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纳米AlN润滑材料制备研究 　　摘要：从分子设计的角度，采用溶液聚合法将极性单体马来酸酐（MAH）接枝到低分子量的聚丁二烯液体橡胶（LMPB）分子长链中，制备了一种新的大分子表面处理剂(LMPB-g-MAH)，并用其对纳米氮化铝粉体进行表面修饰。对合成的接枝共聚物，改性前后的纳米AlN运用IR、TEM、TGA、粒径分析、接触角、沉降实验等方法进行了表征。实验结果表明：马来酸酐（MAH）已经接枝到低分子量的聚丁二烯液体橡胶（LMPB）分子长链中；当马来酸酐（MAH）的接枝率为9%~11%，用量为10%~12%时，处理后的纳米AlN粉体，颗粒粒径最小，有效阻止了纳米颗粒的团聚。当改性后的纳米AlN以0.2%(质量分数)分散于长城润滑油（H-286）中，可明显提高其抗磨减摩性能及承载能力,极压值由1000 N提高为1376 N。 　　关键词：分子设计；大分子表面处理剂；液体橡胶；纳米氮化铝；承载能力 　　中图分类号：TE624.86 文献标识码：A 　　 　　0 前言 　　 　　近年来国内外的研究表明,将纳米粒子加入到润滑油中,会改善润滑油的摩擦学特性,提高其极压性能和抗磨、减摩性能,增加机器使用效率、延长机器零部件的使用寿命。被用作润滑油添加剂的纳米材料包括:纳米金属、纳米无机化合物以及富勒烯类等［1-5］。而用陶瓷纳米粉体（如：Si?3N?4、SiC、AlN、TiN等）作为润滑油添加剂的研究比较少。陶瓷纳米粉体是一类高性能的纳米材料，除了具备纳米级材料所特有的效应外，具有优良的自润滑效果，滑动摩擦系数小特点，是一种优良的润滑油添加剂。特别是纳米AlN 陶瓷材料被认为是新一代高集程度半导体基片和电子器件封装的理想材料，受到了国内外研究者的广泛重视［6-7］。 　　纳米润滑复合材料作为添加剂影响润滑油的性能主要取决两个方面：其一，纳米颗粒的形貌与粒径；其二，纳米润滑复合材料在润滑油中的悬浮性。由于纳米颗粒表面能高，表面张力比较大，有着强烈的团聚趋势，因此必须对纳米材料进行改性，使粒径在润滑油基体中达到均一、稳定分散，这个正是纳米润滑复合材料作为润滑油添加剂还没有达到实用阶段的一个重要瓶颈。 　　目前，改善纳米粉体分散和稳定性的方法主要是通过分散剂［8??、小分子表面处理剂（即硅烷、钛酸酯、铝酸酯等偶联剂等）［9］、大分子表面处理剂（嵌段或接枝聚合物）［10-11］等物质固定在颗粒表面，在颗粒周围建立起一个物质屏障，产生一定的势能垒，阻止团聚，改善悬浮性。从吸附的类型、包覆面积的大小、建立势能垒的高低、悬浮性等因素考虑，体现在改性效果的顺序为：小分子表面处理小于大分子表面处理剂（嵌段或接枝聚合物）。如图1所示，大分子改性不仅使纳米颗粒间空间位阻更大，粒径更小，分散性更好，而且吸附在颗粒表面的大分子长链在润滑油中受到的浮力更大，有效的改善了纳米颗粒在润滑油中的分散性。因此，如何合成有效的大分子表面处理剂是充分发挥纳米粉体的特性，制备性能优异的润滑油的关键所在。 　　图1 纳米AlN小分子改性剂和大分子改性剂结构 　　纯纳米AlN陶瓷粉体表面呈叔胺结构，表面存在着许多硅悬键，该结构在空气中不稳定,表面原子很容易与空气中的氧结合,形成了富氧薄层，含有大量的Al-OH、Al?2-O、Al-H2、Al?2- NH、Al-NH2等基团［12-13］，为改性提供了抛定点。因此，本实验从分子设计的角度，制备了大分子表面处理剂(LMPB-g-MAH)［14-16］，一方面，引入可与纳米AlN粉体表面基团发生化学键合的酸酐官能团（-C(O)-O-C(O)-）；另一方面，以弱极性的低分子量的聚丁二烯液体橡胶（LMPB）长分子链（与润滑油的极性相当）作为母链，并且通过控制一定的接枝度，调节了LMPB-g-MAH的极性与柔性，使低分子量的聚丁二烯液体橡胶（LMPB）分子长链能与长城润滑油分子链发生相互缠结、或发生化学反应（如双键等）来改善纳米AlN的在长城润滑油中的分散性，提高其极压性能。 　　1 实验部分 　　1.1 原料与仪器 　　1.1.1 实验原料 　　1，4聚丁二烯液体橡胶（LMPB），北京燕山石化（Mn=1000±50)，乙烯含量为60%~70%,粘度为150~2000 mPa?s(20 ℃)。BPO，C.P.北京市北郊化工厂（精制后使用）；马来酸酐(MAH)，工业级，上海试剂公司；抗凝胶剂:乙酰苯胺，分析纯，国药集团化学试剂公司；纳米氮化铝(AlN)，合肥开尔纳米材料有限公司，平均粒径小于100 nm; 比表面积大于80 m2/g。 　　1.1.2 分析仪器 　　QM-ISP04行星式球磨机，南京大学仪器厂生产；Zetasizer3000HSA激光散射粒度分析仪，英国Malvern Instruments公司生