二氧化硅添加对磁铁矿（Fe?O?）颗粒物理性质的影响及其在纳米润滑剂应用中的意义

《South African Journal of Chemical Engineering》：Influence of silica addition in Magnetite (Fe 3O 4) particles on physical properties for the application of nano-lubricant

纳米润滑剂中二氧化硅包覆磁铁矿的制备及其摩擦学性能研究。采用共沉淀-超声方法制备磁铁矿纳米颗粒，通过二氧化硅包覆改善其分散性。SEM显示包覆后粒径增大至27.66nm，表面粗糙度提高；XRD证实晶型仍为立方Fe3O4，但晶格参数增加；FTIR检测到Si-O-Si特征峰。摩擦测试表明纳米润滑剂磨损率降低50%，验证了表面包覆对摩擦性能的改善作用。

　　在机械系统中，摩擦是两个运动表面接触时不可避免的现象。这种摩擦不仅出现在齿轮、轴承、轴和传动链等机器部件中，而且在许多应用场景中对设备性能和寿命产生重要影响。摩擦的负面影响主要体现在能量损失、温度升高以及材料磨损等方面。尤其是在工业和交通运输领域，摩擦所导致的热能转换不仅降低了能源利用效率，还可能引发设备过热、材料变形，甚至导致系统故障。此外，摩擦加剧了部件的磨损，增加了维护和更换成本，从而对经济性造成不利影响。因此，如何有效控制摩擦成为提高设备效率和延长使用寿命的关键问题之一。

传统润滑剂通常以矿物油为基础，其配方中包含多种添加剂，如硫和磷化合物，以减少摩擦和磨损。然而，随着工业应用中操作条件的复杂化，例如高压力、高速滑动和极端温度等，传统润滑剂的性能逐渐受到挑战。其局限性在于无法有效应对这些极端环境，导致润滑效果下降，设备寿命缩短。因此，开发更高效的润滑技术成为摩擦学研究的重要方向。纳米颗粒作为润滑添加剂的应用，正是应对这一挑战的一种创新方案。

纳米颗粒具有独特的物理和化学特性，例如纳米级的尺寸、较大的比表面积以及高表面活性。这些特性使得纳米颗粒能够更有效地与摩擦表面相互作用，从而显著降低摩擦系数，延长润滑剂和设备的使用寿命。研究指出，大多数纳米添加剂在基础油中的最佳添加浓度范围为0.2%至2%。在这一浓度范围内，润滑性能的提升通常分为三种机制：物理沉积机制、化学反应机制和自修复机制。通过这些机制，纳米颗粒可以在摩擦过程中形成保护层，减少直接接触带来的磨损。

在众多纳米颗粒中，磁铁矿（Fe?O?）因其独特的磁性和优异的抗摩擦性能而受到关注。磁铁矿纳米颗粒不仅能够降低摩擦，还具有提高耐磨性的潜力。然而，其在油基润滑剂中的应用面临一个主要挑战，即容易发生聚集，导致分散稳定性不足。这种聚集问题限制了磁铁矿纳米颗粒在润滑剂中的有效利用，因为聚集的纳米颗粒难以均匀分布在油中，从而影响其润滑性能。

为了解决这一问题，研究者采用了一种硅涂层技术，将磁铁矿纳米颗粒进行表面改性。硅涂层不仅可以增强纳米颗粒的分散稳定性，还能提高其与润滑剂的兼容性。通过硅层的物理屏障作用，可以有效防止纳米颗粒之间的聚集，从而确保其在润滑剂中的均匀分布。此外，硅涂层还可能赋予纳米颗粒一些新的化学特性，使其在摩擦过程中形成更有效的保护膜。这种改性方法被认为是提高纳米润滑剂性能的有效策略之一。

在本研究中，硅涂层磁铁矿纳米颗粒的制备采用了共沉淀法和超声辅助方法相结合的工艺。共沉淀法用于合成磁铁矿纳米颗粒，而硅涂层则通过TEOS（四乙氧基硅烷）作为前驱体进行。实验过程中，磁铁矿纳米颗粒首先在酸性条件下进行处理，随后在碱性环境中进行沉淀，最终通过洗涤和干燥得到纯净的磁铁矿纳米颗粒。为了进行硅涂层，研究人员将TEOS引入含有磁铁矿纳米颗粒的混合溶液中，并在搅拌条件下使其均匀分散。经过一段时间的反应，形成了硅涂层，随后通过洗涤和干燥得到最终的硅涂层磁铁矿纳米颗粒粉末。

为了验证硅涂层是否成功，研究人员采用了多种表征技术，包括扫描电子显微镜（SEM）、X射线衍射（XRD）和傅里叶变换红外光谱（FTIR）。SEM分析显示，硅涂层磁铁矿纳米颗粒的平均粒径比未涂层的磁铁矿纳米颗粒更大，约为27.66纳米，而未涂层颗粒的平均粒径为18.65纳米。这表明硅涂层确实覆盖在磁铁矿纳米颗粒表面，提高了其尺寸。同时，SEM图像还显示了硅涂层后的纳米颗粒表面更加粗糙，呈现出由小颗粒组成的团聚结构，这可能是由于硅涂层的引入改变了纳米颗粒的表面性质，使其在润滑剂中更易分散。

XRD分析进一步确认了硅涂层磁铁矿纳米颗粒的晶体结构。XRD图谱显示，两种样品均具有单一的Fe?O?晶体结构，表明硅涂层并未改变磁铁矿的原始晶格。然而，硅涂层样品的（311）晶面衍射峰向更低的2θ角方向移动，同时峰强度增加，半峰宽（FWHM）减少，这表明晶格参数有所增大，晶粒尺寸增加。这种变化可能与硅涂层对磁铁矿纳米颗粒表面的修饰有关，使得其晶体结构更加稳定。此外，硅涂层样品的磁铁矿峰相对强度降低，而出现了一个较宽的衍射峰，这可能意味着硅涂层的引入改变了磁铁矿纳米颗粒的表面状态，从而影响了其在润滑剂中的行为。

FTIR分析则用于研究硅涂层对磁铁矿纳米颗粒表面化学性质的影响。FTIR图谱显示，未涂层磁铁矿纳米颗粒在3448 cm?1处出现O-H伸缩振动峰，而在575 cm?1处出现Fe-O伸缩振动峰，表明其表面存在水分子和金属-氧键。相比之下，硅涂层磁铁矿纳米颗粒在1088 cm?1处出现了新的Si-O-Si伸缩振动峰，表明硅涂层成功地在磁铁矿表面形成。此外，在3431 cm?1处的O-H峰和1470 cm?1处的C-H弯曲振动峰进一步证明了硅涂层与磁铁矿之间的相互作用。这些结果表明，硅涂层不仅改变了磁铁矿纳米颗粒的表面物理特性，还可能对其化学行为产生影响，从而提高其在润滑剂中的性能。

在实际应用方面，研究人员将硅涂层磁铁矿纳米颗粒添加到基础润滑剂中，制备了纳米润滑剂。为了评估其性能，进行了粘度测试、总碱值（TBN）测试以及磨损分析。粘度测试显示，纳米润滑剂在100°C时的粘度为8.96 mm2/s，而基础润滑剂的粘度为8.65 mm2/s。这一结果表明，纳米颗粒的加入略微提高了润滑剂的粘度，这可能是由于纳米颗粒之间的相互作用增加了流体的内摩擦力。然而，粘度的增加并未对润滑性能产生负面影响，反而表明纳米润滑剂具有更好的分散性和稳定性。

总碱值测试显示，纳米润滑剂和基础润滑剂的TBN值均为0.55，表明纳米颗粒的加入并未改变润滑剂的碱性特性。总碱值是衡量润滑剂中碱性物质含量的重要指标，它决定了润滑剂中性化酸性产物的能力。TBN值的稳定性意味着纳米润滑剂在长期使用过程中能够维持其抗酸腐蚀的能力，从而延长设备的使用寿命。

磨损分析结果显示，纳米润滑剂在测试过程中表现出显著的抗磨损性能。与基础润滑剂相比，纳米润滑剂的Fe金属损失减少了50%。这一结果表明，纳米颗粒在摩擦过程中形成了有效的保护层，减少了金属表面之间的直接接触，从而降低了磨损。尽管测试后纳米润滑剂中的Fe浓度有所增加，但这一增加主要来源于纳米颗粒的引入，而非设备本身的磨损。因此，纳米润滑剂不仅能够提高润滑性能，还能通过形成保护膜来减少设备部件的损耗。

此外，研究还评估了纳米润滑剂的污染水平。污染测试结果显示，纳米润滑剂和基础润滑剂的污染水平几乎相同，表明纳米颗粒的加入并未加速润滑剂中污染物的形成。污染是润滑剂在使用过程中由于氧化、硝化、硫化和碳化等因素导致的性能下降。污染水平的稳定意味着纳米润滑剂在实际应用中具有良好的耐久性和可靠性。

综上所述，硅涂层磁铁矿纳米颗粒作为一种新型润滑添加剂，具有显著的优势。其表面改性不仅提高了纳米颗粒在润滑剂中的分散稳定性，还增强了其与润滑剂的兼容性。通过SEM、XRD和FTIR等多种表征手段，研究人员验证了硅涂层的成功性，并进一步分析了其对润滑剂性能的影响。实验结果表明，硅涂层磁铁矿纳米颗粒能够有效降低摩擦，提高耐磨性，并在一定程度上保持润滑剂的稳定性和抗污染能力。这些特性使其成为一种具有潜力的新型润滑添加剂，能够满足复杂工业环境下的润滑需求。

未来的研究可以进一步探讨不同浓度的纳米颗粒对润滑性能的影响，以及在不同温度和压力条件下的表现。此外，还可以研究硅涂层的厚度和均匀性对润滑性能的具体作用机制，以优化纳米润滑剂的配方。同时，纳米润滑剂在实际应用中的长期性能和环境影响也需要进一步评估，以确保其在工业和交通运输领域的可持续性。通过不断改进纳米润滑剂的制备工艺和性能，有望开发出更高效、更环保的润滑解决方案，为现代机械系统提供更可靠的保障。