VoL.22 No.3 何峰等：超细粉润滑剂的稳定性 ·255· 式(4)可得临界半径： 为，分散颗粒不因相互作用力而发生聚结现象 r.=85nm (5) 的E值至少应在6.21×10-0J以上阿.因此，由图 即当加入油中的粉末颗粒半径大于85m时，布 4可以看出，此时的E值为1.76×10-9J,故可认 朗热运动便不足以克服重力场的作用，油中的粉 为该体系是稳定的，颗粒间不会发生聚结长大 末将会发生沉降. 现象 粉末颗粒是否发生沉降，主要由其粒径决 100 定，如果粉末颗粒在介质中保持粒径不变，则只 50 要小于临界半径，就不会发生沉降.但由于布朗 0 运动的存在，粉末颗粒之间会不断地发生碰撞， -50 一EA 若碰撞使其粒径变大，有可能再发生沉降.这就 ER -150 E 是粉末的聚沉稳定性问题. -200 (2)超细粉末之间的情况. 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 根据Hamaker理论，对于半径为r的2个球 形颗粒，Van der Waals引力能为： 图4超细粉末在润滑油中的势能曲线 a=-Lhrh] "(+2yJ (6) Fig.4 Potential energy curve of ultrafine powders in oil 其中，A为Hamaker常数，通常其值约为l0~Nm, 由于超细粉润滑剂的稳定性取决于总势能 h=r-2,I为2颗粒的中心间距. 曲线上势垒的大小，因此可以定性地把是否存 另外，由图2可建立图3的模型.因此，Rose- 在势垒当作判断其稳定与否的标准.如把势能 nsweig导出计算球形颗粒间因有吸附层阻隔而 曲线最高点为0时作为颗粒聚沉的临界状态， 不能接触的空间立体障碍效应的排斥能： 则由图4可知，处于临界状态时，势能曲线在最 E=2mM2-(+)品] (7) 高处必须满足以下条件： 其中，N是单位体积吸附的分子数，δ是吸附层 ET=EX+ER=0 器-监-0 (9) 的厚度，k为Boltzman常数. 表面活性剂 对于粒径为80m的超细金属粉末，如其他 包覆层 条件与前面假设的相同，则由上式可得临界聚 超细粉末颗粒 沉值6=4.2nm.即如果6<4.2nm,表面活性剂分 子就起不到位阻作用.所以，对于平均粒径为80 nm的超细金属Cu粉，其在基体油中实现稳定 悬浮的条件是：每个颗粒表面吸附的表面活性 剂的厚度必须大于4.2nm. 图3超细粉末颗粒作用模型图(h=()-2) Fig.3 Action model between ultrafine powders 3结论 超细粉末在液相中稳定的悬浮，取决于由 (1)超细粉润滑剂的稳定是依靠超细粉末表 吸引能和排斥能组成的总能量，即： 面吸附层的空间位阻作用实现的. ET=EA+ER (8) (2)只有当表面吸附层厚度大于4.2nm时， 对于超细Cu粉润滑剂，如颗粒粒径80nm, 超细粉末才可能在润滑油中实现稳定的悬浮， 表面包覆层厚度为10nm,N=3.3×10m’,T= 参考文献 300K,由（⑧）式计算得到的势能曲线如图4所示. 由图4可见，当颗粒间距较远时，总势能为负 1 Watzke J H,Fendler J H.Quantum Size Effects of Insitu Generated Collidal Cds Particles in Dioctadecyldime Thy- 值：随着颗粒间距离的缩短，表面活性剂分子开 lammonium Chloride Surfactant Vesicles.J Phys Chem, 始相互压缩而产生位阻，总势能逐渐上升为正， 1987,91:854 但此时引力也随距离的变小而增大，在一定距2何峰，张正义，肖耀福，等，新一代润滑剂一超细金 离上出现最大位阻能E:距离再缩小，引力又 属粉固体润滑剂.润滑与密封，1997(5)：65 占据优势，势能又开始下降，又由胶体理论认 (下转269页)、 U N Z b 0 何 峰等 3 : 超细 粉润滑剂的稳定性 . 钻 2 . 式 可得 临 界 半径 4 ) ( : = r c 8 5 l n ( 5 ) 即当加入油中的粉末颗粒半径大于 m 85 时 n , 布 朗热运动便不足以克服重力场的作用 , 油中的粉 末将会发生沉降 . 粉末颗粒 是否 发生沉 降 , 主 要 由其粒径 决 定 . 如果粉末颗粒在介质 中保持粒径不变 , 则只 要小于 临界半径 , 就不会发生沉 降 . 但 由于 布朗 运动 的存在 , 粉末颗粒之 间会不 断地发生碰撞 , 若碰撞使其粒径变大 , 有可 能再发生 沉降 . 这就 是粉末 的聚沉稳定 性 问题 . (2 ) 超细粉末之 间的情况 . 根据 H am al 沈r 理论 , 对于 半径为 : 的 2 个球 形颗 粒 , M m d e r W汕1 5 引力能 为 〔5, : 。 _ A f Z , 2 . , _ h (入十 4 ) 1 E^ = 一今 }万舟下坛泞花+ b 兴于形 } ( 6 ) ~ A 6 Lh伪+ 4 ) ( h+2 厂 一 (h+2 ) ` 」 其 中月 为 H am ak e r 常数 , 通常其值约为10 一 ” N · m , h = lr/ 一 2 , l 为 2 颗粒 的中心 间距 . 另外 , 由图 2 可建立 图 3 的模型 . 因此 , oR s e - n sw ie g 导 出计算球形 颗粒间 因有吸 附层 阻 隔而 不能接触 的空 间立体障碍效应 的排斥 能 侈, : _ _ , 、 一 J ` 无十2 . 了1十占介、 h l , ~ 肠 = 2刃劫及洲 2 一传产h l若荃今瑞卜谁分 } ( 7) 。 R - 二· 1 一 L ` ar/ 一气1 + 矶) ar/ 」 其中 , N 是单位体积吸附的分子数 , 占是吸附层 的厚度 , k 为 B o ltZ m an 常数 . 为 , 分散颗粒不 因相互作用力而发生 聚结现象 的石益 盆 值至 少应在 6 .2 1xl 0 一 20 ) 以上 顶, . 因 此 , 由 图 4 可 以看 出 , 此时的五谕 值为 1 . 7 x6 1 0 一 19 ) , 故可认 为该体系是 稳定的 , 颗粒间 不 会发生 聚结长大 现象 . 昙 …户卜{犷 一 ,I — 一 参 { 一肠 图 4超细粉末在润滑油中的势 能曲线 F咭 . 4 P o et n iat l e n e r盯 e u vr e of u l t r a血 e P ow d e sr in 0 1 由于超细 粉润滑剂的 稳定性取决于 总势能 曲线上 势垒 的大小 , 因此 可 以定 性地把是 否 存 在势垒 当作判断其稳定与否 的标准 . 如把势 能 曲线最 高点 为 0 时作为 颗粒聚沉 的 临界 状态 , 则 由 图 4 可 知 , 处于 临界状态时 , 势能 曲线在最 高处 必 须满足 以下 条件 : ! ET 一 更 1旦旦二 Lhd E^ 十E R 尝 +票 一 。 ( 9 ) 表面活性剂 包覆层 超细粉末颗粒 图 3 超细粉末颗粒作用模型图h( = (肠) 一 2) F褚J A e柱o n m o d e l be 幻即 en u l tr a 血 e op w d e sr 超细 粉末在液相 中稳定的 悬 浮 , 取 决于 由 吸 引 能和 排斥 能组成 的总能量 , 即 : 几 = E^ + aE (8 ) 对于 超细 C u 粉润滑 剂 , 如颗粒粒径 80 mn , 表 面 包 覆 层 厚 度 为 10 nI 万= 3 . 3 、 10 16 m 一 , , T = 3 0 0 K , 由(8) 式计算得到 的势能曲线如 图4 所示 . 由 图 4 可见 , 当颗粒 间距较远时 , 总势能为负 值 ; 随着颗粒 间距离的缩短 , 表面活性剂分子开 始相 互压缩而产生 位阻 , 总 势能逐渐上升 为正 , 但此时引 力也 随距 离的 变小而增 大 , 在一 定距 离上 出现最大位 阻 能五~ ; 距离再 缩 小 , 引力又 占据优势 , 势能又 开 始 下 降 . 又 由胶体理 论 认 对于 粒径为 80 ln 的超细金属粉末 , 如其他 条件 与前面假设的相 同 , 则 由上式可得 临界聚 沉值 占= .4 2 nr . 即如果占< .4 2 ln , 表面活性剂分 子就起不 到位 阻作用 . 所 以 , 对于平均粒径为 80 mn 的超 细金属 C u 粉 , 其在基体油 中实现稳定 悬 浮 的条件是 : 每 个颗粒表面吸 附 的表面活 性 剂 的厚度必 须大于 .4 2 ln . 3 结论 ( l) 超细 粉润滑剂的稳定是依靠超细 粉末表 面吸 附层的空 间位阻 作用实现 的 . (2 ) 只 有 当表面吸 附层 厚度大于 .4 2 mn 时 , 超细 粉末才可 能在润 滑油 中实现稳 定的悬 浮 . 参 考 文 献 1 叭a/ 。 火e J H , F e n d l er J H . Q u a n t u m S i ez E fe cst o f ln s i ut G en r a t e d C o l li剑 C d S P art i c l e s in D ico at d e e y ld而e hT y - l aJ 的 m o n ium C川 ior de Sur af e 切叮t Ve s i e l e s . J Phy s Ch e m , 1 98 7 , 9 1 : 85 4 2 何峰 , 张正义 , 肖耀福 , 等 . 新一 代润滑 剂— 超细金 属粉 固体润 滑剂 . 润 滑与密封 , 19 97 (5) : 65 ( 下转 2 6 9 页)