一种无溶剂二氧化硅纳米类流体及其应用制造技术

本发明专利技术公开了一种无溶剂二氧化硅纳米类流体，该无溶剂二氧化硅纳米类流体先通过共价键用带膦酸官能团的表面修饰剂修饰无机二氧化硅纳米粒子，再利用离子键将端氨基嵌段低聚物接枝在修饰后的二氧化硅表面，接枝外壳结构能显著抑制纳米颗粒的团聚，得到长期稳定的具有类流体行为的新型功能化纳米材料。本发明专利技术还公开了该类流体的应用。本发明专利技术所述二氧化硅纳米类流体作为润滑剂和基础油添加剂均具有优异的减摩抗磨特性，膦酸基官能团的引入使其易于通过静电作用吸附在摩擦基底表面，形成有机‑无机杂化结构双电子层，增强吸附膜的润滑能力；同时，二氧化硅纳米颗粒在界面的堆积提高了摩擦化学反应膜的承载能力，改善摩擦副的边界润滑性能。

【技术实现步骤摘要】
一种无溶剂二氧化硅纳米类流体及其应用
本专利技术属于润滑剂
，涉及一种无溶剂二氧化硅纳米类流体及其应用。
技术介绍
纳米材料具有诸多独特的物理化学性质，如量子尺寸效应、小尺寸效应和表面效应，在光、电、热、磁、催化等方面应用前景广阔，因此多年来备受人们的关注，被美国化学会誉为“二十一世纪最有前途的材料”。但是纳米材料尺寸很小，表面能高，易于团聚，且表面与有机基体之间结合力差，若未经改性的纳米粒子直接使用，则不能充分发挥其特性和优势，影响输出性能。因此在使用时必须对无机纳米材料进行表面处理改善粒子的分散稳定性，阻止或减少团聚发生，保持固有的优异特性。目前对无机纳米粒子的改性主要分为化学改性和物理改性两大类。物理改性通过范德华力、氢键力等分子间作用力将无机或有机改性剂吸附在纳米粒子表面，从而降低表面张力，减少纳米粒子间的团聚，达到稳定分散的目的。而化学改性是通过纳米粒子表面与修饰剂之间进行化学反应或化学吸附，改变纳米粒子表面的结构和状态，降低团聚的几率。物理和化学改性能在一定程度上解决纳米粒子由于高表面能而引起的自团聚问题，但前人的研究表明，经过表面改性的纳米粒子往往呈固态，提高溶剂中改性纳米颗粒的长期稳定性仍是一个挑战。直到2004年，美国康奈尔大学的Giannelis等人研究发现，在纳米粒子表面嫁接带电荷的功能化有机长链，可使纳米颗粒在无溶剂的条件下具有类似于液体的行为，从而提出了新的研究热点-无溶剂纳米类流体（AdvancedFunctionalMaterials,2005,15,1285-1290;AdvancedMaterials,2005,17,234-237）。这类新型纳米材料表面接枝的带电荷的外壳结构，显著抑制了纳米粒子的团聚，获得了长期稳定的纳米类流体，而且能够避免溶剂对环境造成污染。简单来说，纳米类流体就是集纳米粒子的物理化学特性和流体的流变学性能于一身的体系，它们具有非常规整的微观结构，低的粘度以及高的电导率。经过十多年的研究探索，多种功能性纳米类流体被成功设计制备。已有研究表明二硫化钼和石墨烯纳米类流体作为基础油添加剂，具有显著的减摩抗磨特性（MaterialsLetters,2013,97,169-172;TribologyInternational,2017,105,118-124）。二氧化硅纳米颗粒作为润滑油添加剂被证明能显著提高油膜的抗极压性能（ACSSustainableChem.Eng.2017,5,4223-4233;NanoscaleRes.Lett.2016,11,329），纳米颗粒的高弹性模量以及摩擦过程中产生的滚珠效应是其润滑性能提高的原因。二氧化硅纳米类流体独特的核-壳结构以及带电荷特性可能使其具备优异的润滑特性以及在润滑油中的长期稳定性。然而，目前尚没有陶瓷纳米颗粒类流体作为润滑剂和润滑油添加剂的公开报导。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种无溶剂二氧化硅纳米类流体及其应用。本专利技术以无机纳米粒子为核合成无溶剂纳米类流体，将纳米尺度的无机纳米粒子进行表面修饰，并以共价键和离子键键合作用接枝带膦酸官能团的表面修饰剂和端氨基嵌段共聚物，将无机纳米粒子优异的承载性能与低聚物本身良好的流变性能有机结合起来。通过改变表面修饰剂和共聚物的种类和链长，可以得到一系列流动性及润滑性可控的纳米类流体。本专利技术所述二氧化硅纳米类流体具有优异的减摩抗磨特性，膦酸基官能团的引入使其易于通过静电作用吸附在摩擦基底表面，形成有机-无机杂化结构双电子层，增强了吸附膜的润滑能力。二氧化硅纳米颗粒在界面的堆积提高了摩擦化学反应膜的承载能力，改善了摩擦副的边界润滑性能。一种无溶剂二氧化硅纳米类流体，其特征在于该类流体通过以下方法制备：1)制备膦酸盐接枝的二氧化硅纳米粒子将二氧化硅纳米粒子溶于水中，加碱液调节pH至碱性，超声分散后，将二氧化硅纳米粒子悬浮液加到带膦酸官能团的表面修饰剂的水溶液中，在20-150℃反应1-48h，然后纯化，加强酸将产物中的阳离子置换为氢离子，干燥备用；2)将膦酸盐接枝的二氧化硅纳米粒子溶解超声，搅拌下加入端氨基嵌段共聚物在20-150℃反应1-48h进行离子交换，然后经纯化后进行干燥处理，即得新型纳米类流体。所述二氧化硅纳米粒子的粒径为2～100nm。所述碱液为氢氧化钠和氢氧化钾中的至少一种，浓度是2.0mol/L。所述调节pH至碱性指调节pH至8-12。所述带膦酸官能团的表面修饰剂为5-65wt%的羟基膦酸盐偶联剂水溶液。所述带膦酸官能团的表面修饰剂与二氧化硅纳米粒子的摩尔比为1:1-1:10。所述强酸为浓硫酸、浓盐酸和浓硝酸中的至少一种。所述强酸与膦酸盐接枝的二氧化硅纳米粒子的摩尔比为1:1-1:10。所述端氨基嵌段共聚物的通式为NH2(CH3CHCH2O)nCH2(CH2O)nCH3，n=5-50。所述端氨基嵌段共聚物为JeffamineM2070。所述端氨基嵌段共聚物与膦酸盐接枝的二氧化硅纳米粒子的摩尔比为1:1-1:10。所述纯化指将反应体系旋蒸除去溶剂，用去离子水、乙醇或四氢呋喃洗涤，然后透析、干燥。所述透析所用透析膜的分子量为3000-100000。所述无溶剂二氧化硅纳米类流体作为润滑剂或基础油添加剂的应用。所述基础油为聚乙二醇、聚α烯烃、液体石蜡或硅油。所述无溶剂二氧化硅纳米类流体的添加量为0.5wt%-10wt%。本专利技术所述无溶剂二氧化硅纳米类流体不仅具有类流体的特性，还可用于摩擦学领域，具有以下的优点：1、本专利技术所述无溶剂纳米材料呈类流体状，纳米粒子不会团聚且仍保持固有的物理化学性能，极大地提高了纳米粒子的加工应用性能；通过改变表面修饰剂和共聚物的种类和链长，即可得到性能迥异的纳米类流体。2、本专利技术将二氧化硅纳米类流体用作润滑剂和基础油添加剂均具有良好的减磨抗磨性能，能够促进摩擦界面高性能润滑边界膜的形成。3、本专利技术所述二氧化硅纳米类流体作为润滑剂和基础油添加剂使用时，存在电响应性能，通过形成双电层吸附膜和摩擦化学反应生成化合物膜有效保护摩擦对偶表面，降低摩擦副的磨损。具体实施方式下面通过具体实施例进一步说明本专利技术，但本实施例并不用于限制本专利技术，凡是采用本专利技术的相似方法及其相似变化，均应列入本专利技术的保护范围。所述试剂和原料，如无特殊说明，均从商业途径获得。实施例11）称取10g30wt%二氧化硅纳米粒子水溶液，分散在40mL去离子水中，超声30分钟，用2mol/L的氢氧化钠调节溶液PH为9，加入10.0g50wt%3-(三羟基甲硅烷基)丙基甲基膦酸单钠盐水溶液，于100℃下加热搅拌反应24小时，洗涤纯化后得到膦酸盐修饰的二氧化硅纳米粒子。将其分散在四氢呋喃溶液中，再加入40mL浓盐酸，室温下搅拌反应2小时，离心除去氯化钠盐，产物洗涤旋蒸干燥，得到膦酸修饰的二氧化硅纳米粒子。将膦酸修饰的二氧化硅纳米粒子溶于去离子水中，加入30g70wt%M2070水溶液，100℃下加热搅拌反应24小时后得到有机物改性的二氧化硅纳米类流体。利用去离子水、乙醇和四氢呋喃洗涤过滤，除去杂质，随后利用20000分子量的渗透袋进一步提纯产物，真空80℃下干燥24小时，得到含有膦酸官能团的二氧化硅纳米类流体。通过TEM、TGA表征其粒径和热分解温度，结果见表1。2本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种无溶剂二氧化硅纳米类流体，其特征在于该类流体通过以下方法制备：1) 制备膦酸盐接枝的二氧化硅纳米粒子将二氧化硅纳米粒子溶于水中，加碱液调节pH至碱性，超声分散后，将二氧化硅纳米粒子悬浮液加到带膦酸官能团的表面修饰剂的水溶液中，在20‑150 ℃反应1‑48 h，然后纯化，加强酸将产物中的阳离子置换为氢离子，干燥备用；2) 将膦酸盐接枝的二氧化硅纳米粒子溶解超声，搅拌下加入端氨基嵌段共聚物在20‑150 ℃反应1‑48 h进行离子交换，然后经纯化后进行干燥处理，即得新型纳米类流体。

【技术特征摘要】
1.一种无溶剂二氧化硅纳米类流体，其特征在于该类流体通过以下方法制备：1)制备膦酸盐接枝的二氧化硅纳米粒子将二氧化硅纳米粒子溶于水中，加碱液调节pH至碱性，超声分散后，将二氧化硅纳米粒子悬浮液加到带膦酸官能团的表面修饰剂的水溶液中，在20-150℃反应1-48h，然后纯化，加强酸将产物中的阳离子置换为氢离子，干燥备用；2)将膦酸盐接枝的二氧化硅纳米粒子溶解超声，搅拌下加入端氨基嵌段共聚物在20-150℃反应1-48h进行离子交换，然后经纯化后进行干燥处理，即得新型纳米类流体。2.如权利要求1所述的无溶剂二氧化硅纳米类流体，其特征在于所述二氧化硅纳米粒子的粒径为2～100nm；所述碱液为氢氧化钠和氢氧化钾中的至少一种，浓度是2.0mol/L；所述调节pH至碱性指调节pH至8-12。3.如权利要求1所述的无溶剂二氧化硅纳米类流体，其特征在于所述带膦酸官能团的表面修饰剂与二氧化硅纳米粒子的摩尔比为1:1-1:10。4.如权利要求1或3所述的无溶剂二氧化硅纳米类流体，其特征在于所述带膦酸官能团的表面修饰剂为5-65wt%的羟基膦酸盐偶联剂水溶液。5.如权利要求1所述的无溶剂二氧化硅纳米类流体，其特征在于所述强酸与膦酸...

【专利技术属性】
技术研发人员：张嘎，郭月霞，张利刚，王齐华，王廷梅，
申请(专利权)人：中国科学院兰州化学物理研究所，
类型：发明
国别省市：甘肃,62