納米銅潤滑油添加劑的中型試驗(yàn)研究

納米銅潤滑油添加劑的中型試驗(yàn)研究

1超重力機(jī)的應(yīng)用超級(jí)重力是指在比地球重力加速度（9.8m，s2）更大的環(huán)境下，物質(zhì)的耐腐蝕性。研究物質(zhì)在超重力環(huán)境下的物理和化學(xué)變化過程的應(yīng)用技術(shù)叫超重力技術(shù)。在超重力環(huán)境下,液-液兩相在多孔介質(zhì)或孔道中產(chǎn)生流動(dòng)接觸,巨大的剪切力將液體撕裂成微米至納米級(jí)的液膜、液絲和液滴,使相間傳質(zhì)速率比傳統(tǒng)塔器中的提高1～3個(gè)數(shù)量級(jí),微觀混合和傳質(zhì)過程得到極大強(qiáng)化。實(shí)現(xiàn)超重力環(huán)境的簡便方法是旋轉(zhuǎn)設(shè)備超重力機(jī)。由于超重力技術(shù)顯而易見的優(yōu)點(diǎn),自20世紀(jì)70年代末第一臺(tái)超重力機(jī)出現(xiàn)以來,世界上許多大化學(xué)公司都競相對(duì)該技術(shù)進(jìn)行開發(fā)研究,并進(jìn)行了中試或工業(yè)應(yīng)用研究。北京化工大學(xué)對(duì)超重力技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)行過多個(gè)領(lǐng)域的研究,同時(shí)進(jìn)行超重力機(jī)的設(shè)計(jì),開發(fā)研制了具有多種結(jié)構(gòu)的小型、中型試驗(yàn)設(shè)備及工業(yè)化設(shè)備。隨著納米材料和納米摩擦學(xué)的不斷發(fā)展,近年來,國內(nèi)外眾多的研究者在開發(fā)優(yōu)異的抗磨減摩和抗極壓性能添加劑的過程中,發(fā)現(xiàn)納米粒子在潤滑油中表現(xiàn)出了較好的極壓抗磨及減摩性能,可望成為新型的潤滑油添加劑。中國石油潤滑油公司蘭州潤滑油研究開發(fā)中心與中國科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所聯(lián)合開發(fā)了一種納米銅潤滑油添加劑生產(chǎn)工藝,采用“萃取法”在500L反應(yīng)釜中合成了質(zhì)量合格的納米銅添加劑,性能測(cè)試的結(jié)果表明其具有良好的摩擦學(xué)性能,可以用作潤滑油的納米抗磨節(jié)能添加劑。然而,現(xiàn)生產(chǎn)工藝為釜式反應(yīng),存在以下問題:分批加料、加料速度以及預(yù)混或非預(yù)混加料顯著影響反應(yīng)器中各處局部的粒子形成,原料在反應(yīng)釜中混合不均,達(dá)不到微觀混合的效果,生產(chǎn)周期長等。而納米銅的成核是一種快速瞬間反應(yīng),要想制備粒徑分布較窄的納米銅潤滑油添加劑,就必須盡可能地強(qiáng)化相間傳遞及微觀混合過程,超重力機(jī)正好可以滿足這些要求,是制備納米銅潤滑油添加劑的理想反應(yīng)器。中國石油潤滑油公司蘭州潤滑油研究開發(fā)中心利用超重力技術(shù),在實(shí)驗(yàn)室研究的基礎(chǔ)上,開展了制備納米銅潤滑油添加劑的中型試驗(yàn)研究,利用超重力機(jī)具有強(qiáng)化相間傳遞、快速反應(yīng)和微觀混合的特點(diǎn),代替?zhèn)鹘y(tǒng)的釜式反應(yīng),研究開發(fā)一種超重力法生產(chǎn)納米銅潤滑油添加劑的合成技術(shù),制備出產(chǎn)品質(zhì)量達(dá)到實(shí)驗(yàn)室水平的納米銅潤滑油添加劑產(chǎn)品。超重力法生產(chǎn)納米銅潤滑油添加劑是一種新技術(shù),目前國內(nèi)外尚無工業(yè)化報(bào)道。2實(shí)驗(yàn)2.1萃取劑和試驗(yàn)設(shè)備原料:銅鹽A,水溶性,含量98%以上;還原劑B,水溶性,含量98%以上;萃取劑C,油溶性,含量98%以上;溶劑為石油醚。試驗(yàn)設(shè)備:實(shí)驗(yàn)室玻璃器皿;三個(gè)50L的儲(chǔ)罐,一臺(tái)150L反應(yīng)釜,一臺(tái)處理量為100kg/h超重力機(jī),三臺(tái)離心泵,三個(gè)轉(zhuǎn)子流量計(jì)等。2.2合成原理2.2.1液體對(duì)填料的分離超重力機(jī)工作原理示意見圖1。兩種反應(yīng)物溶液分別裝在兩個(gè)儲(chǔ)槽中,由兩個(gè)離心泵經(jīng)流量計(jì)計(jì)量后從超重力機(jī)中心處進(jìn)入旋轉(zhuǎn)填充床內(nèi),物料通過液體進(jìn)口管噴射到轉(zhuǎn)子的填料上,液體在離心力的作用下沿填料孔隙由轉(zhuǎn)子內(nèi)向轉(zhuǎn)子外流動(dòng)。在此過程中,液體被填料分散、破碎形成極大的不斷更新的表面,液體在高分散、高傳動(dòng)、強(qiáng)混合以及界面急速更新的情況下在彎曲孔道中接觸,極大地強(qiáng)化了傳質(zhì)過程。而后,液體被甩到外殼匯集后經(jīng)液體出口管道離開超重力機(jī)。進(jìn)行中型試驗(yàn)的超重力機(jī)處理量為100kg/h,轉(zhuǎn)速為900r/min。2.2.2水分散體系內(nèi)納米銅顆粒的轉(zhuǎn)移制備納米銅顆粒的實(shí)質(zhì)是通過對(duì)納米顆粒表面的修飾,將通常為親水性的無機(jī)納米銅顆粒表面轉(zhuǎn)變?yōu)槭杷疇顟B(tài),增加了其在有機(jī)相中的溶解度,從而可使水分散體系中的納米銅顆粒在與有機(jī)體系接觸時(shí)轉(zhuǎn)移到有機(jī)相中。原料還原劑B和銅鹽A在超重力機(jī)中實(shí)現(xiàn)瞬間混合,超重力機(jī)出口流出的水溶性還原液與作為萃取劑的石油醚溶液充分混合,通過一定時(shí)間的攪拌,將納米銅顆粒以絡(luò)合的方式萃取到有機(jī)相中,實(shí)現(xiàn)納米顆粒由水相到有機(jī)相的相轉(zhuǎn)移,最后沉降分液,從萃取液中脫去水,上層有機(jī)相經(jīng)過濾后,通過蒸餾除去溶劑石油醚,得到產(chǎn)品納米銅潤滑油添加劑。2.3納米銅潤滑添加劑的制備中試合成反應(yīng)的工藝流程見圖2。分別制備不同濃度的銅鹽(A)溶液、還原劑(B)溶液、萃取劑(C)溶液各25L,盛裝于三個(gè)50L儲(chǔ)罐中。以A、B兩種物料為反應(yīng)溶液,控制A溶液和B溶液流量同為120L/h,溶液由兩個(gè)離心泵經(jīng)轉(zhuǎn)子流量計(jì)從中心處進(jìn)入超重力機(jī)(旋轉(zhuǎn)填充床),通過液體進(jìn)口管噴到轉(zhuǎn)子的填料上,液體在離心力的作用下沿填料空隙由轉(zhuǎn)子內(nèi)緣向轉(zhuǎn)子外緣流動(dòng),并在此期間相互混合進(jìn)行第一步反應(yīng),實(shí)現(xiàn)了快速加料和微觀混合過程,在填料外緣處甩到外殼上,最后在重力作用下匯集到出口處流出。出口反應(yīng)產(chǎn)物與另一臺(tái)流量為120L/h的離心泵抽出的經(jīng)過計(jì)量的C溶液混合后,通過150L反應(yīng)釜頂部的填料段,一起進(jìn)入該150L反應(yīng)釜中,一邊攪拌一邊進(jìn)行第二步反應(yīng),待三種原料同時(shí)進(jìn)完后,將反應(yīng)物料靜置分液,脫去底部水層,上部油相組分通過板框過濾機(jī),濾后產(chǎn)物經(jīng)減壓蒸餾,蒸出溶劑,得目的產(chǎn)品納米銅潤滑油添加劑。利用超重力機(jī),采用液相法制備納米銅添加劑,整個(gè)過程在較低溫度下進(jìn)行,工藝具有操作簡單、易于工業(yè)化的特點(diǎn)。2.4工藝條件中型試驗(yàn)研究的工藝條件見表1。3結(jié)果與討論3.1制備納米銅的制備工藝反應(yīng)成核是一種快速瞬間反應(yīng),必須使反應(yīng)物在反應(yīng)器內(nèi)瞬間達(dá)到分子級(jí)的均勻混合即微觀混合,才能避免反應(yīng)器中過飽和度的非均勻性,使產(chǎn)物形態(tài)盡可能一致,因此必須采用特殊的進(jìn)料和混合方式才能達(dá)到微觀混合效應(yīng),并在反應(yīng)器放大過程中保持一致,而旋轉(zhuǎn)填充床正好可以滿足這一過程。根據(jù)實(shí)驗(yàn)室研究,納米銅制備過程的還原反應(yīng)和萃取反應(yīng)的可行性效果可以通過不同階段產(chǎn)物的外觀來確定。采用上述工藝流程,將A配制成不同濃度的溶液,與一定量的B溶液在超重力機(jī)進(jìn)行第一步反應(yīng),流出物與C溶液在反應(yīng)釜中進(jìn)行第二步反應(yīng)。分別采集各部反應(yīng)樣品,目測(cè)結(jié)果表明:超重力機(jī)及反應(yīng)釜出口混合液均為棕紅色油狀液體,說明超重力法可實(shí)現(xiàn)納米銅制備工藝中的第一步反應(yīng)和第二步反應(yīng),并可提高反應(yīng)體系的溶度。3.2超重力法制備納米銅潤滑添加劑的可行性在中試裝置上進(jìn)行了2批次的試驗(yàn),得到的中試產(chǎn)品納米銅添加劑的質(zhì)量分析見表2。由表2可以看出,中試產(chǎn)品的銅含量、流體力學(xué)直徑與釜式反應(yīng)產(chǎn)品相當(dāng),都達(dá)到了質(zhì)量指標(biāo)的要求,納米銅產(chǎn)品流體力學(xué)粒徑達(dá)到了小于20nm的較好水平,表明采用超重力法制備納米銅潤滑油添加劑的工藝是可行的。3.3納米銅添加劑對(duì)hviwh200的研磨效果納米銅產(chǎn)品的性能評(píng)價(jià)指標(biāo)主要為磨斑直徑,即將產(chǎn)品加入到基礎(chǔ)油HVIWH150中,考察油品磨斑直徑的變化情況。納米材料在潤滑油中減摩抗磨機(jī)理是邊界潤滑理論中的“鵝卵石”模型,認(rèn)為納米粒子在摩擦表面起支承負(fù)荷的“滾珠軸承”作用,即認(rèn)為納米粒子的尺寸很小,可以看作近似球型,在摩擦副間像鵝卵石一樣,起支承負(fù)荷的“滾珠軸承”作用而提高潤滑油膜的抗磨性。磨斑直徑性能評(píng)價(jià)結(jié)果見表3。由表3可以看出,基礎(chǔ)油HVIWH150的磨斑直徑為0.60mm,加入0.10%的實(shí)驗(yàn)室產(chǎn)品后測(cè)得的磨斑直徑為0.35mm;加入0.10%的試驗(yàn)1產(chǎn)品后測(cè)得的磨斑直徑為0.40mm;加入0.08%,0.10%,0.12%的試驗(yàn)2產(chǎn)品后測(cè)得的磨斑直徑分別為0.41,0.48,0.38mm,說明加入納米銅添加劑后顯著降低了基礎(chǔ)油HVIWH150的磨斑直徑。因此,超重力法制備的納米銅添加劑具有良好的摩擦學(xué)性能,可以用作潤滑油的納米抗磨節(jié)能添加劑,具有明顯的減摩、抗磨作用。4納米銅潤滑添加劑的制備(1)物料在超重力機(jī)內(nèi)可以瞬間達(dá)到分子級(jí)的均勻混合即微觀混合,超重力法可實(shí)現(xiàn)納米銅制備工藝中的第一步反應(yīng)和第二步反應(yīng),具有加料速度快和混合均勻的特點(diǎn)。(2)利用超重力技術(shù),在中試裝置上制備出納米銅