkinElmer Spectrum Two). Tribologische prestaties werden gemeten met een Bruker UMT-2 vier-bal tester (ASTM D4172) onder 70 N belasting en 350 rpm gedurende 1 u. Wrijvingscoëfficiënten (COFs) werden geregistreerd bij 100 Hz, en slijtagesporen werden optisch gebeeld. Oppervlakterauwheid van de staal ballen was 155,0 ± 14,8 nm.

Resultaten en Discussie

De zuivere ZrP-lagen zijn getermineerd met hydroxylgroepen, wat zowel waterstofbinding tussen lagen als oppervlaktefunctionalificatie mogelijk maakt. Conventionele amine-intercalatie hecht aan zowel het buitenoppervlak als de tussenlaag, daarom grafteerden we eerst silanen op het oppervlak om het exterieur te vergrendelen terwijl de tussenlaag vrij blijft voor latere amine-invoeging.

XRD patronen bevestigden dat C8-, C12-, en C16-ZrP de oorspronkelijke tussenlaafafstand (7,6 Å) behielden, wat aangeeft dat de silanen niet intercaleerden. Na amine-intercalatie(expandeerde de afstand tot 22,5 Å met hexylamine en 34,9 Å met 1-dodecanamine, zoals verwacht van de langere alkylketens.

Alle gemodificeerde monsters vertoonden plaatmorfologie met diameters van 600-800 nm; de modificaties veranderden de laterale afmetingen niet. Foto's na 2 u dispersie (Fig. 3) toonden aan dat alleen oppervlaktemodificeerde ZrP stabiel gedispergeerd bleef, terwijl zuivere ZrP snel uitzonk.

Tribologische testen (70 N, 350 rpm, 1 u) onthulden dat langere alkylketens op het oppervlak COF en slijtagespoordiameter (WSD) verlaagden. C8-ZrP toonde een COF van 0,20, 40% lager dan basisolie (0,33). C12-ZrP en C16-ZrP bereikten COFs van 0,18 en 0,17 respectievelijk, terwijl WSDs daalden tot 700 µm en 600 µm - een reductie van 70% en 74% ten opzichte van basisolie. De beste prestaties kwamen van C16-ZrP, wat ook de kleinste dataverspreiding vertoonde, wat superieure dispersiestabiliteit aangeeft.

Intercalatie-effecten werden onderzocht met de C16-ZrP serie. Het toevoegen van hexylamine (C16-ZrP-N6) verhoogde COF licht tot 0,21 maar behield een lage WSD van 550 µm. In tegenstelling verhoogde 1-dodecanamine (C16-ZrP-N12) COF tot 0,35 - boven basisolie - en nam WSD toe tot 1.400 µm. Deze resultaten wijzen erop dat een bescheiden tussenlaafexpansie (22,5 Å) de prestaties niet aantast, terwijl een grote expansie (34,9 Å) smering ondermijnt, waarschijnlijk door verminderde tussenlaagcohesie en gewijzigde aspectratio.

Aspectratio berekeningen (diameter/dikte) toonden een afname van ~10 voor zuivere ZrP tot ~5-6 na hexylamine en ~3 na 1-dodecanamine intercalatie. Hogere aspectratio's faciliteren uitlijning en slijtgeïnduceerde smering, terwijl lagere ratio's leiden tot verhoogde rotatie en minder effectieve belastingondersteuning.

Onder een verhoogde belasting van 80 N, behield C16-ZrP-N6 een stabiele COF van ~0,20 en een WSD van 650 µm, terwijl C16-ZrP's COF steeg tot ~0,45 met een 2.600 µm slijtagespoor, wat het voordeel van bescheiden tussenlaafexpansie onder zware belasting bevestigt. SEM van slijtagesporen (Fig. 9) bevestigde het gladde oppervlak voor C16-ZrP-N6 vergeleken met C16-ZrP.

Conclusies

We hebben uitgelegd hoe oppervlakte- en tussenlaagchemie onafhankelijk de tribologische prestaties van gelaagde ZrP nanoplatelets in minerale olie beïnvloeden. Oppervlakte-grafting met langere alkylsilanen verbetert dispersie en verlaagt zowel COF als WSD, met C16-ZrP als beste basale prestaties. Opvolgende intercalatie met hexylamine behoudt deze voordelen en verbetert zelfs prestaties onder zwaardere belasting, terwijl 1-dodecanamine intercalatie, die de tussenlaafafstand dramatisch vergroot, smering degraderen. Deze resultaten benadrukken het belang van het finetunen van zowel oppervlaktehydrofobiciteit als tussenlaafafstand om hoogpresterende nanosmeermiddelen te ontwerpen.