Page 80 - 《摩擦学学报》2021年第4期

第 4 期 王娜, 等: PTFE@SiO 2 核壳型添加剂在不同实验条件下的的水润滑性能 523

lubricating properties under the speed of 0.019 m/s and the steel surface roughness of 0.2 μm as well as the ambient
temperature. The friction coefficient was decreased nearly by 80% and the wear volume was reduced by 1~2 order of
magnitude when compared with the lubricants of pure water and water with physically mixed PTFE and SiO 2
(PTFE/SiO 2 ). SEM observation demonstrated that the existence of core-shell structure and the formation of high-quality
transfer film during the friction all contributed to the excellent water lubrication performances of PTFE@SiO 2 lubricant,
and then a possible lubrication mechanism on this basis was also proposed.
Key words: PTFE@SiO 2 ; core-shell structure; water lubrication; additive; tribological performance

高性能润滑剂是降低机械设备摩擦磨损、提高运 SiO 为壳的核壳结构复合粒子(PTFE@SiO )，考察了
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行效率与服役寿命以及减少能源消耗的重要手段. 随 滑动速度、温度以及表面粗糙度等工况参数对PTFE@
着工业的飞速发展，以矿物油和合成油为基础的润滑 SiO 水基润滑剂摩擦学性能的影响，并对润滑机理进
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剂对环境造成了一定危害，尤其是矿物油中的有害物 行了分析讨论和揭示.

质已经直接威胁到了人类的身体健康. 因此，作为环
1 试验部分
境友好的水基绿色润滑剂是未来润滑材料与润滑添

加剂的重要发展方向，尤其在船舶、金属加工以及煤 1.1 原料与试剂
矿开采等特殊工程领域具有重要意义 [1-2] . 水基润滑剂 PTFE乳液(DISP 30LX，固含量60%，粒子直径约
具有绿色无污染、安全和价廉等特点，作为高效的冷 为160~230 nm)由美国杜邦公司生产；甲基丙烯酸甲
却介质，能够快速传递热量. 但是水的黏度很低(仅为 酯(MMA)购自上海麦克林公司，使用前经5%的氢氧
油的1/100~1/20)，难以形成动压润滑，且水膜的承载 化钠水溶液萃取以去除阻聚剂，然后低温保存；γ-甲基
能力远低于油膜，再加上日益严苛的环保要求使得水 丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷(MPS)为分析纯，购自
基润滑剂的后处理工艺难度和成本显著增加. 因此，
上海阿拉丁生化科技有限公司；过硫酸钾(KPS)，分析
水基润滑添加剂的结构设计与调控、制备及其摩擦学
纯，购自上海麦克林生化有限公司；乙醇为中国天津
性能研究是目前摩擦学领域的重要研究方向之一.
利安隆博华医药化学有限公司生产；正硅酸乙酯
近年来，科研工作者们开展了大量水润滑添加剂
(TEOS)为分析纯，由中国广东西陇化工有限公司生
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的研发工作，主要集中在表面活性剂类 、水凝胶类 、
产；氨水，分析纯，由中国四川西陇化工有限公司生产.

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乳液类 和纳米/复合粒子类 . 有机/无机复合粒子具
1.2 PTFE@SiO 核壳复合粒子的制备
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有优异的减摩耐磨性能和高承载特性，以及单一组分
第一步，采用乳液共聚法将P(MMA-co-MPS)包
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所不具有的独特性能，受到了研究者的广泛关注 . 目
覆在PTFE的表面制备得到PTFE@P(MMA-co-MPS)
前，有关有机/无机复合粒子作为水基润滑添加剂的报
核壳复合粒子. 具体过程如下：首先将定量的PTFE乳
道较少，其摩擦学性能以及相关润滑机理的探究还不
液加入到盛有去离子水的五口烧瓶中进行超声分散.
完善. 因此，设计与制备高性能有机/无机复合粒子水
然后，将烧瓶置于油浴锅中并安装冷凝管，通入氮气
基润滑添加剂具有重要的意义和应用前景.
后将温度升高至70 ℃，在磁力搅拌下将10 ml MMA单
聚四氟乙烯(PTFE)作为自润滑性能优异的添加
剂，在固体润滑材料和润滑油脂中获得了广泛应用 [8-10] . 体溶液缓慢滴加至烧瓶中，恒温一段时间后缓慢滴加
20 ml含有0.08 g KPS引发剂的水溶液，滴完后继续恒
然而，特殊的双螺旋结构以及氟原子的存在导致其表
温反应2 h. 利用氨水调节乳液使其pH至7左右，并同
面能很低，与水的表面润湿性极差，严重阻碍了PTFE
在水润滑领域的应用. 目前PTFE作为水基润滑添加剂 时滴加5 ml MPS单体溶液和10 ml含有0.04 g KPS的
的应用还鲜有报道. 因此，改善PTFE的表面润湿性以 引发剂水溶液，滴完后继续恒温反应5~6 h，然后冷却
提高其在水中的分散性，是实现PTFE作为水基润滑 至室温. 利用乙醇离心清洗除去未反应的单体和乳化
添加剂的重要技术途径. 二氧化硅(SiO )纳米颗粒表 剂，得到PTFE@P(MMA-co-MPS)核壳复合粒子.
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面富含活性基团，具有高的承载能力和耐磨性. 利用 第二步，利用P(MMA-co-MPS)表面烷氧基的存
原位引发聚合法将PTFE与SiO 进行复合，可以改善 在为TEOS水解和缩合提供活性位点来制备PTFE@
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PTFE的润湿性，从而提高PTFE在基体中的分散性以 SiO 核壳复合粒子. 具体过程如下：将上述步骤得到
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及材料的摩擦学性能 [11-14] ，将可能成为制备高性能水 的复合粒子分散液置于三口烧瓶中，加入100 ml去离
基润滑剂的重要手段. 本文作者制备了以PTFE为核、 子水和2 ml氨水，在磁力搅拌作用下按照体积分数