一文读懂富勒烯润滑油

21世纪被称为“超碳时代”，碳纳米科技以其技术上的创新性，商业性的可行性，对人类的生活和生产产生了很大的变革作用。富勒烯作为一种非常完美的小分子，碳的同素异形体，被称为当今世界上最昂贵的材料。人们最熟悉的是C60，但是，经过不断的研发，现在有C50, C70, C82等等富勒烯类材料。目前富勒烯应用最广泛的有四大领域：国防军工领域、工业新材料领域、生物医药，健康领域和新能源环保领域。

富勒烯在润滑领域的应用，现在已经取得了较好的成绩。因为富勒烯本身就具有抗氧化，降低摩擦阻力，抗磨损的功能，所以当它加入到润滑油中，呈现了更好的效果。另外富勒烯还具有自修复的功能，所以它对机械设备的磨损会起到保护作用。

图片来源于网络

富勒烯润滑油的润滑机理

据文献报道，富勒烯C60的存在可保护设计的润滑剂免受热降解和氧化降解，并在接触表面形成厚度为70-80nm的富勒烯-聚合物保护膜，从而提高摩擦组件的使用寿命并增强其承载能力到原来的两到三倍。反过来，在工业上广泛使用的润滑脂中添加C60富勒烯，可以显著降低钢和黄铜样品的微动腐蚀。科学家们认为富勒烯（C60）独特的球形结构，并且 C60 晶体随压力增加，其硬度也随之增加，自身结构则向金刚石结构转化，强的分子内作用力，弱的分子间作用力，低的表面能等优势，具有作为分子滚珠高级润滑剂的使用前景。富勒烯通过有机溶剂实现了与润滑油形成统一的流体体系，在摩擦副表面无沉积填充效应，另外富勒烯本身无极性，不会在摩擦副表面产生吸附作用，对油品的抗磨性能影响不大；并且研究指出，因为富勒烯是溶于油中的由 60个碳原子组成的一个球形大分子团，具有非常好的承压能力，在中低负荷下这种承压能力还体现得不够充分，在高负荷下得到充分体现，并能隔开摩擦副表面阻止严重磨损的出现，因而在高负荷下体现出了极好的抗磨性能。因此，富勒烯 C60 非常有可能成为优良的固体润滑剂。

富勒烯润滑油的润滑机理（图片来源网络）

富勒烯在润滑油中的分散方法

目前对富勒烯纳米润滑添加剂进行分散的方法主要是表面修饰方法，表面修饰按其修饰原理又可分为表面物理修饰和表面化学修饰两大类，按工艺可分为表面包覆修饰、局部化学修饰、机械化学修饰、微胶囊修饰、沉淀反应表面修饰等。

1.表面包覆修饰：通过表面活性剂与富勒烯分子发生化学反应或表面吸附改变富勒烯分子的表面状态，特别是对改善富勒烯分子的分散性有很好的功效；并且呈现出某些新的特性和功能。

2.局部化学修饰：利用化学反应赋予粒子表面新的功能基，使其产生新的机能。

3.机械化学修饰：通过机械作用力来增强粒子的表面活性，从而与其他物质发生反应、附着，达到表面改性的目的。

化学修饰富勒烯（图片来源于文献）

4.微胶囊修饰：该修饰是采用特定的方法和特定的设备，将富勒烯分子作为芯物质，将成膜材料（常选用热塑性高分子材料）作为壳物质，最终形成核壳结构的微胶囊。

5.沉淀反应表面修饰：该方法是将富勒烯作为待改性的前驱体，通过化学沉淀反应得到改性的富勒烯化合物。

富勒烯衍生物薄膜（图片来源于专利）

富勒烯在润滑油中的测试指标

在了解富勒烯润滑油的测试指标之前，先粗略了解一下基础油的种类。

首先基础油种类：基础油总共分为5类，有具有溶剂精致基础油，有加氢的润滑油，PAO合成基础油以及其他基础油。从下表可以看出，粘度指数是润滑油的一个重要的指标。

基础油制备及其类别（图片来源网络）

当加入富勒烯之后，润滑油的各项指标检测需达到或超过基础指标后，才能证明富勒烯润滑油的性能。

运动粘度和运动粘度变化率：所谓粘度，就是液体的内摩擦力，外力施加到润滑油时，油分子之间会受到阻力，从而影响了润滑油的顺利流动，其阻力大小称为粘度。其大小由油品分子的内聚力来表示，在使用过程中则表示了粘稠程度，各种设备选定使用润滑油品种的主要依据。富勒烯因其本身的润滑性，理想情况下，将有利于提高润滑性能。如下图是某公司的富勒烯润滑油理化指标测试。

闪点：润滑油闪电的测定也是重要的指标之一，因为它的大小关系着润滑油的储存，运输和使用。所谓闪点就是在规定条件下加热油品所逸出的空气和蒸气组合而成的混合物与火焰接触发生瞬间着火时的最低温度。

某富勒烯润滑油测试指标（图片来源某公司）

PH值测试：润滑油中的酸碱值测试主要通过用一定体积的中性蒸馏水与润滑油混合，振荡，使得润滑油中的水溶性酸和碱被提炼出来，采用石蕊或者酚酞测定蒸馏水的酸碱性来判定。众所周知，润滑油中的水溶性酸或者碱会严重腐蚀机件。特别当器件在有水分子运动的环境中，腐蚀将会更加严重。

泡沫特性：润滑油的泡沫特性是指，润滑油在实际使用中，由于受到振荡，搅拌等作用，使空气进入到润滑油中，以至于形成气泡。润滑油中产生的泡沫危害性较大，不仅会浪费油，而且加速油品的老化，最重要的是会对机械产生穴蚀。

机械穴蚀图片（来源网络）

结语

富勒烯作为液体润滑剂的添加剂的使用，由于它们在油中的低溶解性而变得复杂，为此，在大多数研究中，使用了具有分散的富勒烯的复合制剂。从实际应用的角度来看，最有前途的方法是基于油溶性富勒烯衍生物作为添加剂的使用。水溶性或烷基化的富勒烯衍生物可以用作添加剂，以及含硫衍生物也可用于润滑油添加剂，但是它的性能发挥取决于基础油的类型。众多研究表明将0.005–1 wt％的化学改性富勒烯引入普通工业油中，可以显着提高润滑剂性能的抗载荷能力，防止摩擦表面擦伤的能力以及抗磨性能等。

目前有很多公司已经在研究富勒烯润滑油并且将其应用到各种领域，如齿轮，汽轮机、压缩机、冷冻机、变压器、轴承、气缸等。全国“十二五”“十三五”新材料名录中加入了富勒烯，在国家的地位非常高。因此富勒烯润滑剂的应用值得探索与期待。