铜纳米颗粒增强芥末油与大豆油基生物润滑剂的摩擦学与热化学性能

《Next Nanotechnology》：Tribological and thermo-chemical performance of copper nanoparticle-enhanced mustard and soybean oil based bio-lubricants

　　

随着对环保型润滑需求的增长，可生物降解的植物基润滑剂作为传统石油基产品的替代方案受到关注。研究人员将铜纳米颗粒（CuNPs）以0.15%、0.30%、0.45%、0.60%和0.90%不同浓度分散于大豆油和芥末油基生物润滑剂中，采用磁力搅拌结合超声处理确保稳定分散与均匀悬浮。润滑剂的摩擦学性能通过销盘磨损试验评估；热导率、闪点/燃点、pH稳定性、酸值与倾点等关键性质被系统评价；表面粗糙度参数（Ra、Rq、Rz、Rt）用于揭示摩擦膜形成及磨损机制。结果表明，添加CuNPs显著改善润滑剂性能，0.45 wt%为最优浓度。该浓度下芥末油基纳米润滑剂表现最佳：磨损量最低（0.0025 g）、热导率最高（0.1494 W/m·K）、闪点/燃点达330℃/335℃、表面粗糙度Ra=0.282 μm、倾点?12.8℃；大豆油基纳米润滑剂磨损量略高（0.0047 g），但化学稳定性更优（pH与酸值波动更小）。CuNP增强芥末油具备作为环保润滑剂的潜力，需在工业条件下进一步验证。

研究背景方面，传统矿物油基润滑剂虽可通过添加剂提升性能，但存在生物降解性差、毒性高、依赖有限化石资源及健康风险等问题，超过95%工业润滑剂仍源自石油。植物基生物润滑剂因高生物降解性（70–100%）、低毒性和优异摩擦学性能受关注，但其固有缺陷包括氧化稳定性差、低温流动性不足及热阻有限。纳米技术通过引入铜纳米颗粒（CuNPs，30–60 nm）可形成保护摩擦膜、降低直接接触并改善传热，但CuNPs在芥末油这类高芥酸植物油中的系统研究此前较缺乏，且脂肪酸组成对分散稳定性的影响未明。为此，研究人员在《Next Nanotechnology》发表该研究，首次对比芥末油与大豆油两种脂肪酸组成差异显著的基油中CuNPs的摩擦学、热物理、化学与流变综合性能，以确定最优浓度并评估工业高负荷应用潜力。

关键技术方法上，研究人员选取市售芥末油（高芥酸约50%）与大豆油（高多不饱和脂肪酸）为基油，添加30–60 nm、99.9%纯度CuNPs，采用两步法（1000 rpm磁力搅拌30 min + 40 kHz超声60 min）制备0.15–0.90 wt%五组浓度纳米润滑剂；使用销盘试验机（6061铝盘，1.14 kg载荷，15 rpm，5 min边界润滑条件）评价磨损与摩擦系数（COF）；通过数字热导仪、克利夫兰开杯法（ASTM D92）测闪/燃点、pH计、ASTM D974滴定测酸值、旋转粘度计（ASTM D7042，40℃）及倾点测试评价热物理化学性质；采用SEM观察磨痕形貌，表面轮廓仪定量R_a/R_q/R_z/R_t及Abbott-Firestone承载曲线。所有样品三次重复取均值。

研究结果部分，形态分析（SEM）显示芥末油基0.45 wt% CuNPs磨痕沟槽浅而均匀，CuNPs沉积连续，形成稳定摩擦膜；大豆油基同浓度虽平均粗糙度下降，但R_t反升（2.63→3.42 μm），反映局部膜破裂深谷，归因于大豆油氧化稳定性弱、摩擦膜再生不足。分散稳定性评估通过热导率、磨损、COF与粗糙度的非单调趋势间接判定：0.45 wt%全面最优，0.60–0.90 wt%因团聚导致性能回落。磨损与表面粗糙度分析中，芥末油0.45 wt%磨损量0.0025 g，R_a降45.5%（0.517→0.282 μm）、R_t降62.1%（7.62→2.89 μm）；大豆油同浓度磨损0.0047 g，R_a仅降13.3%，R_t异常升高，证实芥末油边界膜化学吸附（芥酸极性头基）与CuNPs协同更优。热性能方面，0.45 wt%时芥末油热导率0.1494 W/m·K（较基线升49.4%），大豆油0.1237 W/m·K（升23.7%），超越后团聚断网致下降；芥末油长链脂肪酸提供更好空间稳定。其他分析表明：40℃动态粘度芥末油89.59 mPa·s高于大豆油67.20 mPa·s；pH大豆油恒稳6.8，芥末油在0.30 wt%出现~8.5峰（Cu氧化成Cu(OH)₂）后回落；倾点芥末油?12.8℃优于大豆油?9.2℃，归因子CuNPs阻碍蜡晶生长；闪/燃点芥末油330/335℃高于大豆油308/322℃；酸值增量大豆油更小，显示其氧化化学稳定性更优。润滑机制归纳为四协同：摩擦膜承载、微裂纹修复（mending）、纳米滚动（nano-rolling）、载荷分担；0.45 wt%四机制并存，过量则团聚废效。COF分析中芥末油从0.110降至0.063（降42.7%），与磨损损失R²>0.92。

讨论与结论部分，研究人员指出0.45 wt%为跨热学—力学维度的临界最优浓度，芥末油在磨损、粗糙度、热导、闪燃点、倾点六项占优，大豆油仅在pH/酸值化学稳定性占优；铝盘代钢、短时长（5 min）、未测ζ电位/RPVOT、未用非食用油为局限。结论确认：CuNPs增强芥末油基生物润滑剂在0.45 wt%取得最低磨损（0.0025 g）、最平滑表面（R_a=0.282 μm）、最高热导率（0.1494 W/m·K）、最高闪/燃点（330/335℃）与最佳低温流动性（倾点?12.8℃），其多维优势由芥酸主导吸附膜稳定CuNPs摩擦膜所致；该配方具备高负荷高温工业润滑潜力，而大豆油基配方适用于中等温度且重视长期氧化稳定性的场景；后续需用钢件、长周期、RPVOT及TEM/XPS/FTIR表征深化。