1、第8卷第2期 2011年4月 纳米材料与应用 Nanomaterial&Application Vo18 No2 April 2011 纳米金属Cu粉制备新方法及其对 润滑油性能的影响 赵金珍，黄伟，高仲良，吉鹏，孙璐璐 (太原理工大学煤化学与技术教育部和山西省重点实验室，山西太原030024) 摘要：以无机铜盐为铜源，加入正己醇、span一80、tween一80，在N 气氛4-#“T，制得粒度可 控、粒径在2050nm的纳米铜，经sEM分析为球形，用四球摩擦试验机测试含有纳米铜润滑油 的极压抗磨性能，结果表明，纳米铜粉的粒度越小，润滑油的极压抗磨性能越佳。 关键词：纳米铜；润滑油基础油；极压
2、抗磨 Novel Method of Preparing Nanostructured Copper Powders and Effects of Nano-copper Additions on the Properties of the Lubricant Oil ZHAO Jin-zhen，HUANG Wei，GAO Zhong-liang，JI Peng，SUN Lu-lu (Taiyuan University of Technology，Key Laboratory of Coal Science&Technology of Ministry of Education and Sh
3、anxi Province，Taiyuan 030024，China) Abstract：In nitrogen atmosphere，controlled copper particle size(20-50nm)，was prepared，taking inorganic copper salt as the copper source and adding hexanol，span-80，tween-80Nano-copper was spherically analyzed by SEMThe four ball friction equipment investigated EP a
4、nd AW properties of the lubricating oil containing nano-copperthe results showed that the better EP and AW properties of the lubricating oil were obtained with smaller nano-copper particles Keywords：nano-copper；lubricant base oil；EP and AW ：TB 383 文献标识码：A 文章编号：18121918(201 1)02001204 0引言 纳米技术是20世纪末出
5、现的高新技术，并且 越来越受到人们的关注，其中纳米金属粉末的制 备研究成为焦点。纳米铜粉由于尺寸小、比表面 积大、表面活性中心数目多、电阻小、具有量子 尺寸效应和宏观量子隧道效应等特点，有着与常 规材料不同的一些新特性，应用非常广泛。它不 收稿日期：20100914 12 仅可以作为优良的催化剂直接应用于化工行业l1I， 而且还是高导电率、高强度的纳米铜材不可缺少 的基础原料，被广泛应用于研制电磁屏蔽材料和 导电涂料中 。1995年IBM的Pekka等人I41研究发 现，纳米铜由于其低电阻而可被用于电力连接 后，其性质引起了电子界的很大兴趣。PG Sanders等人51还得到了纳米铜材(晶粒尺
6、寸 10110nm)的拉伸力学性能，发现其屈服强度是 一般退火铜(晶粒尺寸2O m)的10倍(300MPa)， 其延伸率也可达到8以上，因此，研制纳米铜粉 第8卷第2期 2011年4月 纳米科技 Nanoscience&Nanotechnology No2 April 2011 有重要的理论意义和实用价值。 纳米铜粉的制备方法很多，目前为止，主要 有化学还原法、电解法、机械研磨法、气相蒸气 法、 一射线辅照一水热结晶联合法、等离子体 法。但这些方法都有一定的缺点，难于实现工业 化。最近几年对化学还原法的研究较为广泛。化 学还原法制备纳米铜粉设备简单、工艺流程短、 易工业化。化学还原法常采用的还
7、原剂包括甲 醛、抗坏血酸、次亚磷酸钠、硼氢化钠、水合肼 等，但是这些还原剂有的有剧毒，有的还原能力 差，有的成本太高，有的反应过程里易引入其他 杂质，因此，对于还原剂的选择成为研究的重 点。本文提出了一种新的化学还原法，不需要另 外添加任何还原剂，可以避免催化剂中毒等其他 一些因素的影响。 l实验 11原料及制备 硝酸铜A_R(天津市科密欧化学试剂有限公 司)；硫酸铜AR(河南焦作市化工三厂)；氢氧化 铜ARf天津市北辰方正试剂厂)；润滑油基础油 f太原市润滑油销售点提供)； 正己醇CP(JL京化工厂)；span一80 CP(天津 市光复精细化工研究所)；tween一80 CP(天津市 科密欧
8、化学试剂开发中心)； 将定量的无机铜盐f硝酸铜、硫酸铜、氢氧化 铜)溶液、润滑油基础油、正己醇、span一80和 tween一80磁力搅拌混合均匀成微乳体系，250(2 热处理4h，即制备纳米铜粉。 12纳米铜粉的表征 将所制备的纳米铜粉洗涤干燥后，均匀涂布于 玻璃片上，用Rigaku，Dmax 2200型x射线粉末衍 射仪(XRD)进行组成、晶型分析，cu Kd(A=0 15406 am)射线，石墨单色器，管电压40 kV，管电 流30mA，扫描速度为8 fo)min。 采用Nanosem 430场发射扫描电镜(SEM)对制 备的纳米铜粉形貌进行观察。 13极压抗磨性能测试 MQ一800A四
9、球摩擦磨损试验机的测试条件 为：主轴转速1450radrain，试验时间为10s， 试验温度为室温，试验所用钢球为GCrl 二级标 准钢球(直径为127ram，上海钢球厂生产)，每一 测量结果为3次测量的平均值。 2结果与讨论 21纳米铜粉的XRD表征 图1为所制备样品的x一射线衍射谱图。从图 中可以看出，样品在衍射角(2 0)为43297。、50 433。和74130。处显示出衍射强峰。这些衍射 峰分别归属于金属铜(fcc)的(111)、(2O0)和(220) 的晶面衍射。这些衍射峰很窄，说明金属铜是晶 态的。另外，在图谱上除金属铜的衍射峰外没有 其它物质的衍射峰出现，说明所制备的是高质量
10、的纯铜粉末。 图1制备的纳米铜粉的X射线衍射谱 22纳米铜粒子的形貌 纳米铜粒子的SEM图片见图2和图3。 由图2可知，经本实验制备出来的纳米铜粒 子团外观为球形，尺寸在2050nm。 由图3知，无机铜盐在润滑油的作用下被还 原出铜原子。铜原子的定向排列使之迅速长大至 纳米级单质铜。由于纳米粒子的表面能很高，而 span一80、tween一80是极性很强的高分子化合物， 第8卷第2期 2011年4月 纳米材料与应用 Nanomaterial&Application V0I8 No2 April 2011 图2纳米铜粒子的SEM(x2000 000) 图3纳米铜粒子的SEM图(xl0 000)
11、因此纳米粒子表面很快就被其吸附，并将纳米铜 粒子包裹起来，防止了纳米铜粒子继续长大。当 然，在被这些高分子化合物完全包裹起来之前， 刚生成的纳米铜粒子也有可能与其它纳米铜粒子 发生碰撞，从而结合在一起，堆积成一个大球。 23反应条件对纳米铜粉粒度的影响 231热处理时间 图4所示为在不同反应时问下样品的x射线 衍射谱。 2-ThetaDeg 图4不同反应时间下纳米铜粉的X射线衍射谱 14 图4显示，在3h一5h的反应时间内，样品均 为纯的纳米铜粒子。根据scherrer公式： D=0892,(Bcos0) (1) 其中，入为x射线的波长，B为衍射峰的半 峰宽，0为衍射角。计算出的铜粉粒径为：D
12、 ： 352nm；D4 295nm； ，=359nm，表明在调查 的反应时间内，金属铜粉的粒径变化不大，其中 以4h为小，这可能是不同批次样品制备时在操作 上的偶然差异引起的。 232放置时间 图5所示为不同放置时间下纳米铜粉的x射 线衍射谱。由公式f1)进行计算得， Do b =339nm；D h，=295nm； D2 ch,m-352nm；D3&J)s=331nm 表明放置1d时粒度最小。 2-ThetaDeg 图5不同放置时间下纳米铜粉的x射线衍射谱 23-3铜源 图6为相同条件不同铜盐情况下纳米铜粉的 x射线衍射谱。由公式(1)计算得，粒径大小如下： (洲11=211nm；DCu(NC
13、)2=329nm； Dcso =374nm； 2一 ThetaDeg 图6不同铜盐制备的纳米铜粉的x射线衍射谱 第8卷第2期 2011年4月 No2 April 2011 图6表明，Cu(OH) 的XRD图谱基本 为Cu0的特征衍射峰。而CuSO XRD图谱中除了 有Cu0特征衍射峰和Cu O特征衍射峰外，大部分 为CuSO 峰，说明在250C时，CuSO 并没有完全 被还原为Cu0。以硝酸铜为铜源，全部为金属铜。 3纳米铜润滑油性能测试 表l是用MQ一800A球摩擦磨损试验机测试 的含05纳米铜粉润滑油的极压性能PR值。极压 性能用最大咬负荷P。值表征，P 值越大，润滑油 的极压性能越好，抗
14、磨性能越佳。 表1添加纳米铜润滑油的P 值 由表1看出，纳米铜颗粒小，P 值大，可能 是由于纳米铜颗粒小时，比表面积增大，在摩擦 过程中与磨损表面相碰撞时，极易吸附在磨损表 面上而起到有效的保护作用；而颗粒较大时，比 表面积减小，很少吸附在磨损表面，保护作用不 强。 4结语 本文提出一种以无机铜盐为原料，在润滑油 基础油中制备纳米铜粉和纳米铜润滑油的方法。 这种方法不仅可以在无另外还原剂的存在下制备 纳米铜粉，而且可以直接获得含纳米铜的纳米铜 润滑油，制备工艺简单，原料价格低廉，极易实现 产业化。 参考文献 王彦妮，等纳米粒子在乙炔聚合反应中的催化作用 卟催化学报，1 995，1 6(4)：3
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16、d palladoumJ1Acta Mater，1997，45(10)： 40】9-4023 作者简介 赵金珍(1987一)，女，大同人，硕士研究生，主要从 事材料制备。 黄伟(1962一)，男，广州人，博士生导师，主要从 事一碳化学研究及相关催化剂研究。 ： ； ! 全：全：全： 全： (上接第11页) Electric field effect in atomically thin carbon filmsJ】 Science，2004，306：666669 GEIM A K，NOVOSELOV K SThe rise of grapheneJ Nat Mater20076：1 83191
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