活性炭添加提高潤滑油脂性能

　　機械磨損和摩擦已被證明是機械故障的主要原因之一，以及它對能耗的影響。摩擦接觸會增加能源消耗，磨損也是導致機械故障的主要原因。提高機械部件效率的一個關(guān)鍵因素是使用高效潤滑劑改善這些部件內(nèi)部的潤滑特性。其目的是通過最大限度地減少摩擦中消耗的能量來提高部件本身的耐用性并減少能源消耗過程中的氣體的排放。本文介紹了一種新型活性炭納米油脂添加劑，使用活性炭作為回收聚合物廢料的副產(chǎn)品。將五種不同濃度的活性炭納米粒子添加到鋰基潤滑脂中精制，制成具有成本效益和環(huán)境友好的潤滑脂活性炭納米添加劑。

　　活性炭納米添加劑材料表征

　　活性炭的SEM和TEM顯微照片如圖1a、b所示。值得注意的是，制備的活性炭納米粉末(如圖1a所示)被很好地識別、聚集并采用混合塊狀形態(tài)的形式。納米結(jié)構(gòu)形態(tài)具有不同形狀和大小的光滑表面，這表明由于活性炭的內(nèi)部和外部的活化，材料會持續(xù)消耗。TEM圖像(如圖1b所示)顯示了活性炭的糾纏和波紋片。從廢塑料中提取的活性炭的平均粒徑估計為84nm。活性炭表現(xiàn)出微孔形態(tài)。活性炭的孔分布證實了微孔的優(yōu)勢，其有效平均孔徑約為1.8nm。在活性炭納米粉末中觀察到的大孔體積歸因于單個孔的合并。這是由于碳層的排列導致了微孔的產(chǎn)生。由于在500℃時存在大量烴自由基和一些氫氣和水蒸氣，炭的表面和主體的活化會導致產(chǎn)生的活性炭的無定形性質(zhì)、高孔體積和高表面積。

　　圖1：(a)SEM顯微照片，(b)活性炭納米粒子的TEM顯微照片。

　　四球磨損試驗

　　使用4球磨損測試儀分別根據(jù)ASTM-2266和ASTM-5183確定每種測試潤滑劑聚集體的防磨損特性和摩擦系數(shù)(COF)。在磨損測試中，將系統(tǒng)預熱到75±2℃，然后將上球(放置在球夾頭中)設(shè)置為以1200±60rpm的恒定速度旋轉(zhuǎn)，同時按壓球杯內(nèi)的三個覆蓋有潤滑劑的固定球使用40kg負載60秒。使用放大100倍的立體光學顯微鏡檢查每個測試球的磨痕直徑，以確定潤滑劑混合物的平均磨痕直徑。根據(jù)ASTM-D5183，負載在10分鐘的時間間隔內(nèi)增加10公斤，直至發(fā)生咬死點。運行條件確保邊界潤滑條件下的連續(xù)滑模。根據(jù)ASTM-D5183中的公式，使用有關(guān)施加的扭矩、摩擦載荷、施加的重量值和歸一化因子的信息，確定每10分鐘時間間隔的摩擦系數(shù)值。為確保結(jié)果的良好可重復性，對每種測試潤滑劑混合物重復測試3次。

　　承載能力測試

　　使用定制摩擦測試儀裝置，并用于確定每種測試潤滑劑聚合體的承載能力，其原理是基于滾輪環(huán)測試。在測試裝置中，15毫米寬和11毫米直徑的滾子元件安裝在復合杠桿機構(gòu)一端的空腔中，而選定的測試砝碼(每個重量單位為500克)連接到另一端。滾子元件由軸承鋼制成，并放置在直徑為25mm的相同材料的旋轉(zhuǎn)環(huán)上。滾子圓柱體軸線相對于環(huán)旋轉(zhuǎn)軸線保持90度，八克潤滑劑混合物用于潤滑環(huán)和滾子元件。在運行測試期間，室溫保持在25℃。測試首先在不施加重物的情況下運行電機30秒，以確保環(huán)和滾子元件之間的潤滑劑分布均勻。然后，向杠桿機構(gòu)添加5N的階躍載荷。杠桿臂總成的重量不是施加載荷的一部分。除非在此之前檢測到分數(shù)，否則測試臺設(shè)置為以800±5rpm的速度運行10分鐘±15秒。如果在測試期間發(fā)生劃痕(表現(xiàn)為主軸的高噪音和振動)，則測試結(jié)束并移除負載。

　　磨損性能和摩擦系數(shù)

　　使用每種潤滑劑混合物的下部測試球的磨痕直徑根據(jù)ASTM-D2266確定。對每個測試球上的疤痕進行兩次測量，沿條紋測量一次，跨條紋進行另一次測量。根據(jù)數(shù)據(jù)分析可以得出，在商業(yè)鋰基潤滑脂、品牌潤滑脂的情況下，磨痕直徑和磨痕面積最大。具有活性炭納米添加劑濃度的鋰基潤滑脂將磨痕直徑值降低到鋰基潤滑脂的63-67%。與活性炭納米添加劑相比，其他樣品的磨痕直徑只有10-15%。然而，在其他樣品中添加0.5wt.%活性炭作為混合混合物，磨痕直徑降低了18%。這反映了活性炭納米粒子在增強鋰基潤滑脂的抗磨損性能方面的顯著影響。每種潤滑劑混合物的計算質(zhì)量損失(%)遵循磨痕直徑結(jié)果的相同趨勢，如圖2所示。很明顯，與商業(yè)油脂樣品(不含添加劑)相比，添加了活性炭的油脂樣品的質(zhì)量損失減少了65-70%，如圖2b所示。在混合混合物(0.5wt.%活性炭+2wt.%其他樣品)的情況下，與基礎(chǔ)潤滑脂樣品相比，磨損重量損失被抑制了80%。

　　圖2：(a)平均磨痕直徑，(b)所有測試樣品的質(zhì)量損失值。

　　活性炭添加劑的適用性

　　通過觀察摩擦學測試的結(jié)果，很明顯平均磨痕直徑和質(zhì)量損失的減少結(jié)果具有相似的趨勢。然而，當將活性炭添加到潤滑脂中時，質(zhì)量損失值顯示出更陡峭的趨勢。為了進一步了解質(zhì)量損失結(jié)果以及表面的磨痕形貌，應用了與能量色散X射線(EDX)系統(tǒng)集成的SEM。測試氣缸磨痕的EDX光譜是針對放大500倍的SEM圖像確定的，以便從磨痕的表面軌跡中獲得關(guān)于接觸表面上的摩擦膜的沉淀元素(碳和氧)的必要信息。圖3顯示了以500倍放大倍率成像時的磨損表面形態(tài)。在具有粗糙表面形態(tài)的商業(yè)油脂樣品的情況下，圖像描繪了淺槽和深槽(圖3a)。另一方面，活性炭樣品和2wt.%其他樣品的磨損表面(圖3b，c)顯示出淺槽，帶有少量深槽點和光滑的形貌，而在0.5wt.%活性炭+2wt.%其他樣品的混合樣品僅顯示出薄槽(圖3d)。

　　圖3：用于測試樣品的定制裝置磨痕放大500倍的SEM圖像(a)鋰基潤滑脂，(b)1wt.%活性炭，(c)2wt.%其他樣品，和(d)0.5wt.%活性炭+2wt.%其他樣品。

　　SEM結(jié)果已通過EDX分析得到證實，其光譜僅顯示磨痕中存在的碳和氧含量(以wt.%相互關(guān)聯(lián))。圖4a顯示了基礎(chǔ)潤滑脂樣品的EDX光譜，由于潤滑脂對潤滑表面具有顯著的屏蔽性能，因此沒有明顯的氧痕跡。通過將納米添加劑引入潤滑表面，發(fā)現(xiàn)與基礎(chǔ)潤滑脂相比，微量氧的量增加。關(guān)于1wt.%活性炭，與僅潤滑脂相比，它顯示出更高的C原子含量和顯著的氧量。這一發(fā)現(xiàn)可能歸因于活性炭的多孔結(jié)構(gòu)，它允許氧原子在磨損表面中強烈存在。看看2wt.%的其他物質(zhì)添加(如圖4c所示)，它具有最高的碳含量和低氧含量，這可歸因于集成的、較少孔的和分層的結(jié)構(gòu)。轉(zhuǎn)向混合樣品(如圖4d所示)，它被認為是一種最佳混合物，與1wt.%活性炭相比，它經(jīng)歷了一個中間碳峰和微量的氧痕量。這可以通過包圍多孔結(jié)構(gòu)的能力來解釋，這抑制​​了表面的氧化。此外，其他物質(zhì)添加到活性炭增強了摩擦接觸之間產(chǎn)生的摩擦膜，這在SEM結(jié)果中由混合樣品的最平滑結(jié)構(gòu)證明。此外，在潤滑脂中添加活性炭納米顆粒和其他物質(zhì)被認為可以將滑動磨損機制轉(zhuǎn)變?yōu)闈L動磨損機制，從而顯著降低接觸區(qū)域的摩擦。

　　圖4：測試樣品在500倍放大率下的SEM磨痕圖像的EDX光譜(a)鋰基潤滑脂，(b)1wt.%活性炭，(c)2wt.%其他樣品，和(d)0.5wt.%活性炭+2wt.%其他樣品。

　　活性炭添加提高潤滑油脂性能，潤滑油中的活性炭納米添加劑已被證明是控制磨損和摩擦的有效解決方案，對機械運行過程中的節(jié)能具有重要意義。使用SEM、TEM、BET表面積分析、EDX、XRD和FTIR光譜對合成的納米活性炭的化學、結(jié)構(gòu)和結(jié)構(gòu)特性進行了評估。研究了在5種不同重量比的鋰潤滑脂樣品中添加活性炭的影響。發(fā)現(xiàn)在潤滑脂中加入活性炭納米顆粒是提高摩擦和耐磨性的一種有前途的方法。因此，這項研究強調(diào)了一種有效的環(huán)境解決方案，將來自塑料廢料的活性炭納米顆粒作為用于機械油脂潤滑的新型納米添加劑。

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