（1.上海海事大学商船学院，上海 200135; 2.中国船级社上海分社，上海 200135）
摘要：选择吐温60、司班20、司班80和聚醚作为活性剂对纳米氧化镧（n-La2O3）进行改性，配制了含纳米氧化镧的润滑油，并在MRS-1J四球磨损实验机上考察了润滑油的摩擦学性能。结果表明：吐温60、司班20、司班80和聚醚比例为2∶1∶1∶3时对纳米氧化镧粒子具有最好的分散效果，且纳米氧化镧质量分数为0.8%时，具有最佳的摩擦学性能；与500SN基础油相比，其PB值提高了40.8%，磨斑直径降低了36.9%，摩擦因数降低了29%。
关键词：纳米La2O3；表面活性剂；摩擦学性能
中图分类号：TE624.82 文献标识码：A
0 前言
纳米材料具有许多特殊性能:宏观特性如热学性能、力学性能、磁学性能、光学性能、催化性能；微观特性如表面效应、量子尺寸效应、小尺寸效应、宏观量子隧道效应等。近年来越来越多的科研工作者将纳米粒子加入到润滑油中，提高其极压性能和抗磨、减摩性能，从而提高机器使用效率、延长机器零部件的使用寿命[1-2]。
稀土元素具有的独特4f电子结构、大原子磁矩等决定了其具有许多优良的特性,如光学、磁学、电学、催化性能等。许多研究者把稀土元素作为添加剂加入润滑油中进行摩擦学研究,结果证明稀土元素作为润滑油添加剂具有良好的抗磨、减摩效果[3]。La2O3属于稀土氧化物，是轻稀土中的重要产品之一，因其有良好的物理化学性质，故在民用、军用和高科技等领域中获得了广泛应用。如La2O3在稀土玻璃、陶瓷、催化剂、荧光粉、激光器、发热体、阴极材料及电触点等材料领域的应用不断发展。La2O3还可以在一定程度上降低废气排放，从而保护环境。但是纳米La2O3用作润滑油添加剂很少有人研究，本文将纳米La2O3粒子作为添加剂加入到500SN基础油中研究其摩擦学性能，这对于进一步扩大纳米粒子作为润滑油添加剂的使用范围及进一步研究其抗磨减摩机理具有十分重要的理论和实际意义。
1 试验内容
1.1 纳米粒子的选择
本试验采用的纳米氧化镧粒子（n-La2O3），由广东惠州瑞尔化学科技有限公司提供，纳米La2O3粒子的粒径大约为20～30 nm，纯度为99.99％，采用溶胶-凝胶方法制备。溶胶-凝胶包括水解反应和聚合反应两个阶段。其基本过程是易于水解的稀土金属化合物(无机盐或稀土金属醇盐)经过水解与缩聚逐渐凝胶化,再经干燥、烧结等处理得到所需材料,经低温化学手段在相当小的尺寸范围内剪裁和控制材料的显微结构,使均匀性达到纳米级水平。与其他制备方法相比,此法能在低温合成无机材料,从分子水平设计和控制材料的均匀性及粒度,最后得到高纯超韧均匀的纳米粒子[4]。
1.2 活性剂的选择及其分散效果
为了使纳米粒子充分地溶解到润滑油中，我们采用表面改性的方法。对纳米粒子进行表面改性的方法很多，但是最常用和最方便的方法是采用表面活性剂对纳米粒子的表面修饰，降低纳米粒子表面作用能，从而使纳米粒子能均匀地分散在介质中。本文采用吐温60、司班20、司班80和聚醚，按照质量比例为2∶1∶1∶3的比例进行混合，根据亲水亲油平衡值（HLB）理论，如果三种活性剂的HLB值分别为HLB1、HLB2和HLB3，混合物的比例为a∶b∶c，那么混合活性剂的HLB值可以由下列公式求出：HLB=HLB1a+HLB2b+HLB3ca+b+c。已知吐温60、司班20、司班80和聚醚的HLB值分别为：14.9、8.6、4.3和9.5，那么根据上面的公式，我们计算可得，混合后的HLB值为：
（注：基金项目：上海市教委科研项目(06FZ008) ；上海市教委重点学科建设项目（J50603）。
HLB=14.9×2+8.6×1+4.3×1+9.5×32+1+1+3=10.2
根据文献[5]，若HLB值在10～13之间，则活性剂在水中呈半透明至透明分散体。而机械油的HLB值也在10～13之间。
不同比例活性剂对纳米La2O3粒子在润滑油中的分散效果如表1所示。
表1 不同比例活性剂对纳米La2O3粒子在润滑油中的分散效
1.3 含纳米粒子润滑油的配制
(1) 吐温60、司班20、司班80和聚醚以2∶1∶1∶3的比例混合。
(2) 将混合后的活性剂分别加入纳米La2O3粒子（其质量分数分别为0.2%，0.4%,0.6%, 0.8%,1.0%），然后置于恒温水浴锅中搅拌10 min左右，水温保持在75 ℃左右。
(3) 将含有纳米粒子的混合活性剂加入到500SN基础油中后，置于KQ218超声波振荡器中振荡20 min，使纳米粒子充分分散。
(4) 将油品放在H97-A恒温磁力搅拌器中搅拌约2 h，温度保持在75 ℃，转速保持在1200 r/min左右。
多次重复步骤（3）和（4），具体搅拌时间可根据油品分散效果来定。
1.4 润滑油摩擦学性能试验
本试验采用济南试金集团生产的MRS-1J四球长时磨损实验机，测定了500SN基础油和含纳米La2O3粒子(其质量分数分别为0.2%,0.4%,0.6%,0.8%,1.0%)润滑油的最大无卡咬负荷PB值，方法按照GB/T 12583-1998。抗磨减摩性能是通过在392 N负荷下摩擦60 min测定磨斑直径D与摩擦因数μ来表示。采用上海钢球厂生产的钢球（GCr15，Φ12.7 mm， 64～66 HRC）。磨斑直径由15J读数显微镜读出，磨斑形貌由XTZ-E连续变倍体视显微镜拍摄。摩擦因数由μ=0.223TP计
2.1 含纳米粒子润滑油的摩擦学性能
图1为含纳米La2O3的润滑油的摩擦学性能。
由图1可知：当500SN基础油(PB值为362 N，磨斑直径D为0.720 mm,摩擦因数μ为0.1240)中加入纳米La2O3粒子，随着纳米粒子质量分数的增加，PB值增加。当质量分数为0.4%～0.8%时达到了最大值510 N。当含量大于0.8%时，PB值下降。而磨斑直径D和摩擦因数μ在质量分数为0.8%时都达到了最小值0.454 mm和0.0881。说明纳米La2O3粒子加入500SN基础油中可提高润滑油的抗磨减摩性能，最佳添加量为0.8%。相对于500SN基础油，其PB值提高了40.8%，磨斑直径降低了36.9%，摩擦因数降低了29%。
2.2 钢球表面磨斑形貌（见图2）
图2 磨斑表面形貌(×100)
由图2磨斑表面形貌可以看出，基础油的磨斑不圆整，磨痕深而粗，有犁沟；随着纳米粒子质量分数的增加，磨痕变细变浅，磨斑直径变小。当纳米La2O3的质量分数为0.8%时，磨斑最小，磨痕最细。当纳米La2O3的质量分数为1.0%时，磨斑直径变大，磨痕变粗。
通过摩擦学试验和磨斑表面形貌观察表明：纳米La2O3用作润滑油添加剂能够显著提高500SN基础油的承载能力，减小摩擦和磨损；且当质量分数为0.8%时，摩擦学性能最好。
本文选用的活性剂吐温60、司班20、司班80和聚醚均为非离子型表面活性剂，表面活性剂分子由亲油的非极性基团和亲水的极性基团组成。加入表面活性剂后，其极性基团朝纳米粒子，非极性基团朝油，按照这个特性形成吸附，形成活性剂包裹纳米粒子的胶囊，降低了纳米粒子的表面张力，增加了空间位阻，消除了静电，阻止了纳米粒子的团聚。而经表面改性过的纳米粒子在油中的分散性和稳定性越好，其抗磨减摩性能也越好。
3 纳米粒子作为润滑油添加剂的机理分析
（1）抛光机制。纳米La2O3粒子在摩擦副表面能起到“微抛光”作用，使摩擦表面更加光滑，减少摩擦。
（2）滚动机制。在摩擦副表面，纳米La2O3粒子起到“微轴承”作用，减小摩擦，提高承载能力。
（3）修复机制。纳米La2O3粒子能填补在凹坑处，起到填补修复作用。
（4）成膜机制。在摩擦压应力作用下，表面活性很高的纳米La2O3粒子发生强烈的粒子吸附，形成保护膜，从而能够保护摩擦表面。
4 结论
（1）吐温60、司班20、司班80和聚醚比例为2∶1∶1∶3时对纳米La2O3粒子具有最好的分散效果。
（2）纳米La2O3用作润滑油添加剂能够显著提高润滑油的承载能力，具有很好的抗磨减摩效果。其最佳添加量为0.8％，相对于500SN的基础油，其PB值提高了40.8%，磨斑直径降低了36.9%，摩擦因数降低了29%。
参考文献：
［1］ 苏登成,郑少华,陶文宏,等.硅烷偶联剂修饰纳米ZrO2润滑油添加剂的摩擦学性能研究［J］．润滑与密封，2007,32(5):113-115.
［2］ 李春风, 罗新民, 肖绍峰.纳米SiO2的表面改性及作为润滑油添加剂的研究进展［J］．中国粉体技术，2007(2):43-45.
［3］ 顾彩香，顾卓明，王平宗.含纳米稀土、铁复合粒子润滑油的摩擦学性能［J］．中国稀土学报,2006,24(增刊)：140-143.
［4］ 崔瑞敏,郭薇,周大鹏,等．稀土元素在润滑油添加剂中的应用［J］．化学与粘合，2006,28(1)：47-49.
［5］ 沈钟，王果庭.胶体与表面化学［M］．北京：化学工业出版社，2003：314.
STUDY ON THE APPLICATION OF La2O3 NANOPARTICLES IN LUBRICATING OILS
LI Qing-zhu1, GU Cai-xiang1, WANG Ping-zong2, LI Lei2, ZHU Guang-yao1
(1.Merchant Marine College, Shanghai Maritime University, Shanghai 200135, China; 2.Shanghai Branch, China Classification Society, Shanghai 200135,China)
Abstract:Tween60, Span20, Span80 and polyether were selected as surfactants for the surface modification of La2O3 nanoparticles. Lubricating oils containing La2O3 nanoparticles were prepared and their tribological properties were examined by MRS-1J four-ball wear tester. The results showed that when the proportion of Tween60, Span20, Span80 and polyether is 2∶1∶1∶3,the combination surfactants have optimal dispersion effects on La2O3 nanoparticles. And the optimal tribological properties are attained when the quality fraction of La2O3 nanoparticles is 0.8%. Compared with 500SN base oil, the PB value increases by 40.8%, wear spot diameter decreases by 36.9% and friction coefficient decreases by 29%.
Key Words:La2O3 nanoparticles; surfactant; tribological properties